冰浆管内流动的絮网结构设想及阻力计算模型

    以冰浆作为介质的蓄冷空调不仅具有普通蓄能空调的优点,而且由于其具有较大的溶解潜热使得它可以使供冷管道尺寸大为缩小,从而节省材料和建筑空间,尤其在区域供冷上具有广阔的应用前景[1].但是,目前对冰浆的流动及传热性能及其在工程上推广应用,所做的研究较少.本文是继文献[1]对冰浆的绝热摩擦阻力试验之后对冰浆流动的进一步研究,它对冰浆在水平光滑管内流动及传热进行了试验研究,在此基础上提出了冰浆流动的絮网结构机理和阻力计算模型.模型计算结果与试验结果的比较显示该模型能较好地描述冰浆的流动工况,并且模型机理的提出也将为它的传热研究提供新的方向.

    1 试验装置

    试验装置由制冰装置及阻力测试段组成,制冰及试验测试装置参见文献[1],测试段如图1所示.

    测试段为内径8.0 mm的光滑直铜管,摩擦阻力由U型压差计测得,热电偶读数通过SI7061多通路巡回监测仪测得,加热功率由功率表测得.

    2 摩擦阻力及传热试验结果

    2.1 摩擦阻力试验结果

    图2表示出了冰浆摩擦阻力的特性曲线.从图2a中可以看出,在含冰率Rice=3.5%~14.0%范围时,摩擦阻力随Rice的增加而减小,并且其绝对数值比清水小,其比清水小的幅度从5%~25%不等;从图2b中可以看出,在Rice=22.0%~29.5%范围时,摩擦阻力随Rice的增加而增大,并且其绝对数值比清水大,其比清水增大的幅度从1.5%~27.0%不等(当含冰率Rice=29%时,在较低流速下,流动出现明显的不稳定,而在更大的含冰率测试时,则出现全面堵塞).可见,冰晶粒子对摩擦阻力的影响是复杂的,它既有对紊流的抑制作用,从而使阻力减小(这种作用的变化趋势应是随Rice的增加,紊流的抑制作用越明显);又有随Rice的增加,体系刚度增大,导致体系的物理黏性愈大,从而使摩擦阻力有增大的趋势.Rice对这两者的影响是不同步并且是非线性的,这样就会使体系出现能量耗散的极值,于是才会出现试验曲线中Rice对摩擦阻力影响的先降后升的变化趋势.

    2.2 传热试验结果与分析

    图3表示出了冰浆传热试验的试验结果及其与清水试验(入口温度为6℃)的比较.从图3中可以看出,随着含冰率Rice的增加,传热系数减小,其减小幅度从5%~45%不等(当含冰率Rice=30%时,在较低流速下,流动出现明显的不稳定,而在更大的含冰率测试时,则出现全面堵塞).可见,冰晶粒子对管内传热的影响是负面的,它对紊流起到了抑制的作用.

    3 冰浆管内流动的絮网结构设想

    本文及文献[1]的阻力试验结果均发现冰浆有在较小含冰率下阻力相对清水有所减小,而在较高含冰率下阻力又比清水要高的趋势;同时,本文的传热试验结果显示,随着含冰率的增加,传热系数逐渐下降.这些结果说明:冰浆中冰晶的存在对流体流动的紊流度具有某种抑制作用.