王 虹，薛永飛，馮榮貞

(河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

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超疏水過冷卻器的特性與熱力性能分析

王 虹，薛永飛，馮榮貞

(河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

地鐵等地下設(shè)施的完過冷水法制冰技術(shù)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、換熱與冰晶制作效率高等特點(diǎn)，是目前最受關(guān)注的動(dòng)態(tài)制冰方式之一.然而，過冷水在過冷卻器內(nèi)由于結(jié)冰而產(chǎn)生的冰堵現(xiàn)象導(dǎo)致了系統(tǒng)制冰過程的斷斷續(xù)續(xù)，降低了系統(tǒng)制冰的效率.針對(duì)過冷卻器的冰堵問題，在理論分析的基礎(chǔ)上采用超疏水過冷卻器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，基于最小熵增原理對(duì)過冷卻器的熱力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià).經(jīng)分析，超疏水過冷卻器的性能更好,提高了整個(gè)制冰系統(tǒng)的效率，比非超疏水過冷器的制冰量增加最高可達(dá)34%，達(dá)到了節(jié)能的目的.

冰漿;過冷卻器;冰堵;過冷度;超疏水;熱力性能

冰漿又被稱為“冰泥”，是一種水和冰晶粒子的混合物，冰晶粒子的直徑一般為幾十微米到幾百微米[1].隨著對(duì)動(dòng)態(tài)冰漿蓄冷技術(shù)的深入研究,冰漿除了應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)外，還可應(yīng)用于工業(yè)冷卻、超市制冷、牛奶制取、食品冷藏保鮮、生物醫(yī)學(xué)、消防滅火等[2-5].

冰漿的制取方式是冰漿技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵.過冷水動(dòng)態(tài)制冰是利用水在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生過冷而不結(jié)冰的現(xiàn)象，換熱達(dá)到最大過冷度后進(jìn)入過冷解除裝置消除其過冷狀態(tài)并形成冰晶粒子的冰漿制取方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、換熱與冰晶制作效率高等特點(diǎn).但是，過冷水法的主要缺陷在于結(jié)冰存在隨機(jī)性，過冷器內(nèi)冰堵過于頻繁導(dǎo)致制冰效率下降.冰堵的發(fā)生一方面會(huì)導(dǎo)致過冷卻器傳熱性能逐漸惡化，另一方面也降低了冰漿的輸運(yùn)性能.因此,過冷卻器的性能直接影響整個(gè)冰漿的制取過程.

本課題對(duì)兩種不同的過冷卻器進(jìn)行了研究，一種對(duì)過冷卻器進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，采用特殊工藝改善過冷卻器的內(nèi)壁面，使其呈超疏水性；另一種是普通的非超疏水過冷卻器.兩個(gè)過冷卻器的結(jié)構(gòu)相同(如圖1所示)，內(nèi)管直徑為16 mm×1 mm，外管直徑為28 mm×1.5 mm，材質(zhì)為紫銅，水在管內(nèi)流動(dòng)，二次冷媒(體積分?jǐn)?shù)為20%的乙二醇水溶液)在管外流動(dòng)，兩者呈逆流.

圖1 過冷卻器的結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of the sub-cooler

1 超疏水過冷卻器的特性

1.1 表面潤(rùn)濕性

某一固體表面的潤(rùn)濕程度通常采用表面液滴的接觸角θ來(lái)衡量.一般認(rèn)為,接觸角越小則其表面的潤(rùn)濕程度越好，接觸角越大則潤(rùn)濕程度越差,即疏水性越好，θ>150°的表面可視為超疏水表面.采用接觸角測(cè)量?jī)x(DCA,SL200B)對(duì)超疏水過冷卻器的樣本表面進(jìn)行了靜態(tài)接觸角測(cè)試，如圖2所示，接觸角高達(dá)163.01°，呈強(qiáng)疏水性.

圖2 超疏水過冷卻器表面的接觸角(θ=163.01°)Fig.2 The contact angle on the surface of the super-hydrophobic sub-cooler(θ=163.01°)

從熱力學(xué)的角度來(lái)看，對(duì)于給定體積的水滴而言，其Gibbs自由能滿足以下關(guān)系:

(1)

式中：V為水滴的體積，γlv為水滴的表面張力，θ為接觸角.

Gibbs自由能是接觸角的單增函數(shù)，接觸角越大，所需的Gibbs自由能越大.由此可見，具有較大接觸角的超疏水表面的Gibss自由能增加，使過冷水在過冷卻器表面不易結(jié)冰.

1.2 表面粗糙度

采用TAYLOR-ROBSON粗糙度分析儀分別對(duì)超疏水和非超疏水樣品表面的粗糙度進(jìn)行了測(cè)試分析，每個(gè)樣品選取兩個(gè)不同的測(cè)試部位，結(jié)果如表1所示.對(duì)比分析可知，超疏水表面的平均粗糙度Ra及其他相關(guān)參數(shù)明顯降低.

表1 超疏水和非超疏水樣品的表面粗糙度參數(shù)Tab.1 The surface roughness parameters of the non-super-hydrophobic and super-hydrophobic samples μm

1.3 超疏水表面的流動(dòng)和換熱特性

1.3.1 流動(dòng)特性

液體在超疏水表面流動(dòng)的一個(gè)突出特性就是存在速度滑移.Lauga等[6]指出疏水表面產(chǎn)生速度滑移，其表面的潤(rùn)濕性能是影響滑移的主導(dǎo)因素，并認(rèn)為接觸角越大滑移越容易產(chǎn)生.超疏水材料表面存在的速度滑移效應(yīng)使水的流動(dòng)狀況發(fā)生變化，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)液體的流量

Langa分析研究得出具有滑移速度的流量公式為

(2)

式中：R為管道半徑，Qslip和Qnon-slip分別為存在滑移速度的流量和無(wú)滑移速度的流量，δ為滑移長(zhǎng)度.

由Lagna公式可以看出，由于滑移速度的產(chǎn)生，在同樣的壓差下，在有滑移的管道內(nèi)，液體流量要大于無(wú)滑移速度的流量.在相同的條件下，水在超疏水過冷卻器內(nèi)流動(dòng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)的流量大于非超疏水過冷卻器.

(2)流速

對(duì)于充分發(fā)展的有滑移速度的管內(nèi)層流，圓管內(nèi)流體流動(dòng)的速度分布[7]為

(3)

在圓管中心處r=0時(shí)，最大流速可表示為

(4)

平均流速為

(5)

最大流速與平均流速之比可表示為

(6)

不考慮速度滑移時(shí)的速度分布表達(dá)式為

(7)

超疏水圓管內(nèi)不同位置流體的速度分布為拋物線,圓管內(nèi)各處的流體速度均增加；存在速度滑移后，最大流速與平均速度之比不再是2倍的關(guān)系，兩者之比小于2.

(3)切應(yīng)力

根據(jù)牛頓的內(nèi)摩擦定律,黏性切應(yīng)力與速度梯度成正比,即

(8)

超疏水圓管內(nèi)有滑移速度梯度的表達(dá)式為

(9)

超疏水管內(nèi)壁面切應(yīng)力與滑移速度呈直線關(guān)系且隨著滑移速度的增加切應(yīng)力線性減少.

(4)摩擦因子與壓降

由以上平均流速的表達(dá)式可得出流體的壓力降：

(10)

進(jìn)一步,將流體壓降表達(dá)式整理成范寧摩擦因子的表達(dá)形式[8]：

(11)

由此可見，超疏水表面的速度滑移改變了摩擦因子的大小，在流量一定的情況下，當(dāng)滑移速度增加時(shí)，摩擦因子變小，相應(yīng)的流體壓降變小.

1.3.2 換熱特性

(12)

式中：b為空氣層的厚度，λair為空氣的熱導(dǎo)率，hq為流體的對(duì)流換熱系數(shù).

水在靜止的情況下，在超疏水表面接觸換熱，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較低，使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變小.但是，水在超疏水表面流動(dòng)時(shí)，由于流體與固體表面之間存在速度滑移，使流動(dòng)變得復(fù)雜.由于速度滑移的存在，流體流動(dòng)時(shí)凹穴內(nèi)的空氣產(chǎn)生渦旋流動(dòng)，使傳熱過程在一定程度上得到了強(qiáng)化.所以，超疏水表面具有流阻低、傳熱性能較好的特點(diǎn).

2 制冰實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

整個(gè)過冷水制冰系統(tǒng)由3個(gè)獨(dú)立的循環(huán)系統(tǒng)組成，即過冷水循環(huán)系統(tǒng)、二次冷媒(乙二醇水溶液)循環(huán)系統(tǒng)和制冷循環(huán)系統(tǒng),如圖3所示.實(shí)驗(yàn)中，可通過管路上的閥門來(lái)調(diào)節(jié)二次冷媒的流量，以控制過冷卻器中水的冷卻過程，使之在過冷卻器出口達(dá)到最大過冷度.

圖3 過冷水制冰實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Schematic diagram of the experimental system

(1)制冷系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)的作用是提供一定的低溫環(huán)境，把二次冷媒(乙二醇水溶液)的溫度降到較低的溫度(-6 ℃).與常規(guī)的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)系統(tǒng)一樣，該制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、熱力膨脹閥及輔助裝置組成.

(2)二次冷媒系統(tǒng)

采用體積濃度為20%的乙二醇水溶液作為二次冷媒介質(zhì)，與水在過冷卻器內(nèi)進(jìn)行換熱.二次冷媒系統(tǒng)有兩個(gè)目的，一是提供穩(wěn)定的冷源以冷卻過冷水；二是獨(dú)立的二次冷媒系統(tǒng)的溫度與流量較易控制，可隨時(shí)對(duì)二次冷媒的溫度或流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以增加系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性.管路上裝有轉(zhuǎn)子流量計(jì)，用于測(cè)定觀察乙二醇水溶液的流速及流動(dòng)情況.

(3)過冷水系統(tǒng)

過冷水系統(tǒng)的主要部件為過冷卻器，是經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的套管式換熱器.過冷水在內(nèi)管流動(dòng)，與管外流動(dòng)的二次冷媒進(jìn)行換熱，由離心泵把水從蓄冰槽中循環(huán)輸送到過冷卻器.隨著換熱的不斷進(jìn)行，水的溫度不斷下降，直至低于冰點(diǎn)溫度并達(dá)到最大的過冷狀態(tài)，在過冷卻器出口通過過冷消除裝置(0.037 4 mm標(biāo)準(zhǔn)篩)消除水的過冷態(tài)制取冰晶粒子.

(4)數(shù)據(jù)測(cè)量采集系統(tǒng)

在實(shí)驗(yàn)裝置中布置了多個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,所要測(cè)量記錄的數(shù)據(jù)包括過冷卻器進(jìn)出口處水的溫度和流量、過冷卻器進(jìn)出口處二次冷媒的溫度和流量、二次冷媒乙二醇水溶液的溫度、蓄冰槽中過冷水的溫度變化及制冷循環(huán)系統(tǒng)的高壓側(cè)與低壓側(cè)壓力值的變化.水系統(tǒng)和二次冷媒系統(tǒng)的流量及流速變化情況可通過觀察安裝在制冰系統(tǒng)管道上的各個(gè)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)獲得，各測(cè)點(diǎn)的溫度采用Agilent 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量記錄.

2.2 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中，將速度控制在1.5～2.5 m/s，發(fā)現(xiàn)有一個(gè)最佳流速為1.95 m/s.

2.2.1 過冷度

分別采用超疏水冷卻器與非超疏水過冷卻器制冰，在不同流速下所得到的過冷水的最大過冷度如圖4所示.可以看出，采用超疏水過冷卻器制冰，在任何流速下所得到的過冷水的過冷度都較大.還可以看出，在流速為1.95 m/s時(shí)，超疏水過冷卻器和非超疏水過冷卻器對(duì)應(yīng)的過冷水的過冷度最大.但是,對(duì)于超疏水過冷卻器，最大過冷度約為-1.6 ℃；對(duì)于非超疏水過冷卻器，最大過冷度約為-0.8 ℃.

2.2.2 過冷時(shí)間

超疏水過冷卻器和非超疏水過冷卻器在水流速為1.95 m/s時(shí)的溫度變化曲線見圖5.可以看出，隨著換熱的不斷進(jìn)行，兩個(gè)過冷卻器內(nèi)過冷水的溫度都逐漸下降，在出口到達(dá)最大過冷度；采用超疏水過冷卻器時(shí)，不但水的過冷度較大，而且過冷持續(xù)的時(shí)間也較長(zhǎng).

圖4 不同速度時(shí)水的最大過冷度Fig.4 Maximum supercooling degree at different velocities

圖5 過冷卻器的溫度變化曲線 (v=1.95 m/s) Fig.5 Temperature profiles for sub-cooler (v=1.95 m/s)

圖5的溫度曲線都存在這樣一個(gè)現(xiàn)象，即在達(dá)到最大過冷度后又都逐漸上升到冰點(diǎn)以上，這是由于過冷水在過冷卻器內(nèi)結(jié)冰放出熱量，導(dǎo)致水溫逐漸升高，冰堵開始發(fā)生直到完全堵塞.比較發(fā)現(xiàn)，采用超疏水過冷卻器開始出現(xiàn)冰堵的時(shí)間被推遲.因此,采用超疏水過冷卻器雖然不能徹底防止冰堵的發(fā)生，但它推遲了冰堵發(fā)生的時(shí)間，增加了制冰時(shí)間和制冰量.

采用超疏水過冷卻器之所以能獲得具有較大過冷度的過冷水，一個(gè)原因是過冷卻器結(jié)冰是一種典型的相變現(xiàn)象，根據(jù)經(jīng)典的結(jié)晶相變?cè)?，相變時(shí)結(jié)晶粒子首先需要一定的驅(qū)動(dòng)力來(lái)克服結(jié)晶的臨界成核勢(shì)壘ΔGc，臨界成核勢(shì)壘與固體壁面的接觸角成正比，即接觸角越大、臨界成核勢(shì)壘越大.由于超疏水過冷卻器的表面接觸角高達(dá)163.01°，涂層表面的結(jié)晶成核勢(shì)壘大大增加，所以不易結(jié)冰.同時(shí)，由于超疏水表面上冰的黏附力較小，冰的聚集較慢，延遲了完全冰堵的時(shí)間.相同條件下，采用超疏水過冷卻器制冰，在過冷卻器出口可以獲得具有較大過冷度的過冷水.另外一個(gè)原因與超疏水表面的流動(dòng)換熱特性有關(guān),由前面分析可知超疏水表面由于存在水的滑移速度，流動(dòng)過程中發(fā)生了渦旋流動(dòng)，使傳熱過程得到了一定程度的強(qiáng)化,提高了過冷卻器的換熱效果.

3 超疏水過冷卻器的熱力性能分析

采用最小熵增原理對(duì)超疏水過冷卻器的性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，熵值是換熱器熱力性能完善程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一.從熱力學(xué)角度來(lái)講，熱功轉(zhuǎn)換的熱力循環(huán)過程熵產(chǎn)最小即認(rèn)為是熱力循環(huán)過程達(dá)到最優(yōu).Bejan等[10]將熵產(chǎn)數(shù)的概念應(yīng)用于分析換熱設(shè)備的熱力不可逆過程,認(rèn)為熵值越大、換熱設(shè)備的熱力不可逆性越高，其有效能的損失也越大；熵值低則熱力不可逆性越小，熱力完善程度好，有效損失越小.因此，過冷卻器傳熱過程的熵增也是衡量其綜合性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一.過冷卻器水側(cè)的熵增方程為

(13)

圖6 不同速度下的制冰量比較Fig.6 Comparison of the ice generation at different velocities

式中，W為水當(dāng)量比，Cp為水的比熱容，h和c分別為熱冷流體，1和2分別表示進(jìn)口和出口.公式右邊第1項(xiàng)和第2項(xiàng)是由于傳熱引起的不可逆損失,第3項(xiàng)和第4項(xiàng)是由黏性流動(dòng)引起的不可逆損失.對(duì)換熱器的不可逆性分析應(yīng)從傳熱與黏性流動(dòng)兩個(gè)方面進(jìn)行考慮.熵產(chǎn)總量分為由溫差引起的傳熱不可逆損失和由流阻引起的熵產(chǎn)兩部分.

超疏水過冷卻器出口水的溫度比非超疏水過冷卻器低，所以公式(13)的第2項(xiàng)變小.由1.3.1分析可知，超疏水過冷卻器表面的壓降較小，使過冷水在出口的壓降變化較少，這使公式(13)的第4項(xiàng)較大.因此，超疏水過冷卻器的熵增總量較少，故過冷卻器的傳熱過程得到了強(qiáng)化，過冷卻器的性能得到了提高.實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)，采用超疏水過冷卻器比采用非超疏水過冷卻器制冰量增加，增加量最高可達(dá)34%(在最佳流速1.95 m/s時(shí)),如圖6所示.

4 結(jié)論

(1)超疏水過冷卻器表面存在速度滑移，降低了流體與壁面之間的摩擦阻力，起到了流動(dòng)減阻的作用.又因在滑移速度作用下，超疏水表面上微結(jié)構(gòu)凹穴內(nèi)的空氣產(chǎn)生渦旋擾動(dòng)，強(qiáng)化了傳熱過程.因此，超疏水過冷卻器表面具有流動(dòng)阻力較小、傳熱性能較好的特點(diǎn).

(2)超疏水過冷卻器表面的大接觸角增加了水結(jié)晶相變所需的成核驅(qū)動(dòng)力，抑制了過冷水結(jié)冰，推遲了過冷卻器發(fā)生冰堵的時(shí)間，可在出口得到較大過冷度的過冷水.

(3)超疏水過冷卻器延遲了過冷卻器發(fā)生冰堵的時(shí)間，使過冷狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間增加，在相同條件下制取的冰漿量增加，對(duì)于整個(gè)制冰系統(tǒng)來(lái)說是節(jié)能的.

(4)基于熵增原理對(duì)過冷卻器的換熱性能分析可知，超疏水過冷卻器的換熱狀態(tài)得到了優(yōu)化、傳熱性能得到了提高，進(jìn)而提高了整個(gè)制冰系統(tǒng)的效率.與非超疏水過冷卻器相比，采用超疏水過冷卻器制冰增加量最高可達(dá)34%.

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Analysis on the characteristics and thermal-dynamic performance of super-hydrophobic cooler

WANG Hong,XUE Yongfei,FENG Rongzhen

(CollegeofCivilEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China)

The ice-making technology of sub-cooling water has become one of the most highly stressed ice-making methods because of its simple structure,high heat transfer efficiency and high ice crystal making efficiency and other characteristics. However,the ice blockage that occurred in the sub-cooler is a prominent problem that reduces the efficiency of the ice generation system. To solve the problem of ice blockage in the sub-cooler,on the basis of theoretical analysis,a series experiments were carried out by super-hydrophobic sub-cooler; furthermore,based on the principles of minimum entropy principle,the thermodynamic performance of the sub-cooler was evaluated comprehensively. In a conclusion,the efficiency of the whole ice-making system was improved with the increasing performance of the sub-cooler. Compared with the non-super-hydrophobic sub-cooler,the increase of ice generation with the super-hydrophobic sub-cooler can be as high as 34%,and then the purpose of energy saving is obtained as well.

ice slurry; sub-cooler; ice blockage; supercooling degree; super-hydrophobic; thermodynamic performance

2016-03-08

王虹(1978-)，女，山東濱州人，講師，博士,研究方向?yàn)榕照{(diào)及制冷技術(shù).

TB657.1

A

1674-330X(2016)04-0031-06