佘麗麗 羅清海 米冰潔

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磚冰機制冰桶排列方式對制冰池流場影響分析

佘麗麗 羅清海 米冰潔

（南華大學城市建設學院 衡陽 421001）

采用CFD方法對大型磚冰機制冰桶排列方式對制冰池流場的影響進行了模擬分析，現(xiàn)有制冰桶為順排，制冰池內(nèi)制冰桶橫向間隔內(nèi)的鹽水速度幾乎為零，制冰桶縱向間隔內(nèi)鹽水呈層流分布，流速約為0.3～0.4m/s。制冰桶橫向間隔內(nèi)鹽水溫度高于縱向間隔；整個制冰池鹽水速度分布和溫度分布很不均勻，鹽水阻力相對較小。采用叉排制冰桶可顯著改善制冰池內(nèi)鹽水流場，速度分布和溫度分布相對更均勻，且鹽水溫升相對較大，鹽水與冰水換熱效果更好，但鹽水阻力也有所增大。通過對制冰池內(nèi)鹽水流體的速度場、溫度場和壓力場的對比分析，為磚冰機制冰池制冰桶排列方式的優(yōu)化提供建議與參考。

磚冰機；制冰桶；排列方式；數(shù)值模擬；優(yōu)化

0 引言

大型制冰機在農(nóng)業(yè)、漁業(yè)產(chǎn)品冷藏、物流和保鮮中的應用規(guī)模越來越大。磚冰機生產(chǎn)的冰塊密度堅硬，不易融化，易于儲藏和運輸，目前仍然是漁業(yè)用冰的主要制冰手段，但存在制冷效率低，能耗較大的缺點[1]。

國內(nèi)外學者對于磚冰機的設計和運行優(yōu)化方面做了一些研究，張健滔[2]等介紹了三維建模與工程制圖技術(shù)在制冰機產(chǎn)品設計中的應用，關(guān)朋[3]等對制冰池蒸發(fā)器進行改造進行了探討，莊友明[4]等提出了鹽水制冰工藝的節(jié)能措施建議，呂岑義[5]、邱立榮[6]等提出了對制冰池的結(jié)構(gòu)形式的改進建議，張浦悅[7]、謝烈[8]等對系統(tǒng)設計優(yōu)化進行了探討。蔣德倫[9]等應用CFD方法研究了不同水溫對小型制冰機成品冰厚度的影響，建議降低初始水溫較低，以縮短制冰時間。

CFD模擬在熱力系統(tǒng)設計、運行優(yōu)化方面的應用日益深入，但國內(nèi)用CFD方法進行磚冰機制冰池流場模擬研究目前鮮見報道，本文應用CFD模擬方法對比分析了制冰池內(nèi)制冰桶叉排、順排等不同排列方式情形下鹽水流場情況，并根據(jù)模擬結(jié)果提出改進制冰桶排列方式的方案，為磚冰機的優(yōu)化設計提供參考。

1 磚冰機的基本參數(shù)

該型號大型磚冰機以某公司的日產(chǎn)10噸冰，型號為BBI10-30的磚冰機為樣本。制冰桶內(nèi)水初始溫度為23℃，冰終溫為-8℃，鹽水在速度入口處的初始溫度為-10℃，蒸發(fā)溫度為-15℃，磚冰機日產(chǎn)量為10t/d，冰塊重量為30kg。冰桶規(guī)格：上口：300mm×120mm，下口：280mm×120mm，高1100mm。壁厚：1.5mm。冰桶數(shù)量為168個，排列方式為8行21列，制冰池壁面尺寸為8280mm×1420mm×1250mm，攪拌器的型號為LJ340，轉(zhuǎn)速為960r/min，葉輪直徑為340mm，功率為4kW。在建模過程中為簡化模型，假設制冰桶的上底和下底尺寸相同，制冰桶的尺寸簡化為長為0.3m，寬為0.12m，高為1.1m。

現(xiàn)有制冰桶的排列方式為順排，當改變制冰桶的排列方位為叉排時，對比分析其流場分布情況。圖1（a）為制冰桶順排平面示意圖，圖1（b）為制冰桶叉排平面示意圖。

圖1 制冰桶順排和叉排平面示意圖

2 制冰池數(shù)值模擬參數(shù)設置

本文制冰池流場模擬的網(wǎng)格類型為Tet/Hybrid TGrid，網(wǎng)格間距為40mm，順排時網(wǎng)格數(shù)為674368，叉排時網(wǎng)格數(shù)為704787。對于處于湍流下的不可壓縮流體，采用基于壓力基隱式求解器，選擇能量方程和標準雙方程湍流模型。鹽水的初始溫度為-10℃，在該溫度下密度為1175kg/m3，比熱容為3315J/(kg·K)，動力粘性系數(shù)為0.004704kg/(m·s)，導熱系數(shù)為0.505W/（m·K）。

邊界條件設置如下：

（1）速度入口：通過攪拌器的循環(huán)水量來求得入口平均流速，公式如下：

=（1）

式中：為鹽水攪拌器的循環(huán)水量，600m3/h；為鹽水速度入口處流通面積，m2。本文中，鹽水速度入口處尺寸為0.5×1.1m，得到鹽水入口處流速為0.3m/s。

（2）鹽水在速度入口處的初始溫度為263.15K。

（3）冰桶壁面：設置冰桶壁面的溫度為265.15K。

經(jīng)計算后得到速度入口處鹽水的湍流強度為5%，水利直徑為0.6875m。冰桶壁面材質(zhì)為不銹鋼，不銹鋼的密度為7930kg/m3，比熱容為502J/kg·K，傳熱系數(shù)為12.1W/m·K，冰桶厚度為1.5mm。本模擬的收斂殘差為10-6。

3 制冰桶順排和叉排時制冰池流場分析與對比

下面分別計算了制冰桶在順排和叉排情況下的鹽水流場分布情況，并截取典型截面=0.55m速度矢量圖，速度云圖，溫度云圖進行對比分析。圖2（a）為制冰桶順排速度矢量圖，圖2（b）制冰桶叉排速度矢量圖，圖3為制冰桶順排=0.55m速度云圖，圖4為制冰桶叉排=0.55m速度云圖，圖5為制冰桶順排=0.55m溫度云圖，圖6為制冰桶叉排=0.55m溫度云圖。

圖2 制冰桶順排和叉排Z=0.55m平面處X=3.6～4.2m速度矢量圖

由圖2可知，制冰桶順排時鹽水在制冰桶縱向間隔呈層流分布，在制冰桶橫向間隔，流速相對很??；制冰桶叉排排列時鹽水在制冰桶縱向間隔呈繞流分布，且在橫向間隔和縱向間隔，鹽水速度分布更均勻。制冰桶叉排與順排相比較，叉排時制冰桶縱向間隔的鹽水呈現(xiàn)繞流狀態(tài)，有利于強化制冰桶與鹽水之間的換熱。

圖3 制冰桶順排Z=0.55m速度云圖

圖4 制冰桶叉排Z=0.55m速度云圖

由圖3和圖4可知，制冰桶順排時，在=0.55m平面處，制冰桶橫向間隔鹽水流速幾乎為零，制冰桶縱向間隔鹽水呈層流分布且鹽水流速相對較大，在0.3～0.4m/s左右；鹽水池中=0.55m平面處=0～0.2m，=0～0.4m處流速很小在0.05m/s左右，鹽水在自由出口處=8～8.28m處匯聚，流速相對較大在0.5m/s左右。制冰桶叉排時，在=0.55m平面處，制冰桶橫向間隔和縱向間隔鹽水流速分布相對較均勻，流速在0.3m/s左右。制冰桶叉排與順排相比較，制冰桶叉排時制冰桶內(nèi)水結(jié)冰速度更趨均勻。

圖5 制冰桶順排Z=0.55m溫度云圖

圖6 制冰桶叉排Z=0.55m溫度云圖

由圖5和圖6可知，制冰桶順排時，在=0.55m平面處，同一制冰桶橫向間隔比縱向間隔溫度稍高，鹽水從入口端流到出口端溫度從-9.98℃升高到-9.66℃。制冰桶叉排時，在=0.55m平面處，同一制冰桶橫向間隔和縱向間隔鹽水溫度相差不大，鹽水從入口端流到出口端溫度從-9.95℃升高到-9.55℃，鹽水溫升相對較大，鹽水溫度分布較均勻。制冰桶叉排與順排相比較，制冰桶叉排時鹽水溫度分布更趨均勻，鹽水溫升較大。

4 制冰桶排列方式設計優(yōu)化

現(xiàn)取制冰桶在順排和叉排排列方式的情況下，在=3.968m平面和=0.55m平面的交界線上取20個點（分別取0.07m，0.14m，0.21m，0.28m，0.35m，0.42m，0.49m，0.56m，0.63m，0.7m，0.77m，0.84m，0.91m，0.98m，1.05m，1.12m，1.19m，1.26m，1.33m，1.4m）的速度、溫度值，并制成曲線圖。

圖7 X=3.968m和Z=0.55m平面的交界線上Y取20點速度曲線圖

圖8 X=3.968m和Z=0.55m平面的交界線上Y取20點溫度曲線圖

由圖7可知，制冰池寬度方向上，=3.968m和=0.55m平面的交界線上，制冰桶順排時，在制冰桶橫向間隔內(nèi)鹽水流速在0～0.1m/s之間，在制冰桶縱向間隔內(nèi)鹽水流速在0.3～0.4m/s之間，鹽水流速分布波動性相對較大。制冰桶叉排時，鹽水流速在0.15～0.25m/s之間，整體上鹽水流速分布相對較均勻。制冰桶叉排與順排相比較，制冰桶叉排時制冰桶內(nèi)水結(jié)冰速度更趨均勻，可以縮短系統(tǒng)制冰時間周期，降低系統(tǒng)運行能耗，提高系統(tǒng)經(jīng)濟效益。

由圖8可知，制冰池寬度方向上，=3.968m和=0.55m平面的交界線上，制冰桶順排時，在制冰桶橫向間隔內(nèi)鹽水溫度在-9.85～-9.75℃之間，在制冰桶縱向間隔內(nèi)鹽水溫度在-9.93℃左右，鹽水溫度分布波動性相對較大。制冰桶叉排時，鹽水溫度呈倒U型分布，在=0m和=1.4m處，鹽水溫度為-9.9℃左右，在=0.8m處，鹽水溫度最高為-9.72℃，整體上鹽水溫度相對較高且分布相對較均勻，鹽水溫升相對較大，由于鹽水的總流量不變，由=cmΔ可知，鹽水與冰水交換的熱量相對增多，鹽水與冰水熱交換效果更好，可以縮短系統(tǒng)制冰時間周期，降低系統(tǒng)運行能耗，提高系統(tǒng)經(jīng)濟效益。

在Fluent中計算入口處和出口處鹽水壓降，得到制冰桶順排時鹽水壓降為300.6Pa，制冰桶叉排時鹽水壓降為1081.8Pa，叉排時，鹽水阻力增大。

5 結(jié)論

利用CFD方法對某大型磚冰機制冰池內(nèi)制冰桶順排和叉排排列兩種情況下鹽水流場特性進行了對比模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

（1）由于制冰桶排列密度較大，無論順排、叉排，制冰桶間隔處鹽水都層流狀態(tài)，制冰桶順排時，橫向間隔處的鹽水流速基本為零，但叉排時，冰桶縱向間隔的鹽水呈現(xiàn)繞流狀態(tài)，有利于強化冰桶與鹽水之間的換熱。

（2）叉排與順排相比較，制冰池內(nèi)鹽水整體流場的溫度、速度分布更加均勻。制冰桶順排時，在制冰桶橫向間隔內(nèi)鹽水流速在0～0.1m/s之間，在制冰桶縱向間隔內(nèi)鹽水流速在0.3～0.4m/s之間；制冰桶叉排時，鹽水在制冰桶橫向間隔和縱向間隔內(nèi)流速在0.15～0.25m/s之間。制冰桶順排時，在制冰桶橫向間隔內(nèi)鹽水溫度在-9.85～-9.75℃之間，在制冰桶縱向間隔內(nèi)鹽水溫度在-9.93℃左右；制冰桶叉排時，鹽水溫度呈倒U型分布，在=0m和=1.4m處，鹽水溫度為-9.9℃左右，在=0.8m處，鹽水溫度最高為-9.72℃，整體上鹽水溫度相對較高且分布相對較均勻，但流動阻力更大。

（3）叉排與順排排比較，制冰池系統(tǒng)換熱效率更高，冰桶結(jié)冰速度更趨均勻，可以縮短系統(tǒng)制冰時間周期，降低系統(tǒng)運行能耗，提高系統(tǒng)經(jīng)濟效益。

[1] 楊美傳,劉應清.冷鏈工程與制冷保鮮技術(shù)的現(xiàn)狀及展望[J].制冷與空調(diào),2002,(4):8-11.

[2] 張健滔.三維建模與工程制圖技術(shù)在產(chǎn)品設計中的應用—出口制冰機設計研制的實例介紹[J].現(xiàn)代機械, 2005(1):32-33.

[3] 關(guān)朋.對制冰池蒸發(fā)器的改造以及分析[J].制冷,2005, 24(1):71-73.

[4] 莊友明.鹽水制冰工藝的節(jié)能措施[J].上海水產(chǎn)大學學報,2002,11(3):295-298.

[5] 岑呂義.制冰池改造[J].制冷,2000,19(2):82-84.

[6] 邱立榮.制冰池改造一例[J].冷藏技術(shù),1997,(2):37.

[7] 張浦悅.提高制冰廠制冰效率的幾種措施[J].制冷學報, 1992,(4):45-48.

[8] 謝烈.液壓推進制冰機的節(jié)能與應用[J].制冷,1992, (2):69-72.

[9] 蔣德倫,王曉光,夏玲.小型制冰機結(jié)冰過程的仿真研究[J].制冷與空調(diào),2014,28(1):12-15.

Impact of Ice Can Arrangement on Flow Field of Ice Tank of Block Ice Machine

She Lili Luo Qinghai Mi Bingjie

( School of Urban Construction, University of South China, Hengyang, 421001 )

The arrangement modes of ice cans is simulated with CFD software in this paper. In case of existing ice tank with ice cans in-line arrangement, in lateral separation of ice cans, the velocity of salt water is almost zero, in longitudinal separation of ice cans, salt water presents a laminar flow. Temperature of salt water in lateral separation of ice cans is higher than in longitudinal separation of ice cans. Velocity distribution and temperature distribution of salt water in whole ice tank is non-uniform, flow resistance of salt water is relatively smaller. In case of ice tank with ice cans staggered arrangement, velocity distribution and temperature distribution of salt water is more uniform, temperature of salt water is relatively higher, heat transfer between salt water and water in ice cans is strengthened, but flow resistance of salt water is larger. The velocity field, temperature field and pressure field of salt water in ice tank is analysed and compared to get arrangement optimization design of ice cans.

ice block machine; ice cans; arrangement form; numerical simulation; optimization

1671-6612（2017）03-332-04

TB657.1

A

佘麗麗（1991.04-），女，在讀研究生，E-mail：1044129333@qq.com

羅清海（1969.06-），男，教授，E-mail：673808769@qq.com

2016-03-31