涂存禎，陸鐘超，張建友，張高鵬，胡亞男，丁玉庭，呂飛

工藝與裝備

MRF模型分析流態(tài)冰蒸發(fā)器刮板類型的換熱性能

涂存禎，陸鐘超，張建友，張高鵬，胡亞男，丁玉庭，呂飛

（浙江工業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，杭州 310014）

為提高刮削式流態(tài)冰機(jī)制冰效能，研究刮板結(jié)構(gòu)對刮削式流態(tài)冰蒸發(fā)器換熱性能的影響。利用Fluent內(nèi)MRF模型對SolidWorks軟件建立的不同刮板類型（近橢圓形孔刮板、近菱形孔刮板、無孔刮板）的流態(tài)冰蒸發(fā)器模型進(jìn)行換熱性能的模擬分析。通過對不同轉(zhuǎn)速下各類型刮板換熱性能及蒸發(fā)器近壁面、刮板表面、旋轉(zhuǎn)流體域橫截面的溫度分布云圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：相同轉(zhuǎn)速下，無孔刮板的換熱性能高于近菱形孔刮板和近橢圓形孔刮板，但無孔刮板的近壁面溫度分布不均勻，呈現(xiàn)兩級分化趨勢，極易造成冰堵。有孔刮板蒸發(fā)器近壁面溫度分布較均勻，且受轉(zhuǎn)速影響較大，隨著轉(zhuǎn)速的增加其換熱性能增強(qiáng)，轉(zhuǎn)速大于200 r/min之后換熱性能提升不顯著。同時(shí)，雙組刮板有利于提升蒸發(fā)器的換熱性能。近菱形孔刮板在200 r/min轉(zhuǎn)速下，換熱效果好且蒸發(fā)器內(nèi)溫度分布較均勻，有利于流態(tài)冰高效、穩(wěn)定地制取。

流態(tài)冰蒸發(fā)器；刮板類型；換熱；Fluent；多重參考系模型

流態(tài)冰是一種海水和冰晶混合的兩相溶液，冰晶細(xì)膩，大小在幾十至幾百微米之間，具有高蓄冷、傳熱面積大、易流動(dòng)等特點(diǎn)[1-3]，因此，流態(tài)冰被廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)品保鮮、空調(diào)蓄冷等領(lǐng)域[4]，在水產(chǎn)品保鮮中，流態(tài)冰正逐步取代傳統(tǒng)冰成為了一種新型的載冷和儲(chǔ)冷介質(zhì)。水產(chǎn)品捕撈作業(yè)時(shí)，使用流態(tài)冰對漁獲物進(jìn)行預(yù)冷處理，較強(qiáng)的熱傳遞能力能加快漁獲物凍結(jié)貯藏前預(yù)冷速率，迅速降低魚體溫度至終點(diǎn)溫度（0～15 ℃），避免漁獲物組織損傷，延長漁獲物從中性期到腐敗期的時(shí)長[5-6]。在冰藏保鮮中，相較于淡水冰，流態(tài)冰擁有更低的冰點(diǎn)，可吸收更多的熱量，降低在保鮮過程中蛋白質(zhì)及脂質(zhì)氧化的速率，保持肉質(zhì)的彈性和咀嚼性，尤其對于海產(chǎn)品的冰藏保鮮，與魚體相似的鹽度環(huán)境能有效抑制酵解作用，最大程度上保留鰓的顏色及眼球透明度[7-9]。

流態(tài)冰的應(yīng)用促進(jìn)了流態(tài)冰制取技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)制冰原理的不同，流態(tài)冰的制取方法可分為2類：一類為均質(zhì)結(jié)晶，如刮削式制冰法；另一類為非均質(zhì)結(jié)晶，包括真空制冰、直接接觸制冰和過冷水法制冰[10-11]。刮削式制冰法是在特殊結(jié)構(gòu)的雙層套管式蒸發(fā)器中，通過制冷劑與制冰溶液的熱量交換，使制冰溶液在內(nèi)管壁面結(jié)冰后由刮板旋轉(zhuǎn)刮削制冰，蒸發(fā)器內(nèi)連接電機(jī)轉(zhuǎn)軸的刮板是整個(gè)刮削裝置的核心部件[12]。刮削法制取流態(tài)冰一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，主要研究方向集中在系統(tǒng)效能、刮板設(shè)計(jì)、防止冰堵等改進(jìn)方法及運(yùn)行參數(shù)的控制上，研究方法主要以實(shí)驗(yàn)測量和仿真分析為主。制冰過程中，制冰溶液種類、濃度和進(jìn)口溫度等因素均會(huì)影響流態(tài)冰粒徑大小及含冰率[13]。刮削速度的提高會(huì)在一定程度上提升換熱效率，加劇碰撞引起的晶粒聚并和破碎，使得晶粒的尺寸分布更為集中和均勻[14]，但由于黏性摩擦力的作用，過高的轉(zhuǎn)速也會(huì)使溶液溫度升高，增大制冰過程中所需的能耗[15]。刮板在運(yùn)行過程中對蒸發(fā)器內(nèi)流體的擾流狀況是影響換熱的重要因素，借助Fluent仿真軟件進(jìn)行模擬分析，可為刮板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論依據(jù)，如Pascual等[16]采用格子玻爾茲曼方法（LBM）研究了不同刮板對蒸發(fā)器內(nèi)流體流動(dòng)的影響，通過對比邊界層換熱效率為刮板優(yōu)化方向提出了新的設(shè)想；Bayareh等[17]利用不同湍流模型模擬了刮削式蒸發(fā)器內(nèi)傾斜和垂直2種刮板的繞流狀況，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對照，設(shè)計(jì)出了一種具有更高換熱效率的刮板結(jié)構(gòu)。目前，對流態(tài)冰制冰過程仿真分析主要通過Fluent軟件進(jìn)行，其他仿真軟件的研究報(bào)道較少，王澤普等[18]曾采用Simulink仿真平臺(tái)模擬了不同參數(shù)條件下流態(tài)冰制冰系統(tǒng)的響應(yīng)狀況，為制冰系統(tǒng)及其各個(gè)部件的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

Fluent仿真軟件因其強(qiáng)大功能，已廣泛應(yīng)用于刮削式流態(tài)冰制冰過程的仿真分析中，其中對蒸發(fā)器內(nèi)刮板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要集中在刮板與近壁面接觸的刮刀形狀的設(shè)計(jì)上，對刮板設(shè)計(jì)過程中刮板上孔洞有無、孔洞的類型，以及不同轉(zhuǎn)速條件下各類型刮板的換熱效果鮮見報(bào)道，因此，文中通過SolidWorks對不同刮板類型的蒸發(fā)器進(jìn)行三維建模，利用Fluent仿真軟件中多重參考系（MRF）模型對其換熱效果進(jìn)行模擬，分析并探究具有最優(yōu)換熱性能的刮板類型，為刮削式流態(tài)冰制取裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺椒?/h2>

1.1 物理模型

刮削式流態(tài)冰蒸發(fā)器由2部分構(gòu)成：內(nèi)部制冰溶液通道和外部制冷劑通道。為減少計(jì)算量，在使用SolidWorks對蒸發(fā)器建模時(shí)進(jìn)行了簡化，如圖1所示，去除外部制冷劑通道，只保留內(nèi)部制冰溶液通道。給定近壁面換熱系數(shù)與壁面溫度來替代制冷劑與制冰溶液進(jìn)行熱交換。模型參數(shù)為：制冰溶液進(jìn)口和出口直徑分別為21 mm和26 mm，轉(zhuǎn)軸直徑為30 mm，內(nèi)部制冰溶液通道長和寬分別為400 mm和100 mm，單個(gè)刮板寬為30 mm。圖2為文中實(shí)驗(yàn)過程中所采用的不同刮板類型，圖2a、b、c和d分別為近橢圓形孔刮板、近菱形孔刮板、無孔刮板、雙組近菱形孔刮板，其中近橢圓形孔和近菱形孔尺寸見圖2e、f。

圖1 流態(tài)冰蒸發(fā)器三維模型

圖2 刮板類型及相應(yīng)孔洞尺寸

1.2 數(shù)學(xué)模型

多重參考系（MRF）模型是一種定常計(jì)算模型，模型中假定網(wǎng)格單元做勻速運(yùn)動(dòng)，大多數(shù)時(shí)候的均流動(dòng)都可以用MRF模型進(jìn)行計(jì)算，如攪拌器內(nèi)流場計(jì)算、泵和風(fēng)機(jī)的流場計(jì)算等。文中采用MRF模型模擬刮板定速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)換熱情況，湍流模型選擇RNG k–epsilon模型，該模型是在重整化群理論的統(tǒng)計(jì)方法上推導(dǎo)出來，形式上類似于Standard k–epsilon模型，但相較于Standard k-epsilon模型，修正了湍流動(dòng)力黏性系數(shù)，考慮了平均流動(dòng)中旋轉(zhuǎn)的影響，使模型對瞬變流和流線彎曲能做出更好的預(yù)測，并改善了ε方程的精度，更好地反映了主流的時(shí)均變化率，提高高速流動(dòng)的準(zhǔn)確性[19]。壓力速度耦合采用標(biāo)準(zhǔn)SIMPLE方法，假定速度場和壓力場各自獨(dú)立進(jìn)行，速度修正時(shí)，忽略不同位置速度修正量的影響。壓力插值選擇PRESTO!方式，使用離散連續(xù)平衡方程來計(jì)算交錯(cuò)控制單元的交錯(cuò)壓力，與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中的交錯(cuò)網(wǎng)格思想一致，適用于各類型網(wǎng)格的計(jì)算。RNG k–epsilon模型動(dòng)量方程見式（1）和（2）。

式中：為湍動(dòng)能，J；為耗散率，%；x和x為、坐標(biāo)；G為引起的湍流動(dòng)能的產(chǎn)生量；a、a為和的反向有效普朗特?cái)?shù)；eff為湍流黏性，N·s/m2。

1.3 網(wǎng)格劃分

通過SolidWorks建模后導(dǎo)入ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于MRF模型包含旋轉(zhuǎn)域和靜止域兩部分，為提高精度，壁面及靜止域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分方式，旋轉(zhuǎn)域及刮板采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分方式。網(wǎng)格劃分后的模型圖見圖3，該網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)后，最終網(wǎng)格總數(shù)約為900萬。

圖3 網(wǎng)格劃分

1.4 邊界條件參數(shù)設(shè)置

考慮重力影響，重力加速度取9.81 m/s2。壁面換熱系數(shù)設(shè)置為7 900 W/（m2·K），壁面溫度設(shè)置為?15 ℃。制冰溶液模擬了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的海水，其物性參數(shù)密度為1 028 kg/m3，比熱為3 990 J/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)為0.559 W/（m·K），黏度為1.904 mPa·s。制冰溶液進(jìn)口采用速度進(jìn)口，根據(jù)式（3）雷諾數(shù)（）的計(jì)算公式，在保證內(nèi)部流體湍流狀態(tài)（＞4 000）下取=3.5 m/s，進(jìn)口溫度設(shè)置為5 ℃，出口采用壓力出口，靜止域與旋轉(zhuǎn)域交界面設(shè)置為interface面。

式中：、、分別為流體的流速、密度與黏性系數(shù)；為特征長度。

1.5 實(shí)驗(yàn)方法

對4種轉(zhuǎn)速（100、150、200、250 r/min）條件下的近橢圓形孔、近菱形孔和無孔刮板的流態(tài)冰蒸發(fā)器進(jìn)行數(shù)值模擬，綜合各刮板的換熱性能及在旋轉(zhuǎn)流體域橫截面、近壁面和刮板表面的溫度分布狀況對最優(yōu)刮板類型進(jìn)行探索。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 轉(zhuǎn)速對不同刮板類型的流態(tài)冰蒸發(fā)器換熱性能的影響

不同刮板類型的流態(tài)冰蒸發(fā)器在不同轉(zhuǎn)速條件下的換熱性能見圖4。任一轉(zhuǎn)速下，蒸發(fā)器內(nèi)制冰溶液溫度隨距進(jìn)口距離的增大而呈現(xiàn)出先下降后上升，之后趨于平穩(wěn)的態(tài)勢，并在臨近出口位置時(shí)出現(xiàn)一定的上升。制冰溶液剛進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)，入口管壁及蓋板的冷卻作用，導(dǎo)致制冰溶液溫度的急劇下降。之后在刮板的擾流作用下溫度趨向均勻，但隨著制冰溶液向出口方向流動(dòng)，入口管壁及蓋板的冷卻作用減弱，僅依靠外壁面的冷卻作用，導(dǎo)致制冰溶液溫度稍有上升。在臨近出口時(shí)，出口直徑急劇減小，流速急劇增大，此時(shí)由于黏性摩擦作用會(huì)產(chǎn)生一定的熱效應(yīng)，促使出口段的溫度出現(xiàn)上升。

轉(zhuǎn)速的增大有助于換熱性能的提高，對比圖4a近橢圓形孔刮板、圖4b近菱形孔刮板和圖4c無孔刮板可知，同一轉(zhuǎn)速下，無孔刮板所表現(xiàn)出的換熱性能最好，其次為近菱形孔刮板和近橢圓形孔刮板，在250 r/min的轉(zhuǎn)速下，無孔、近菱形孔和近橢圓形孔刮板熱交換溫度分別為1.86、1.39和0.78 ℃，孔洞的存在導(dǎo)致了單位時(shí)間內(nèi)換熱量的降低，這可能是由于蒸發(fā)器內(nèi)制冰溶液體積量的增大造成的。相較于無孔刮板，近橢圓形孔和近菱形孔刮板受轉(zhuǎn)速的影響較大，轉(zhuǎn)速從100 r/min增大到250 r/min的過程中，近橢圓形孔刮板熱交換溫度提升了0.22 ℃，近菱形刮板提升了0.21 ℃，而無孔刮板僅提升了0.1 ℃，這說明轉(zhuǎn)速對有孔刮板換熱的影響要大于無孔刮板，同時(shí)轉(zhuǎn)速在200 r/min后繼續(xù)增大對換熱性能的提升作用不大。

2.2 不同類型刮板在蒸發(fā)器近壁面及旋轉(zhuǎn)流體域橫截面溫度分布對比

圖5為在200 r/min轉(zhuǎn)速下，3種刮板類型的蒸發(fā)器近壁面溫度分布云圖，從圖5中可以看出，3種類型刮板在靠近蒸發(fā)器進(jìn)出口近壁面位置都具有較高的溫度分布，這種現(xiàn)象主要是由于進(jìn)口過高的流速對壁面的沖刷，以及出口處黏性摩擦的熱效應(yīng)所引起的。除靠近進(jìn)出口位置外，圖5a近橢圓形孔刮板和圖5b近菱形孔刮板在蒸發(fā)器近壁面的溫度分布整體較均勻，而圖5c無孔刮板在蒸發(fā)器近壁面兩側(cè)所表現(xiàn)出了溫度分布不均、兩極分化的趨勢，這說明雖然無孔刮板的蒸發(fā)器具有較高的換熱性能，但在機(jī)器運(yùn)行當(dāng)中并不能夠較好地使制冰溶液溫度混合均勻。

為了更好地觀察刮板對蒸發(fā)器內(nèi)流體換熱的影響，截取了旋轉(zhuǎn)流體域的橫截面溫度分布云圖進(jìn)行分析。圖6為各刮板類型距制冰溶液進(jìn)口位置50、150、250、350、370和390 mm處橫截面的溫度分布云圖，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，隨著距制冰溶液進(jìn)口距離的增加，進(jìn)口位置溫度較高的流體在刮板轉(zhuǎn)動(dòng)下開始逐漸向內(nèi)擴(kuò)散，整體溫度呈現(xiàn)不規(guī)則的分布，而Yataghene等[20]在實(shí)驗(yàn)中給出的蒸發(fā)器內(nèi)流體截面的云圖具有較好的對稱性，造成這種不同的原因可能是由于蒸發(fā)器進(jìn)口流速過大且蒸發(fā)器尺寸較小導(dǎo)致。相較于無孔刮板兩極分化的溫度分布，有孔刮板隨著制冰溶液進(jìn)口距離的增加，溫度分布開始趨向均勻，尤其在距離為350 mm之后出現(xiàn)近似對稱的現(xiàn)象，這說明孔洞的存在有助于蒸發(fā)器內(nèi)溶液溫度的均勻分布。對比圖6中200 r/min和250 r/min轉(zhuǎn)速下的無孔刮板旋轉(zhuǎn)流體域橫截面溫度分布云圖發(fā)現(xiàn)，溫度分布的總體趨勢并沒有因轉(zhuǎn)速的增大而改變，轉(zhuǎn)速增大雖然在一定程度上能夠提升換熱性能，但對溫度的均勻分布并沒有積極的影響。

圖4 不同刮板類型的流態(tài)冰蒸發(fā)器在不同轉(zhuǎn)速條件下?lián)Q熱性能

2.3 進(jìn)出口位置對無孔刮板蒸發(fā)器換熱性能的影響

在范云良等[21]對刮削式制冰蒸發(fā)器的研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，由于刮片的旋轉(zhuǎn)作用，低溫的溶液會(huì)轉(zhuǎn)移至蒸發(fā)器中心區(qū)域，溫度分布不均會(huì)導(dǎo)致較低溫度區(qū)域更容易出現(xiàn)冰晶并直接附著在刮板上，導(dǎo)致蒸發(fā)器發(fā)生冰堵的現(xiàn)象。這說明在制冰過程中無孔刮板造成的蒸發(fā)器內(nèi)溶液溫度分布不均的現(xiàn)象給蒸發(fā)器帶來了冰堵的風(fēng)險(xiǎn)，限制了其在刮削式流態(tài)冰蒸發(fā)器中的應(yīng)用。通過對蒸發(fā)器模型的分析，推測進(jìn)出口位置的調(diào)整或許能在一定程度上改變這種溫度分布不均的現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)中對比了無孔刮板進(jìn)出口同側(cè)和異側(cè)的溫度分布狀況，圖7為調(diào)整前（圖7a）和調(diào)整后（圖7b）近壁面兩側(cè)溫度分布的對比，可以看出進(jìn)出口位置的對調(diào)雖然改善這種溫度兩極分化的現(xiàn)象，但對調(diào)后的進(jìn)口流速加劇了對近壁面溫度的影響，導(dǎo)致兩側(cè)壁面仍存在較大溫差。從圖8不同進(jìn)出口位置對蒸發(fā)器換熱性能的影響來看，出口位置的改變對換熱效率的提升效果并不明顯，相較于同側(cè)進(jìn)出口，異側(cè)進(jìn)出口的溫度僅下降了0.05 ℃。這說明進(jìn)出口位置的調(diào)整并沒有改變無孔刮板蒸發(fā)器冰堵的風(fēng)險(xiǎn)，并且對熱交換溫度也沒有較大的提升，刮板上孔洞的存在對蒸發(fā)器內(nèi)溫度的均勻分布起關(guān)鍵性作用。

圖5 200 r/min轉(zhuǎn)速下近壁面溫度分布云圖

圖6 不同刮板類型的流態(tài)冰蒸發(fā)器在旋轉(zhuǎn)流體域不同位置橫截面的溫度分布云圖

圖7 200 r/min轉(zhuǎn)速下無孔刮板不同進(jìn)出口位置近壁面溫度分布云圖

圖8 200 r/min轉(zhuǎn)速下不同進(jìn)出口位置對蒸發(fā)器換熱性能的影響

2.4 近菱形孔雙組刮板對蒸發(fā)器換熱性能的影響

在不能解決無孔刮板蒸發(fā)器運(yùn)行當(dāng)中易發(fā)生冰堵問題的情況下，選用有孔刮板中換熱性能較好的近菱形孔刮板作為研究對象，探討了刮板數(shù)量對蒸發(fā)器換熱性能的影響。在200 r/min轉(zhuǎn)速下，近菱形孔單組和雙組刮板蒸發(fā)器換熱性能見圖9，可以看出制冰溶液在蒸發(fā)器內(nèi)的降溫趨勢大致相同，相較于近菱形孔單組刮板，雙組刮板的熱交換溫度提升了0.2 ℃。觀察圖10單雙組刮板表面的溫度分布云圖可以發(fā)現(xiàn)，刮板數(shù)量的增加沒有對刮板表面的整體溫度分布趨勢造成太大影響，且雙組刮板在一定程度上減弱了進(jìn)口流速所引起的進(jìn)口處溫度分布不均的現(xiàn)象，這說明刮板數(shù)量的增加對換熱速率的提升具有積極的作用。對比圖11近菱形孔雙組刮板和圖6近菱形孔單組刮板的旋轉(zhuǎn)流體域的橫截面溫度分布云圖可知，相較于近菱形孔單組刮板在350 mm之后出現(xiàn)的近似對稱現(xiàn)象，雙組刮板在靠近出口位置時(shí)也出現(xiàn)了溫度分布均勻?qū)ΨQ的趨勢，但由于蒸發(fā)器體積較小，刮板數(shù)的增加導(dǎo)致各刮板之間間距較小，阻礙了各刮板間制冰溶液的迅速混合，所以雙組刮板在此類型蒸發(fā)器內(nèi)這種現(xiàn)象并沒有較好地顯現(xiàn)出來。結(jié)合刮板表面溫度分布的分析結(jié)果表明，在大型流態(tài)冰蒸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計(jì)中，采用多組刮板強(qiáng)化換熱是一種可行的選擇。

圖9 200 r/min轉(zhuǎn)速下近菱形孔單雙組刮板對蒸發(fā)器換熱性能的影響

圖10 200 r/min轉(zhuǎn)速下近菱形孔單雙組刮板表面溫度分布云圖

圖11 200 r/min轉(zhuǎn)速下近菱形孔雙組刮板在旋轉(zhuǎn)流體域不同位置橫截面溫度分布云圖

3 結(jié)語

建立了3種不同刮板類型的流態(tài)冰蒸發(fā)器模型，借助Fluent仿真軟件中的MRF模型對其進(jìn)行了模擬，對比分析了3種刮板類型的流態(tài)冰蒸發(fā)器的換熱性能及在不同轉(zhuǎn)速條件下對其換熱的影響，換熱性能從大到小為無孔刮板、近菱形孔刮板、近橢圓形孔刮板；轉(zhuǎn)速的增加有助于強(qiáng)化換熱，但轉(zhuǎn)速在大于200 r/min后對換熱性能提升并不明顯，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮機(jī)器能耗的影響，對不同規(guī)格蒸發(fā)器應(yīng)匹配合適的轉(zhuǎn)速；無孔刮板蒸發(fā)器內(nèi)的制冰溶液溫度分布不均，易造成冰堵；有孔刮板的刮板數(shù)量的增加有助于蒸發(fā)器換熱性能的提升，大型流態(tài)冰蒸發(fā)器可選擇多組刮板進(jìn)行換熱性能的優(yōu)化；在有孔刮板近菱形孔洞和近橢圓形孔洞對比中，近菱形孔洞表現(xiàn)出更優(yōu)的效果，這說明在刮板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，孔洞的選擇也是影響換熱效率的重要因素。

我國對流態(tài)冰的研究起步較晚，應(yīng)用范圍較窄且普及率較低，流態(tài)冰作為新型載冷和儲(chǔ)冷介質(zhì)，符合新時(shí)代倡導(dǎo)的創(chuàng)新、綠色發(fā)展理念，隨著流態(tài)冰在食品保鮮、運(yùn)輸、貯藏領(lǐng)域應(yīng)用研究的不斷加深，先進(jìn)流態(tài)冰制取技術(shù)將為流態(tài)冰在各領(lǐng)域的應(yīng)用提供便利。雖然文中模擬結(jié)果并不能準(zhǔn)確代表實(shí)際應(yīng)用中的結(jié)果，但對高效、穩(wěn)定流態(tài)冰制取裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)性的意見。

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Analysis on Heat Transfer Performance of Scraper Type of Ice Slurry Evaporator by MRF Model

TU Cun-zhen,LU Zhong-chao,ZHANG Jian-you,ZHANG Gao-peng,HU Ya-nan,DING Yu-ting,LYU Fei

(College of Food Science and Technology, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

The work aims to improve the ice-making efficiency of scraping ice slurry machine and study the effect of scraper structure on the heat transfer performance of scraping ice slurry evaporator. The MRF model in Fluent was used to simulate and analyze the heat transfer performance of ice slurry evaporator models with different types of scrapers (near-oval hole scraper, near-rhombus hole scraper and non-hole scraper) established by SolidWorks software. Through the analysis on the heat transfer performance of various types of scrapers at different speed and the temperature distribution of the evaporator near the wall, the scraper surface and the cross section of the rotating fluid domain, it was found that the heat transfer performance of the non-hole scraper was higher than that of the near-rhombus hole scraper and the near-oval hole scraper at the same speed. However, the temperature distribution near the wall of the non-hole scraper was uneven, showing a two-stage differentiation trend, which was very easy to cause ice blockage. The temperature distribution near the wall surface of the evaporator with perforated scraper was relatively uniform, and it was greatly affected by the rotating speed. With the increase of rotating speed, the heat transfer performance was enhanced. However, the heat transfer performance was not significantly improved after the rotating speed was greater than 200 r/min. At the same time, double groups of scrapers were beneficial to improving the heat exchange performance of evaporator. Therefore, under the rotating speed of 200 r/min, the near-rhombus hole scraper has good heat exchange effect and the temperature distribution in the evaporator is more uniform, which is beneficial to the efficient and stable production of ice slurry.

ice slurry evaporator; scraper type; heat transfer; Fluent; multi-reference frame; model

TH122

A

1001-3563(2022)23-0268-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.23.032

2022–03–15

“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng) (2019YFD0901602)

涂存禎（1997—），男，碩士生，主攻食品科學(xué)與工程。

呂飛（1980—），女，博士，教授，主要研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)與工程。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋