基于双喷嘴对喷法制取冰浆的实验研究

来源 :华北水利水电大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:MD_XC
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冰浆是由平均粒径不超过1mm的冰晶粒子组成的浆状水溶液。冰浆中的冰晶粒径微小、比表面积大,储能密度高,具有良好的流动和换热性能,是一种性能优异、用途广泛的相变储能材料。目前被广泛应用于区域供冷、食品保鲜以及医疗健康等方面。但目前冰浆生成速率慢,冷量利用率低、易产生冰堵等问题很大程度上限制了冰浆的应用和发展。为了提高冰浆生成率(IPF),解决冰堵等关键问题,本文搭建了双喷嘴对置撞击流制冰实验平台,采用冷空气和纯水对喷撞击来强化流动和换热,并对撞击流制取冰浆过程进行了系统的研究。首先对空气与干冰换热所需要的双头螺旋盘管换热器进行理论计算,并根据撞击流理论,完成了实验平台的设计和搭建,实现了使该制冰系统能够稳定运行的目标。其次利用高速成像技术,研究了纯水射流的雾化现象,对比分析了单喷嘴射流和空气-水撞击后的的雾化液滴的粒径分布以及撞击后的射流锥角的变化情况。结果发现,当气体喷嘴的喷射压力为13k Pa,空气喷射速度为21m/s时,在距液体喷嘴喷孔(34mm?68mm)的范围内,雾化液滴的粒径尺寸减小了22%?38%左右;气-液撞击会改变纯水雾化射流的距离和雾化边界宽度,射流液柱会形成粒径尺寸更小的雾状液滴。在这种工况下进行实验,显著提高了两股流体间的接触面积,并可以强化换热过程,为撞击制冰提供良好的条件。另外,本文采用单因素实验的方法,探究了不同因素水平对实验结果的影响。随着初始温度的升高,制冰系统的IPF逐渐下降,当纯水初温从2.5℃上升至10.5℃时,系统的IPF降低了35%左右。随着乙二醇水溶液的浓度从0增加到10.8%,梯度为3.6%时,制冰量呈现下降的趋势,在工质的初始温度为2.5℃?10.5℃时,纯水制取的冰晶粒子的量约是相同条件下乙二醇水溶液的2?4倍。撞击制冰时,采用保温隔热材料将两雾化喷嘴包裹后进行实验,能够有效地解决喷嘴冰堵问题,保证实验高效有序的进行。对撞击制取冰浆和非撞击制取冰浆两种工况下进行实验,发现两种工况下的IPF均随着纯水的初始温度升高而降低,在水的初温较高时,大量冷量用于纯水的降温,生成的冰晶较少,IPF变化很小;相比于非撞击制冰,撞击流可以大幅提升系统的IPF。在纯水初温为2.5℃?10.5℃时,撞击制冰的IPF和生成冰晶的冷量利用率约是非撞击的2?3.87倍;制冰系统的热效率随着制冰溶液的初始温度升高而升高,在2.5?10.5℃范围内,撞击制冰系统的平均热效率约是无撞击流制冰的1.6倍,与非撞击制冰相比,撞击流可以大幅提高制冰系统的热效率,而且在水初温较低时,撞击流制冰对系统热效率的提升更显著。
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