液-液循環(huán)流化床制取流體冰關(guān)鍵問(wèn)題研究.pdf

1、液-液循環(huán)流化床制取流體冰方法是一項(xiàng)全新的動(dòng)態(tài)制冰技術(shù)，該方法基于流態(tài)化技術(shù)完全流動(dòng)換熱的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)制冰過(guò)程中循環(huán)流動(dòng)載冷液體與液滴的直接接觸換熱，具有較高的熱力效率，以及所制取的顆粒流體冰具有易于輸送、蓄冷密度大等特點(diǎn)，在冰蓄冷空調(diào)技術(shù)中的應(yīng)用前景非常廣闊。但是要實(shí)現(xiàn)新方法制取流體冰目的，需要解決流態(tài)化制冰過(guò)程中所涉及的液．液霧化，液滴的運(yùn)動(dòng)、碰撞與相變，循環(huán)流化床的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布以及制冰過(guò)程的冷量合理利用等問(wèn)題。本文基于試驗(yàn)和數(shù)值

2、模擬手段，對(duì)液一液循環(huán)流化床制冰過(guò)程所涉及的關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，研究結(jié)果為新型制取流體冰方法的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義。本文主要由以下五部分組成。 建立了液-液霧化界面追蹤模型，從液-液界面運(yùn)動(dòng)、變形和破碎的角度，對(duì)低溫流動(dòng)環(huán)境液體中射流液體(水)的高雷諾數(shù)射流霧化特性進(jìn)行了研究，獲得了射流發(fā)展和破碎的細(xì)節(jié)變化過(guò)程，再現(xiàn)了試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的衛(wèi)星液滴、串珠單液滴、不規(guī)則液團(tuán)和長(zhǎng)條形液柱等現(xiàn)象，模擬結(jié)果與試驗(yàn)觀察到

3、的現(xiàn)象非常一致；揭示了液．液霧化的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)射流形成、發(fā)展、破碎以及形成液滴過(guò)程的影響機(jī)理，并發(fā)現(xiàn)隨射流液體流量的增大，形成液滴過(guò)程的射流破碎形狀是由串珠單液滴向不規(guī)則液團(tuán)轉(zhuǎn)變，繼而發(fā)展為長(zhǎng)條形液柱形式，模擬結(jié)果所展示的規(guī)律性與試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)吻合。 在所建立的液-液霧化試驗(yàn)臺(tái)上，采用數(shù)字圖像采集與處理方法得到了反映液-液霧化形成液滴過(guò)程的圖像和射流長(zhǎng)度與液滴粒徑信息，對(duì)所得到的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)了射流特性對(duì)液滴粒徑分布的影

4、響機(jī)理，以及循環(huán)流化床運(yùn)行參數(shù)影響形成液滴粒徑分布的規(guī)律；通過(guò)Pearson X<'2>擬和優(yōu)度檢驗(yàn)方法確定了液滴粒徑分布的經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)：Rosin-Rammler分布，并基于Rosin-Rammler分布的平均粒徑和分布參數(shù)的變化規(guī)律揭示了流化床運(yùn)行參數(shù)組合與液滴粒徑分布之間的聯(lián)系；另外，比較了常溫和低溫兩種溫度工況下液-液霧化特性，發(fā)現(xiàn)射流特性與液滴粒徑分布與環(huán)境液體溫度具有很強(qiáng)的相關(guān)性，并指出了兩種環(huán)境液體溫度下射流破碎形成液滴機(jī)

5、理的差異。 為了充分掌握循環(huán)流化床內(nèi)顆粒的沿程運(yùn)動(dòng)特性，基于流態(tài)化技術(shù)建立了液-液循環(huán)流化床制冰試驗(yàn)臺(tái)，采用高分辨率數(shù)碼CCD對(duì)循環(huán)流化床三個(gè)不同高度上的顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了快速攝像，通過(guò)逐幀分析CCD圖像，獲得不同高度上顆粒的粒徑分布信息，定義了四種典型的顆粒運(yùn)動(dòng)特征：顆粒的分散、聚團(tuán)、粘連和聚并，在此基礎(chǔ)上揭示了顆粒運(yùn)動(dòng)特性的沿程變化規(guī)律，以及循環(huán)流化床運(yùn)行參數(shù)及其組合對(duì)顆粒沿程運(yùn)動(dòng)特性的影響規(guī)律；發(fā)現(xiàn)顆粒在循環(huán)流化床1.0m

6、以下高度內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)具有普遍的聚團(tuán)和聚并特征，并依據(jù)顆粒在循環(huán)流化床內(nèi)的主要運(yùn)動(dòng)特征對(duì)運(yùn)行參數(shù)區(qū)域組合進(jìn)行劃分，獲得了顆粒運(yùn)動(dòng)特性的轉(zhuǎn)變規(guī)律。 為了研究液-液循環(huán)流化床內(nèi)液滴、冰顆粒與循環(huán)載冷液體之間的多相流動(dòng)與傳熱機(jī)理，在歐拉-拉格朗日方法的基礎(chǔ)上，建立了改進(jìn)的顆粒軌道模型，模型能夠解決相間動(dòng)量、能量耦合，顆粒的相變及其相互作用以及顆粒的附加力影響，采用自編的C++程序?qū)ｉT(mén)處理顆粒的相變、附加力、傳熱模型及其與周?chē)d冷液體的傳熱耦

7、合過(guò)程，將其作為用戶(hù)自定義函數(shù)加入Fluent的計(jì)算模型，對(duì)Fluent進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的數(shù)值模擬研究，獲得了顆粒的終端速度，顆粒的相變狀態(tài)、停留時(shí)間、濃度和速度分布，以及循環(huán)流化床的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布特征。 基于穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的<火用>平衡方程與<火用>損失計(jì)算理論，建立了與液-液循環(huán)流化床的進(jìn)出口參數(shù)相關(guān)的<火用>損失和<火用>效率計(jì)算模型，結(jié)合顆粒軌道模型，得到了不同的循環(huán)流化床運(yùn)行參數(shù)條件下過(guò)程傳熱量和過(guò)程<火用