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管内油水乳液下冰浆的连续形成
Kazutaka Chibanaa, Chaedong Kangb, Masashi Okadaa, Koji Matsumotoc,Tetsuo Kawagoed
aDepartment of Mechanical Engineering, Aoyama Gakuin University, 6-16-1, Chitosedai, Seyagaya-ku, Tokyo, 157-8572 Japan bSchool of Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University, 136-1 dong, San 56-1, Shillim-Dong, Kwanak-Gu Seoul 151-742, Korea
cDepartment of Precision Mechanics, Chuo University, 1-13-27, Kasuga, Bunkyo-ku, Tokyo,112-8551, Japan
d757-4, Katakuracho, Kanagawa-ku Yokohama, 221-0961 Japan
摘要
含有添加剂（C2H5O）3SiC3H6NH2 的水性硅胶油乳液常被作为一种蓄热材料。将一个螺旋管作为换热器浸入到低温浴盆中，乳液在管子里循环从而持续制冰。冰从一个外置水槽的冰—液悬架系统被分离开来。制得的冰的量，换热器的内外温度，管内的温度是可测量的，换热系数和管的热通量可以计算得到。实验通过改变流体的速率，冷却盐水的温度和管壁的厚度来进行。持续的形成冰浆而冰不附着在冷却壁面上的情况已被证实。尽管降低管子的热阻增快了冰的形成速率，提高了盐水温度，但是它缩小了流量以及冰浆已经持续形成时盐水的温度范围。
关键词 乳液；水；硅胶；添加剂；蓄热器；相变；冰；构造；参数
符号名称：
——热交换面积（内表面）（m2） ——质量流率（kg/s）
——乳液的比热（J/kg-1.K-1） ——热通量（W.m-2）
——直径（mm） ——雷诺数
——总传热系数（W/m-2K-1） ——温度（K）
——形成的冰的质量（kg） △——冷却管进出口的温差（K）
——冰形成的速率（kg/s） ——冷却管的厚度（mm）
——冷却管的长度（m）
希腊符号： 下标：
Gamma;——潜伏热（J/kg-1） ——冷却盐水
△theta;——温度差（K） ——冰点
——结冰时间（s） in——冷凝管入口
m——对数平均
out——冷凝管出口
1.引言
动态冰蓄冷系统中形成的冰浆具有流动性，这样有冷量运输方便和对热负荷快速反应的好处。并且，形成的冰不会在冷却壁面上形成热阻。
各种各样的动态冰蓄冷系统已研发出来， Fukusako对他们做了测评。动态冰蓄冷系统的一项关键技术就是怎样制作出冰而使冰不附着在冷却壁面上。当水或水溶液在换热器中被冷却来持续制冰时，冰附着在冷却壁面上引起管子阻塞。因此，许多关于管道中制冷或将冷却壁面上的冰分离的研究被相继开展。
Inaba使用了一个套管换热器来从一种水溶液中持续制冰，并且获得了一个关于持续制冰效率的无因次关系。Hasegawa开展了一项换热实验，在垂直管道中将水用非混相冷却剂冷却来持续制取液态冰。Hasegawa称，当溶液在水平或垂直冷却壁面上冻结时，热流对冷却壁面上形成的冰的分离起支配作用。Inaba和Morita研究了双盘管换热器中O/W型乳状液的凝固点，该换热器中的油是一种相变物质。他们提出了一个蓄冷完成时间的无因次关系。
当冰浆被用作输送冷量的媒介时防止冰结晶是很重要的。Saito和Grandum通过扫描隧道显微镜观察了冰结晶的表面，并且发现，当冰晶表面吸附硅烷偶联剂和防冻蛋白时，冰的形成会受到抑制。Matsumoto通过将油水混合乳剂和硅烷偶联剂在容器中搅拌并冷却来研究冰的形成机制，结果表明，硅烷偶联剂能有效防止冰吸附在冷却壁面上，并且通过这一方法可以获得一个较高的冰充填率。
在如今的研究中，Matsumoto所使用的油水混合乳剂还在被使用，并且将它在螺旋管中冷却可以连续地获得冰浆。冰的形成实验不断在开展，通过在不同厚度的管中改变流速和盐水温度，为了弄清楚在哪种情况下冰可以在不吸附在冷却壁面的情况下连续地形成。
2.实验
2.1 实验装置
图1 实验系统原理图
图1表示的是实验系统的原理图图解。该系统由三个部分组成，即一个搅动部分（入口水槽）、一个冷却部分（换热器）和一个冰存储部分（出口水槽）。搅动部分和冷却部分设置在一个温度控制在0plusmn;2℃的冷冻室里。硅油和含有硅烷偶联剂的水溶液作为蓄热材料放在入口水槽中并通过一个搅拌器乳化。在混合物充分乳化后，将它抽入到冷却管中并进行冷却。冰浆从冷却管中排出，储存在出口水槽。用聚丙烯制成的入口水槽的直径和高度分别是425和430毫米。出口水槽是一个不锈钢圆柱形篮子，它的直径和高度都是250mm。一个不锈钢制品的网格（网格14）安装在出口水槽以便冰浆从混合物中分离出来。内置水槽中的搅拌器（有着螺旋桨式的搅拌桨）以每分钟700转的转速使得混合物保持一种分散均匀的状态。一部分的混合物直接从入口水槽抽出再直接进入入口水槽。抽入冷却管中的混合物的流量只根据单向阀进行调节，除非在最低流速下。所有的管道、搅动部分和储冰部分被一个15毫米厚的泡沫塑料隔离。它由一个20米长的聚氯乙稀（PVC）螺旋管和一个调节温度的盐水浴盆组成。PVC管由粘粘剂固定在在一个不锈钢制成的圆柱形冲洗篮上。冷却管束的直径和高度分别是400和300毫米。一个低温恒温浴盆充满乙二醇水溶液，螺旋管也浸入其中。管外的换热通过被设置在螺旋管中央并且以每分钟850转转速旋转的搅拌器来提高。螺旋管入口和出口的温度和搅拌部分混合物的温度用0.01K精度的被金属覆套的铂电阻温度计（PT-100，3.2 200mm)测量。一对t型热电偶（0.1毫米）被埋藏在螺旋管壁的径向方向来测量壁面的局部表面温度并计算穿过墙壁的局部热流密度。实验结束后，通过显微镜来观察管壁的横截面来测量热电偶接头的位置。表一显示的是冷却管的尺寸和换热器的面积。两个不同厚度的冷却管已经过检验。由于这些管子的内径和外径的区别都很小，可以假设所有管子内表面的换热系数系数都是一样的，外表面的换热系数也是一样的。
表1 冷却管尺寸
2.2 实验步骤
研究中使用的乳剂是由10%硅油和90%的水混合而成。混合物的体积是50升。硅烷偶联剂试剂（（C2H5O）3SiC3H6NH2）在水中溶解。添加剂的体积和水的体积的比例是3%。混合物的凝固点是-0.8摄氏度。当混合物充分搅拌后，就会被抽入到冷却管中。混合物从冷却管中排出从而获得一定的流速。当流速调整后，将冷却管浸入到低温恒温水槽中。当冷却管的出口温度大约为1.0摄氏度时，开始进行监测。当进口水槽温度下降至低于-0.8摄氏度时，非常少量的冰会被扔进进口水槽以便于过冷的混合物在其中冻结。然后冰浆开始被排放到出口水槽。当出口水槽充满冰浆时（质量大约为6千克），冰浆的冰填充率用如下方法进行测量。只有颗粒状的冰通过离心式分离器从冰浆样本中分离出来并进行称重。冰填充率的计算值为颗粒状的冰占冰浆的比例。形成的冰的质量可以用出口水槽中冰浆的量和冰填充率计算得到。颗粒状冰在经过热水融化后返回至进口水箱。实验中重复上述的步骤，冰浆的总质量便可以测量出来。我们称上述的实验为“冰分离型”，因为冰浆在出口水槽中与混合物分离。当冰粒流进冷却管时，将会检测冰浆是否堵塞了管子。然后出口水槽就会从实验系统中移走。我们称这个实验为“冰循环型”。当实验完成时，进口水箱中的冰将被聚集起来并沉重。
2.3 总传热系数的计算
公式一是能量守恒方程。传热效率可以通过冷却管进出口的温差计算得到。总传热系数表示为公式二。对数平均温差由公示三定义。虽然目前的实验不在稳定状态，但管中混合物的合理热量比公式一计算得出的传热效率的热量大约少6%。因此，当前传热过程可以被假定为一个稳态过程。
当冷却管出口温度从1℃降到0℃时，总传热系数在冻结之前就可以得到。在结冰过程中，总传热系数由公示四得出，同时，冰的潜热也被算入左边公式一里的传热系数中。用差式扫描量热法测量出的平均值246.5KJ/kg被用作显热量。
3.实验结果和探讨
3.1冰形成的模式
表2至7显示了典型的温度记录和总传热系数。两种不同的实验被开展。一个是冰循环型，另一个是冰分离型。图表2表示的是冰分离类型的温度记录。当进口水槽中的温度到达-1摄氏度时，就开始结冰，冷却管中的出口温度（在图2中用标出）突然上升至凝固点，和添加剂在乳液中的初始浓度相一致。实线表示初始凝固点。在冰形成过程中，出口温度低于凝固点温度。也就是说，混合物从冷却管中释放时处于过冷状态。冰浆是在出口水槽中形成的。我们称这个模式为过冷形成冰。进口水槽的温度和冷却管进口的温度都会上升，因为过冷乳液回到进口水槽之前，在出口水槽中混合物的固液平衡温度下被加热，而且，水泵的能量也会在进口水槽中的乳液中产生热量。图3表示了像图2一样的实验中的总传热系数。总传热系数在结冰前几乎和在结冰时一样，除了刚好在开始结冰之后的一瞬间。
图4表示冰分离类型的温度记录。在这个实验中，冰浆在冷却管中形成。我们称这个模式为冰在管中形成。冷却管出口温度在图4中用标出，和开始结冰后进口水槽中一个用○标出的非常短的阶段温度一致，因为冰在冷却管中流动。冷却管的进口温度因为泵的能量，比进口水槽的温度高0.1-0.2摄氏度。冷却管出口温度几乎等同于凝固点因为排放的混合物包含了在管中形成的冰粒。随着冰浆的质量增加，冷却管出口温度渐渐下降因为乳液中添加剂的浓度增加了。进口水槽的温度和冷却管入口温度上升，因为在出口水槽中冰从混合物中分离。在这个实验中，冰浆在开始结冰后8000s后堵塞冷却管。图5表示像图4一样相同实验的传热系数。开始结冰前和结冰时的总传热系数几乎一样。
图6表示的是一个冰循环型的温度记录样本。开始结冰后，进口水槽的温度和冷却管出口温度一样。这表示在冷却管和进口水槽都出现了冰，并且冰粒在这个系统中循环。在冰循环型实验中冰形成的模式必须是冰在管中形成。泵的功率又一次略微提升了冷却管的入口温度。图7表示总传热系数。用出口水槽中冰的量计算得出的冰形成过程中的总传热系数是冰开始形成前的三分之二，是因为冰浆在进口水槽中分散开来并且没有完全聚集、泵的能量以及进口水槽中的冰和周围环境热交换而融化。
图2 冰分离型温度记录（冰形成的模式是过冷。L=20m，di=15mm,t=2mm。）
图3 冰分离型的总传热系数（冰形成的模式是过冷。L=20m，di=15mm,t=2mm。）
图4 冰分离型温度记录（冰形成的模式是在管中。L=20m，di=15mm,t=2mm。）
图5 冰分离型的总传热系数（冰形成的模式是在管中。L=20m，di=15mm,t=2mm。）
图6 冰循环型温度记录（冰形成的模式是在管中。L=20m，di=15mm,t=2mm。）
图7 冰循环型的总传热系数（冰形成的模式是在管中。L=20m，di=15mm,t=2mm。）
3.2 冰的质量和平均传热系数
在冻结开始前，形成的冰的质量和总传热系数的平均值如表2和表3中所示。表2为1毫米管厚的实验结果，表3为2毫米厚管的实验结果。这些表格还表示了冰形成模式的分类。表格横向表示流量、流速和雷诺数，表格竖向表示盐水温度。表中的灰色单元格表示在冷冻开始后的3小时内，管子被堵塞。表2（a）和2（b）中的白色单元格表明过冷乳液是3小时持续排出的，表3(a)、3(b)和表2(b)中的网状单元格表明,冰浆在管中形成时间达3小时。用粗线绘制的单元格表示该种冰的形成模式持续了6小时而没有堵塞管道。另一方面，表2(b)中用粗虚线绘制的单元格表示持续致冰3小时后，管子被阻塞。单元格中列出的项目是形成时间达
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