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圆管内流动水发生结冰的影响因素研究..doc
圆管内流动水发生结冰的影响因素研究
该文测量了不同运行状态下圆管内流动水发生结 冰的时间,研究了水的流速不变时圆管内表面温度对结冰发 生的影响,研究了水的流动状态对结冰发生的影响,提出了 防止圆管内流动的水发生结冰的条件,并从理论上对流动状 态对结冰发生的影响进行了分析。
关键词:结冰发生的影响因素;圆管内流动;防止结冰
0引言
圆管内流动的水发生结冰是常见的一种现象,它会阻塞 管道内水的流动,甚至损坏管道。在寒冷地带输水以及在过 冷水连续制冰系统[1]、太阳能热水系统[2]等工业设备中都 需要防止圆管内流动的水发生结冰,尤其是太阳能热水系统 防冻问题的解决将极大推动太阳热水系统的应用。通常防止 结冰发生的方法是将水的温度设置在0°C以上。曾有研究者 [2]采用顺序冻结的方法避免冻结损坏管道,其出发点仍然 是认为水在0°C以下时一定发生结冰。但本文 [3]在对静 止过冷水发生结冰的情况进行研究时发现,水的温度在°C以 下时可能不发生结冰,为了防止结冰的发生,并不一定需要 将水的温度设置在°C以上。圆管内流动的水也可能存在类似 情况,本文将对圆管内流动的水发生结冰的影响因素进行研 究。
[4]最早对影响圆管内流动的水发生结冰的因素进行了
实验研究,但是在他的实验中,圆管流动的水常常在实验开 始后几秒钟即发生结冰,未能获得有效实验数据。六串俊已
[5] 实验研究结果表明,用水出口平均温度计算的过冷度所 能达到的最大值随管内流动Re数的增加而减小。冈田孝夫
[6] 的实验研究结果表明,当圆管表面最低温度高于这个范 时,圆管内流动的水不发生结冰。稻叶英男[7-10]实验研
究结果表明用沿管轴方向平均的圆管内表面温度计算的过 冷度所能达到的最大值随着圆管内水流动Re数的增加而减 小。因而,以前的研究者通过实验研究得到的关于影响圆管 内流动的水发生结冰的因素的结论各不相同。
Arora [ 4]最早从理论上对影响圆管内流动的水发生结 冰的因素进行分析,认为只有从圆管内表面开始的Sn距离 内的水的温度全部在形核温度以下时,结冰才能发生。Sn 由最小临界分子链长度决定。由此理论出发,Arora推论圆 管内流动主流区最大过冷度随着Re数的增加而增加。Arora 的理论没有能够得到实验结果的直接验证,而其推论则与其 本人的实验结果相差甚远。稻叶英男在文献[7]中曾试图阐 明层流边界层或层流底层的厚度与水在圆管口所能获得的 最大过冷度的关系,没有成功,其在文献[8-10]中试图用 Arora的理论解释其实验结果,但最终给出的关系式仅能表 明换热器过冷段的传热情况的关系式,不能反映出最大过冷 度的依赖关系。
本文 [3]曾对不锈钢表面上静止的过冷水发生结冰
的规律进行过研究。
迄今为止,不管是实验研究还是从理论上,研究者还不 能够清晰地阐明影响圆管内流动的水发生结冰的因素。本文 首先通过实验对影响圆管内流动的水发生结冰的因素进行 研究,然后从理论上对实验结果进行分析,提出了圆管内流 动的水发生结冰的条件。
1实验装置及方法
1是实验装置系统示意图。实验装置系统主要由3部 分组成:冷源部分、本体部分和温度测量部分。冷源部分由 制冷
机、加热器、分液箱和集液箱组成。制冷机与加热器协 调工作,向分液箱提供温度稳定的冷媒,冷媒再由分液箱提 供给实验装置系统本体部分,之后返回集液箱。温度测量部 分包括热电偶冰点、数据采集仪和计算机。数据采集仪每1 秒钟测量1次热电偶的电势值并将其传送给计算机,计算机
将电势值转化为温度值并储存起来。
1-冷机2-加热器3-集液箱4-分液箱5-本体部分6-冰点 7-数据采集仪8-计算机VI、V2-截止阀I冷源部分II-
本体部分III-温度测量部分 1实验装置系统示意
Schematicdiagramof experimentalappara tus
J 2是实验装置本体部分系统示意图。其中,换热器内 管为lGrl8N i9不锈钢圆管,内径9mm,外径10 mm,长300mm, 外管为普通碳钢管,内径32mm,长度1500mm。在水的入口 端,内管比外管长14⑻mm,充当水力入口段,保证在换热 段中水具有规则的流型。调节阀用来调节水的流量。集气罐 用来防止随水流动的空气进入换热器。供水罐及管路均良好 保温,从而保证了实验过程中换热器入口水温始终保持恒定
1 一供水箱2-水泵3-阀门4 -集气罐5-换热器子6-集水
中,虚箭头批示水的流动方向,实箭头批示冷媒的流
动方向
’^指示温度测点的位置,V指示压力测点的位置 2实际装置本体部分系统示意
Test sectionschematicdi agram
实验用水的电阻率为Q ?cm。
温度测量使用T型热电偶,其中两个热电偶分别放置在 换热器水的进口与出口,另外4个热电偶放置在换热
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