圆管内流动水发生结冰的影响因素研究论文

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1、圆管内流动水发生结冰的影响因素研究论文摘要：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

2、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℃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.freelaticdiagramofexperimentalapparatus图2是实验装置本体部分系统示意图。其中，换热器内管为1Gr18Ni9不锈钢圆管，内径9mm，外径10mm，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1400mm，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

3、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－供水箱2-水泵3-阀门4-集气罐5-换热器子6-集水箱图中，虚箭头批示水的流动方向，实箭头批示冷媒的流动方向"T"指示温度测点的位置，"P"指示压力测点的位置图2实际装置本体部分系统示意图Fig.2Testsectionschematicdiagram实验用水的电阻率为1.2MΩ·cm。温度测量使用T型（Cu-CuNi）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器内管外表面上。为了不破坏换热器内管内

4、表面上，没有在其上布置热电偶，其温度将由测得的外表面温度推算。压力测量使用U型管压力计，其中用水作工作介质。通过测量水在换热器中的压力降可以监视换热器中水的流速的变化，并辅助温度测量判断换热器内是否发生结冰。水流量用称重法测量，冷媒流量由安装在管路上的容积式流量计测量。实验开始前，关闭换热器与冷媒系统之间的阀门，启动制冷机和加热器，将冷媒系统中冷媒的温度降至预定值并保持稳定。启动实验装置本体部分的水泵，待水在换热器流动稳定后，打开换热器与冷媒系统连接的阀门，让冷媒进入换热器，并开始测量各点温度。当某一壁面温度或换热器入口处

5、水压力突然升高时，停止实验。在实验中，不特别控制圆管的进口水温，在某一进口水温下，通过控制冷媒的进口温度将圆管内表面的最低温度控制在某一温度。2实验结果与分析2.1实验分析方法图3为某一次实验的温度变化曲线。圆管内流动的水发生结冰时在短时间内迅速释放大量相变潜热，使得圆管壁面温度突然迅速升高，图3中曲线6上在大约190s时出现小的尖峰标志管内结冰的发生。曲线2曲线1～7分别代表测点T1～T7的温度变化情况图3某次实验的温度变化曲线Fig.3Temperaturecurvesduringonetest从图3可以看到，实验过程

6、中，在结冰发生之前，水进出换热器的温度、冷媒进入换热器的温度以及换热器内管壁温均保持稳定。压力测量同时表明，这时水在圆管中的流速也不发生变化，因而可以认为这时水处于稳定的运行状态。定义水在圆管中进入稳定的运行状态到其在圆管内发生结冰的时间为圆管内流动的水的结冰时间。换热器内管内表面的最低温度出现在水的出口处，该温度可以根据下式推算：（1）式中TedistributionforvariousminimuminnersurfacetemperaturesforaReof4199在其它水流速下，结冰时间随圆管内表面最低温度的变化

7、亦具有与图4相似的趋势，当圆管内表面最低温度高于一定温度时，圆管内流动的水在1800s内不再发生结冰。2.3水的流动状态对结冰发生的影响对于在一定水流速下测量到的一组不同圆管内表面最低温度下的结冰时间，记所有在1800s内发生结冰的实验中圆管内表面最低温度的最大值为tL，记恰恰比tL高的圆管内表面的最低温度为tU。在每一水流速下，都可以根据测量到的不同圆管内表面最低温度下圆管内流动的水的结冰时间给出一组tL、tU值。图5显示出了tL、tU随圆管内水流动Re数的变化情况。其中左边纵轴上的点代表静止状态下的数值。图5tL（实心

8、方框）、tU（虚心方框）随流动Re数的变化Fig.5DistributionsofTL(solidsquare)andTU(opensquare)forvariousRenumber图5表明，在0-10000的Re数范围内，tL、tU所包括的范围基本不随Re变化，因而可以认为圆管内流动对结冰的发生没有影