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TBAB包络化合物浆(CHS)被证明是一种具有广阔应用前景的潜热输送材料,在中央空调及区域供冷系统中替代冷水作为载冷介质,进行冷量的输送。因为CHS可以在5-12℃发生固液相变,载冷密度远大于冷水,由此可以减小输送管道的尺寸,降低输送泵的能耗,从而达到节能的目的。
首先,建立了管内流动的3-D模型,实现对CHS固-液两相流特征的全面描述。模型包含重力对颗粒分层流动的影响,使用相间滑移速度描述相间作用力;给出了层流时固相黏度的计算公式,使控制方程组得以封闭。湍流流动基于RNGk-ε模型理论,针对靠近壁面的层流底层区和远离壁面的旺盛湍流区分别建立k-ε控制方程。在流动计算结果的基础上,将对流传热模型简化为2-D模型,模拟定热流密度条件下的水平管内对流换热情况。通过固-液相间的能量及质量传递进行相间耦合,模型计算范围涵盖层流及湍流流动。分别从层流及湍流能量方程出发,利用源强化概念及场协同理论,从理论上解释了CHS这类潜热型功能流体强化换热的物理机理。
随后,搭建了CHS流动与传热实验台,测得CHS在水平管内的流动阻力及定热流密度下的平均对流换热系数,对所建模型的计算结果进行验证。结果显示,在固相含量χ<30%范围内,3-D流动模型可以较好地模拟流动阻力问题,相对误差在±12%以内;2-D传热模型可以较好地模拟对流换热问题,相对误差在±10%以内。证明本文所建立的固-液两相流流动与换热模型可以实现对CHS真实情况的模拟,且达到了精度要求。实验测定了A型和B型CHS的粒径分布。
深入剖析了CHS管内流动情况。截面速度分布规律显示,随着固相含量的增大,层流流动表现出由剪切流发展为“塞状流”的趋势,由此判断CHS固-液两相混合流体整体上呈现出非牛顿流体特征。发现了定流速下的“再层流化现象”。截面颗粒浓度分布表明,在较低流速的层流流动区,边界层内出现比较明显的分层流动,随着流速的增大,分层流动逐渐消失,表现为非均匀流甚至均匀流。通过对平均流速、固相含量及管径的正交分析结果得知,流速是影响流动阻力的最主要因素,固相含量次之,管径最小。在实验得到的CHS实际粒径分布范围内,颗粒直径大小对流动阻力的影响可以忽略。
详细分析了CHS在定热流密度条件下的管内对流换热特性。CHS的换热能力大约是纯溶液的1.5~3.5倍。通过截面温度分布,显示层流换热主要通过颗粒及液体的导热作用传递热量,由于潜热的释放增大了径向的温度梯度;湍流换热改善了速度场与温度梯度的协同程度,使得主要的换热热阻存在于热边界层内,同时,由于潜热的释放延缓了壁面温度升高的速度。计算得到了CHS换热过程中沿管长方向出现的未融化区、正在融化区和完全融化区的边界线。CHS对流换热能力的影响因素中,平均流速起决定性作用,固相含量和潜热通过改变混合流体的等效比热容而影响换热性能。实际粒径分布范围内对层流换热的影响可以忽略,较大颗粒对湍流换热起强化作用。热流密度大小对换热性能几乎没有影响。
最后,展示了所建立的固-液两相流动与换热模型在CHS潜热输送过程的应用。对A型和B型CHS,计算求得了不同固相下的临界沉降速度,为CHS的安全输送提供了依据。从优化输送泵功角度,得到了B型CHS最佳的固相含量范围(χ=26%附近),输送该固相含量范围的CHS,可以得到最佳的节能效果。