1.本发明属于制冰技术领域，特别涉及一种带有防冰堵刮板结构的流态冰蒸发器及其建模仿真方法。
背景技术：2.现有流态冰蒸发器根据刮削方式的不同主要分为两类：螺旋刮削和刮板刮削。螺旋刮削式对制冰流量要求较小，主要应用于小型流态冰蒸发器，依靠蒸发器内螺旋结构转动产生的上升力将刮削下的冰晶输出到蒸发器外。刮板刮削对制冰流量的要求较高，主要应用于大型流态冰蒸发器，依靠水流的上浮力将刮削下的冰晶输出到蒸发器外。刮板刮削式制冰过程中冰晶形成方式为刮削和过冷同时进行，而螺旋刮削式主要是通过刮板对近壁面制冰溶液结晶后的刮削作用。
3.但是上述刮削方式存在以下技术问题：刮板刮削式蒸发器制冰过程中换热效率较低，并不能够充分与制冷剂实现较好的热量交换，且在制冰过程中由于热量的分布不均容易导致冰堵的发生，虽相较于螺旋刮削具有能够适应较大蒸发器的优点，但其稳定性不足。
技术实现要素：4.针对上述刮板刮削式流态冰机制冰溶液与制冷剂换热效率低，且容易发生冰堵的技术问题，本发明提供一种带有防冰堵刮板结构的流态冰蒸发器及其建模仿真方法，刮板结构的设置提了高刮板刮削式流态冰机的换热效率，并在一定程度上防止冰堵的发生。根据本专利设计的刮板结构，采用solidworks建模软件对刮板刮削式蒸发器进行建模，划分网格后通过fluent仿真软件内mrf和pbm模型对制冰过程中蒸发器内温度场和结晶状况进行仿真，对比传统刮板与本专利新刮板结构的模拟分析结果，对本专利的刮板结构所具有的优势进行验证。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种带有防冰堵刮板结构的流态冰蒸发器，包括中空的筒体、转轴以及分布在转轴上的刮板，转轴安装在筒体内的中心位置，刮板随转轴同步转动，筒体的顶部设有制冰溶液出口，底部设有制冰溶液进口，筒体侧壁下方设置有制冷剂进口，侧壁上方设置有制冷剂出口，其特征在于，所述刮板设置两块，两块刮板相对转轴对称布置，所述刮板上设置有一串通孔，所述通孔间隔设置，一串所述通孔的中心点连线在同一直线上，所述中心点连线与所述转轴平行。
6.进一步的，一串所述通孔等间距排布，每个通孔是六边形孔洞。
7.一种如上述所述的带有防冰堵刮板结构的流态冰蒸发器的建模仿真方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
8.步骤一：定义蒸发器的参数：
9.包括选定蒸发器尺寸、转轴直径、单个刮板的宽度、六边形孔洞的长和宽以及两孔洞中心的间隔距离；
10.步骤二：建立模型：
11.建立去除制冷剂通道简化后的刮板刮削式蒸发器模型，并选定蒸发器制冰溶液的进口直径和出口直径，内部制冰溶液通道的长和宽；
12.步骤三：划分网格：
13.通过solidworks建模后导入icem-cfd网格划分软件进行网格划分，壁面采用非结构网格划分，流体域及刮板采用结构网格划分；其中icem-cfd属于ansys里一种网格划分前处理软件，全称the integrated computer engineering and manufacturing code for computational fluid dynamics；
14.步骤四：仿真模拟：
15.设置仿真参数：包括设定mrf和pbm模型的制冰溶液的物性参数，物性参数包括密度、比热、导热系数以及粘度，设定转轴转速，设定进口温度，制冰溶液进口采用速度进口，出口采用压力出口；
16.采用多重参考系mrf模型对蒸发器进行换热模拟，对比分析蒸发器内流体换热过程中温度的分布状况；
17.采用群体平衡pbm模型对蒸发器内同尺寸冰晶结晶质量进行对比；
18.其中湍流模型选择rng k-epsilon模型，压力速度耦合采用标准simple方法，压力插值选择presto！(预压交错选项)方式；
19.所述rng k-epsilon模型动量方程为：
[0020][0021][0022]
式中：
[0023]
偏微分符号；ρ：密度，单位为kg/m3；t：时间，单位s；ui：对应方向的流速，单位m/s；c：常数，其中c
1ε
＝1.42,c
2ε
＝1.68；k为湍动能(j)；ε为耗散率(％)；xi和xj为x，y坐标；gk为引起的湍流动能的产生量；ak，a
ε
为k和ε的反向有效普朗特数；μ
eff
为湍流粘性(n
·
s/m2)。
[0024]
进一步的，所述mrf和pbm模型的制冰溶液均采用3.5％的盐水模拟海水。
[0025]
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0026]
1、本发明能够有效避免冰堵，同时利用本发明的刮板结构的蒸发器产冰率也得到了提升，节省了机器能耗；
[0027]
2、该刮板结构简单，能够在传统刮板基础上进行改造，避免了资源的浪费，以较低的成本弥补了传统刮板流态冰机的缺陷。
附图说明
[0028]
图1a是传统刮板结构示意图；
[0029]
图1b是本发明刮板结构示意图；
[0030]
图1c是本发明中六边形孔洞的结构示意图；
[0031]
图2a是利用本发明刮板结构简化前的蒸发器模型；
[0032]
图2b是利用本发明刮板结构简化前的蒸发器模型剖面图；
[0033]
图2c是利用本发明刮板结构简化后的蒸发器模型；
[0034]
图2d是利用本发明刮板结构简化后的蒸发器模型剖面图；
[0035]
图3a是传统刮板蒸发器内流体横截面速度矢量图；
[0036]
图3b是本发明刮板结构蒸发器内流体横截面速度矢量图；
[0037]
图4a是本发明刮板结构蒸发器距出口距离80mm、50mm、20mm流体截面温度分布示意图。
[0038]
图4b是传统刮板蒸发器距出口距离80mm、50mm、20mm流体截面温度分布示意图。
[0039]
图5a是尺寸20μm冰晶在本发明刮板结构蒸发器距出口距离200mm处分布云图；
[0040]
图5b是尺寸20μm冰晶在传统刮板结构蒸发器距出口距离200mm处分布云图。
具体实施方式
[0041]
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
[0042]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0043]
下面将参考附图并结合示例性实施例来详细说明本发明。
[0044]
参考图1a-1c，本发明的一种带有防冰堵刮板结构的流态冰蒸发器，包括中空的筒体1、转轴2以及分布在转轴2上的刮板3，转轴2安装在筒体1内的中心位置，刮板3随转轴2同步转动，筒体1的顶部设有制冰溶液出口14，底部设有制冰溶液进口13，筒体1侧壁下方设置有制冷剂进口11，侧壁上方设置有制冷剂出口12，所述刮板3设置两块，两块刮板3相对转轴2对称布置，所述刮板3上设置有一串通孔4，所述通孔4间隔设置，一串所述通孔4的中心点连线在同一直线上，所述中心点连线与所述转轴2平行。
[0045]
在一种实施例中，一串所述通孔4等间距排布，每个通孔4是六边形孔洞。所述六边形孔洞包括第一边31、第二边32、第三边33、第四边34、第五边35以及第六边36，所述第一边、第二边、第三边、第四边、第五边以及第六边共同围合构成所述六边形孔洞；所述第一边31和第四边34相对设置且长度相同，所述第二边、第三边、第五边以及第六边长度相同。
[0046]
一种如上述所述的带有防冰堵刮板结构的流态冰蒸发器的建模仿真方法，具体包括如下步骤：
[0047]
步骤一：定义蒸发器的参数：
[0048]
包括选定蒸发器尺寸、转轴直径、单个刮板的宽度、六边形孔洞的长和宽以及两孔洞中心的间隔距离；
[0049]
步骤二：建立模型：
[0050]
建立去除制冷剂通道简化后的刮板刮削式蒸发器模型，并选定蒸发器制冰溶液的进口直径和出口直径，内部制冰溶液通道的长和宽；
[0051]
步骤三：划分网格：
[0052]
通过solidworks建模后导入icem-cfd网格划分软件进行网格划分，壁面采用非结构网格划分，流体域及刮板采用结构网格划分；
[0053]
步骤四：仿真模拟：
[0054]
设置仿真参数：包括设定mrf和pbm模型的制冰溶液的物性参数，物性参数包括密度、比热、导热系数以及粘度，设定转轴转速，设定进口温度，制冰溶液进口采用速度进口，出口采用压力出口；
[0055]
采用多重参考系mrf模型对蒸发器进行换热模拟，对比分析蒸发器内流体换热过程中温度的分布状况；
[0056]
采用群体平衡pbm模型对蒸发器内同尺寸冰晶结晶质量进行对比；
[0057]
其中湍流模型选择rng k-epsilon模型，压力速度耦合采用标准simple方法，压力插值选择presto！(预压交错选项)方式；
[0058]
所述rng k-epsilon模型动量方程为：
[0059][0060][0061]
式中：
[0062]
偏微分符号；ρ：密度，单位为kg/m3；t：时间，单位s；ui：对应方向的流速，单位m/s；c：常数，其中c
1ε
＝1.42,c
2ε
＝1.68；k为湍动能(j)；ε为耗散率(％)；xi和xj为x，y坐标；gk为引起的湍流动能的产生量；ak，a
ε
为k和ε的反向有效普朗特数；μ
eff
为湍流粘性(n
·
s/m2)。
[0063]
在一种实施例中，所述mrf和pbm模型的制冰溶液均采用3.5％的盐水模拟海水。
[0064]
在一种实施例中，以1t蒸发器相应尺寸为例，去除了制冷剂外部通道，以壁面温度的热传递效果来代替制冷剂，单个刮板宽为30mm。
[0065]
六边形孔洞尺寸如图1c所示，转轴直径为30mm，六边形孔洞的孔洞长为27mm，宽为12mm，第一边与第四边长度为15mm，两孔洞中心间隔距离优选为32mm。其中，需要说明的是此六边形孔洞尺寸和间距并不完全代表本发明中刮板结构尺寸，在不同规格流态冰蒸发器中孔洞尺寸和间距根据刮板结构整体大小而变更。
[0066]
选定蒸发器制冰溶液进口和出口直径分别为21和26mm，内部制冰溶液通道长和宽分别为400和100mm。
[0067]
通过solidworks建模后导入icem进行网格划分，壁面采用非结构网格划分，流体域及刮板采用结构网格划分，经网格无关性检验后，最终网格总数约为900万。
[0068]
设定的仿真参数如下：mrf和pbm模型制冰溶液均采用3.5％的盐水模拟海水，其物性参数密度为1028kg/m3，比热为3990j/(kg
·
k)，导热系数为0.559w/(m
·
k)，粘度为1.904mpa
·
s，转轴转速优选200r/min，制冰溶液进口采用速度进口，进口速度取v＝3.5m/s，出口采用压力出口，考虑重力影响，重力加速度g取9.81m/s2。其中在采用mrf模型对换热进行模拟过程中，进口温度设置为5℃，采用pbm模型对同尺寸冰晶结晶率的模拟中进口温度为1℃。
[0069]
本发明模拟结果的选取：在mrf模型对换热过程的模拟中选择两种刮板类型的蒸发器不同横截面流体域的温度分布云图和流体矢量图进行对比分析。在pbm模型中选取冰晶尺寸在300μm以内的50个同尺寸冰晶质量进行积分后对比分析。
[0070]
仿真模拟结果分析如下：
[0071]
以蒸发器距出口位置200mm流体横截面速度矢量图为例(图3a为传统刮板，图3b为本发明刮板结构)，传统刮板和本发明刮板结构蒸发器内流体速度在靠近转轴位置时均较高，传统刮板在刮削过程中流体速度在刮板边缘出现了一定的涡流现象，在本发明刮板结构蒸发器中六边形孔洞的存在使得这种漩涡现象减弱，且孔洞处流体速度也较高，漩涡现象导致流体在固定的空间内呈规律性流动，能较好地使蒸发器内流体混合均匀。
[0072]
以图4a本发明刮板结构和图4b传统刮板蒸发器在距出口距离80、50和20mm位置时温度分布对比，相较于传统刮板蒸发器内流体温度分布，本发明刮板结构温度分布近似均匀，表明本发明刮板结构有利于蒸发器内制冰溶液的换热。以图5a和图5b距出口位置200mm处横截面冰晶尺寸25μm分布云图为例，本发明刮板结构冰晶尺寸分布近似均匀，而传统刮板冰晶分布分化趋势较为明显，这种冰晶集中在一侧堆积的现象也是导致蒸发器发生冰堵的重要原因，表明本发明刮板结构改善了传统刮板容易发生冰堵的现象。在冰晶直径300μm范围内，均匀取值50个尺寸进行质量积分，本发明刮板结构相较于传统刮板冰晶增长了54.5％，表明本发明刮板结构有助于产冰率的提升。
[0073]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
技术特征：1.一种带有防冰堵刮板结构的流态冰蒸发器，包括中空的筒体、转轴以及分布在转轴上的刮板，转轴安装在筒体内的中心位置，刮板随转轴同步转动，筒体的顶部设有制冰溶液出口，底部设有制冰溶液进口，筒体侧壁下方设置有制冷剂进口，侧壁上方设置有制冷剂出口，其特征在于，所述刮板设置两块，两块刮板相对转轴对称布置，所述刮板上设置有一串通孔，所述通孔间隔设置，一串所述通孔的中心点连线在同一直线上，所述中心点连线与所述转轴平行。2.如权利要求1所述的一种带有防冰堵刮板结构的流态冰蒸发器，其特征在于，一串所述通孔等间距排布，每个通孔是六边形孔洞。3.一种如权利要求1或2所述的带有防冰堵刮板结构的流态冰蒸发器的建模仿真方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤一：定义蒸发器的参数：包括选定蒸发器尺寸、转轴直径、单个刮板的宽度、六边形孔洞的长和宽以及两孔洞中心的间隔距离；步骤二：建立模型：建立去除制冷剂通道简化后的刮板刮削式蒸发器模型，并选定蒸发器制冰溶液的进口直径和出口直径，内部制冰溶液通道的长和宽；步骤三：划分网格：通过solidworks建模后导入icem-cfd网格划分软件进行网格划分，壁面采用非结构网格划分，流体域及刮板采用结构网格划分；步骤四：仿真模拟：设置仿真参数：包括设定mrf和pbm模型的制冰溶液的物性参数，物性参数包括密度、比热、导热系数以及粘度，设定转轴转速，设定进口温度，制冰溶液进口采用速度进口，出口采用压力出口；采用多重参考系mrf模型对蒸发器进行换热模拟，对比分析蒸发器内流体换热过程中温度的分布状况；采用群体平衡pbm模型对蒸发器内同尺寸冰晶结晶质量进行对比；其中湍流模型选择rng k-epsilon模型，压力速度耦合采用标准simple方法，压力插值选择预压交错选项方式；所述rng k-epsilon模型动量方程为：epsilon模型动量方程为：式中：偏微分符号；ρ：密度，单位为kg/m3；t：时间，单位s；u
i
：对应方向的流速，单位m/s；c：常数，其中c
1ε
＝1.42,c
2ε
＝1.68；k为湍动能(j)；ε为耗散率(％)；x
i
和x
j
为x，y坐标；g
k
为引
起的湍流动能的产生量；a
k
，a
ε
为k和ε的反向有效普朗特数；μ
eff
为湍流粘性(n
·
s/m2)。4.如权利要求3所述的建模仿真方法，其特征在于，所述mrf和pbm模型的制冰溶液均采用3.5％的盐水模拟海水。
技术总结本发明公开了一种带有防冰堵刮板结构的流态冰蒸发器及其建模仿真方法，所述蒸发器包括中空的筒体、转轴以及分布在转轴上的刮板，转轴安装在筒体内的中心位置，刮板随转轴同步转动，筒体的顶部设有制冰溶液出口，底部设有制冰溶液进口，筒体侧壁下方设置有制冷剂进口，侧壁上方设置有制冷剂出口，其特征在于，所述刮板设置两块，两块刮板相对转轴对称布置，所述刮板上设置有一串通孔，所述通孔间隔设置，一串所述通孔的中心点连线在同一直线上，所述中心点连线与所述转轴平行。本发明提高刮板刮削式流态冰机的换热效率，并在一定程度上防止冰堵的发生，刮板结构简单，避免了资源的浪费，以较低的成本弥补了传统刮板流态冰机的缺陷。缺陷。缺陷。
技术研发人员：吕飞 涂存祯 张建友 丁玉庭 陆钟超
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2022.06.09
技术公布日：2022/11/1
