圆管内流动水发生结冰的影响因素研究

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，其出发点仍然是认为水在0℃以下时一定发生结冰。但本文作者[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℃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℃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。

a.p.s.arora[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围时，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δn距离内的水的温度全部在形核温度以下时，结冰才能发生。δn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。

本文作者[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

图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