1物理模型的建立
氯化钠溶液凝固结晶所用的蓄冷蒸发器装置图如图1标注所示，蓄冷蒸发器是一个管壳式换热器，在这里可以简化为一个圆柱形容器，外表面为低温且恒温的制冷剂流动区，简化示意图如图2所示，考虑圆柱内的氯化钠溶液从壁面向轴心逐渐降温凝固过程。
因为在氯化钠的凝固过程中伴有相变导热和自然对流换热等过程比较复杂，为了方便分析，这里对计算区域进行了如下假设：﹙1﹚假设蒸发温度恒定，为12oС，即圆筒壁面制冷剂温度恒定；﹙2﹚假设圆筒壁内附近的氯化钠溶液温度恒定；﹙3﹚氯化钠溶液在相变过程中的比热、导热系数、密度都为定值；﹙4﹚忽略氯化钠相变过程中的自然对流，以及重力作用。在上述的简化模型中，根据实际蒸发蓄冷装置，设定圆柱形的高度H=100cm，内径R=40cm，管内充满氯化钠溶液。然后利用Solidification&Melting﹙凝固与融化﹚模型，对氯化钠溶液在圆筒内的二维凝固过程进行模拟。对采用的添加剂氯化钠溶液的热物理性质进行定义，如表1所示。然后设定各边界的边界类型，圆周为恒壁温﹙12oС﹚，氯化钠的初始温度为280K。
2模型计算结果及分析
在数值模拟过程中，简化的圆周表面温度恒定为12oС，计算1%氯化钠溶液、3%氯化钠溶液、5%氯化钠溶液、7%氯化钠溶液、9%氯化钠溶液凝固过程中的温度变化。图3所示为5%氯化钠溶液凝固降温过程中的温度云图随时间的变化关系。从图上可以看出：壁面的温度颜色逐渐变淡，并向管中心扩散，等温线分布很明显，并且都在261K~280K之间。
为了更好地比较氯化钠溶液在凝固过程中的温度分布，图3中列出了6组氯化钠溶液在凝固过程的温度云图，图中可以观察到氯化钠溶液在凝固过程中的温度是从外层逐渐向内层扩散，温度范围逐渐增大；通过比较可以发现刚开始温度变化很明显，随后温度变化逐渐减缓。这是由于初始的温度差比较大，氯化钠溶液通过导热与壁面的低温介质换取冷量，换热热阻小，因此温度变化比较大，而在后面由于壁面的介质温度低于氯化钠溶液的冰点，在持续降温过程中，靠近壁面的氯化钠溶液出现相变结晶，结成的冰层阻碍了热量的传递，使得氯化钠溶液与壁面的换热热阻增大，换热系数减小，因此氯化钠溶液的温度变化减小。
氯化钠溶液相界面随时间的变化与温度场一样，都是随着凝固过程不断由管壁向管中心扩散，液相率随时间逐渐变化，壁面处最先出现混合相，所有的相界面都在0和1之间，图中接近地面处浅色区域是液相率为0的固相，靠近中心深色区域是液相率为1的液相，中间的为混合相，图4为5%的氯化钠溶液﹙280K﹚在载冷剂恒为12oС下凝固过程中的相界面移动模拟分析。
作者：杨旭凯 刘圣春 李叶 饶志明 官青山 单位：天津商业大学天津市制冷技术重点实验室
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