動態(tài)冰漿蓄冷系統(tǒng)及其特性

1、    動態(tài)冰漿蓄冷系統(tǒng)及其特性            作者：方貴銀 邢琳 楊帆時間：2007-11-24 15:07:00                     摘要： 動態(tài)冰漿由于具有較好的熱物理和傳熱特性，現(xiàn)已被應(yīng)用于蓄冷空調(diào)系統(tǒng)和

2、工業(yè)處理過程中。本文介紹了冰漿的各種發(fā)生方法和裝置，分析了動態(tài)冰漿蓄冷空調(diào)系統(tǒng)工作過程，闡述了冰漿的動態(tài)特性和潛在應(yīng)用。 關(guān)鍵詞： 冰漿 動態(tài)特性 蓄冷 空調(diào) 1 前言冰漿是由微小的冰晶和溶液組成，而溶液通常是由水和冰點(diǎn)調(diào)節(jié)劑（如乙二醇、乙醇或氯化鈉等）構(gòu)成。由于冰晶的融解潛熱大，使得冰漿具有較高的蓄冷密度；同時由于冰晶具有較大的傳熱面積，使其具有較快的供冷速率和較好的溫度調(diào)解特性。它不象傳統(tǒng)的盤管式（內(nèi)融冰、外融冰）和封裝式（冰球、冰板）蓄冷系統(tǒng)的冰凝結(jié)在換熱器的壁面上，增加了冰層的傳熱熱阻，使其傳熱效率較低。冰漿蓄冷系統(tǒng)現(xiàn)已被用于空調(diào)系統(tǒng)中，夜間低谷時蓄冷，白天高峰時供冷，冰漿蓄

3、冷空調(diào)系統(tǒng)的容量一般只有高峰冷負(fù)荷的20%50%，使其整個系統(tǒng)小巧、緊湊。由于冰漿蓄冷空調(diào)系統(tǒng)具有低溫送風(fēng)特性，使得整個空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)管、水管尺寸減小，冷量輸送的功耗也大為降低，運(yùn)行成本減小。2 冰漿發(fā)生裝置常用的產(chǎn)生冰漿的方法有如下幾種：過冷法、刮削法、噴射法和真空法等。2.1 過冷法如圖1所示為過冷法冰漿發(fā)生系統(tǒng)。在過冷換熱器中，水被過冷到-2，當(dāng)其離開過冷器時，大約2.5%的過冷水變成冰晶，其余大部分仍是液相，產(chǎn)生的冰晶落入蓄冷槽，在蓄冷槽內(nèi)由于冰、水的密度差，冰晶聚集在蓄冷槽的上部，而水儲存在蓄冷槽的下部，其水溫仍保持約0。夜間低谷時，蓄冷系統(tǒng)產(chǎn)生冰晶，使蓄冷槽內(nèi)的冰晶濃度達(dá)到20%30

4、%；白天高峰時，蓄冷槽底部的冷水被送到空調(diào)末端換熱器中向房間供冷。圖1 過冷法冰漿發(fā)生系統(tǒng)11制冷機(jī)組 2載冷劑（乙二醇溶液）泵 3冰漿發(fā)生器 4-2過冷態(tài)水 5過冷態(tài)釋放裝置 6噴嘴 7水層 8冰層 90水 10水泵 11預(yù)熱器 12、13調(diào)節(jié)閥2.2 刮削法如圖2所示為刮削法冰漿發(fā)生系統(tǒng)，它由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置、殼管式蒸發(fā)器構(gòu)成，制冷劑在殼側(cè)蒸發(fā)吸熱，乙二醇溶液（6%10%）在管內(nèi)被冷卻，當(dāng)溫度降到其凝固點(diǎn)以下時，溶液中產(chǎn)生微小的冰晶（約100m），為了防止冰晶粘附在管內(nèi)壁上，安裝了一個旋轉(zhuǎn)刮削板，將內(nèi)壁上粘附的冰晶刮下隨溶液一起送出蒸發(fā)器、進(jìn)入蓄冷槽，冰漿的濃度可以根據(jù)其運(yùn)行條件進(jìn)

5、行調(diào)節(jié)，一般為0%35%。圖2 刮削法冰漿發(fā)生系統(tǒng)21壓縮機(jī) 2冷凝器 3節(jié)流裝置 4蒸發(fā)器 5吸氣儲液器 6載冷劑 7冰漿 8制冷劑液體 9制冷劑氣體 10攪拌器2.3 噴射法如圖3所示為噴射法冰漿發(fā)生系統(tǒng)，它是利用兩種互不相溶流體間的換熱來產(chǎn)生冰晶的，由制冷系統(tǒng)將不溶于水且比水重的流體冷卻到水的冰點(diǎn)以下，然后由泵將流體送入噴射器產(chǎn)生高壓并從溶液罐的上部抽吸水，由于在噴射器中產(chǎn)生了足夠的擾動和冷卻效果，使得普通的水產(chǎn)生冰晶。一旦冰漿混合物到達(dá)溶液罐內(nèi)，較輕的冰晶漂浮在中、上部，而較重的傳熱流體則沉降在底部，并用于系統(tǒng)再循環(huán)。圖3 噴射法冰漿發(fā)生系統(tǒng)1制冷劑進(jìn) 2制冷劑出 3換熱器 4噴射器

6、5冰漿發(fā)生器 6溶液進(jìn) 7冰漿出 8循環(huán)泵2.4 真空法水的飽和溫度是隨壓力變化的，水在壓力為0.0061bar、溫度為0.01時達(dá)到其三相點(diǎn)。如果在真空室內(nèi)噴入水，并將由水滴表面產(chǎn)生的水蒸氣連續(xù)地抽出，被抽出的水蒸氣由于吸收了液滴的熱量，結(jié)果使液滴溫度下降直至變成冰粒子，由液滴表面產(chǎn)生的水蒸氣由機(jī)械壓縮裝置抽走，被壓縮的水蒸氣再由凝結(jié)器冷凝成水。如圖4所示為真空法冰漿發(fā)生系統(tǒng)，它由水供應(yīng)系統(tǒng)、真空室、蒸氣壓縮機(jī)、蒸氣凝結(jié)器和真空泵構(gòu)成。水供應(yīng)系統(tǒng)是由水罐、水泵和噴嘴組成，水泵將水加壓至0.7MPa后供給噴嘴，真空室實(shí)際上是一個蒸發(fā)器，在真空室的上部空間布置有中空錐形的噴嘴，壓縮系統(tǒng)是由兩級壓

7、縮機(jī)組成，水凝結(jié)器采用殼管式換熱器，用自來水作冷卻水，真空泵用來抽出系統(tǒng)中的不凝氣體。圖4 真空法冰漿發(fā)生系統(tǒng)31真空泵 2排氣 3冷凝器 4冷凝罐 5冷卻水進(jìn) 6冷卻水出 7第二級壓縮裝置 8第一級壓縮裝置 9真空噴射室 10冰晶 11水泵 12水罐 13水3 動態(tài)冰漿蓄冷空調(diào)系統(tǒng)如圖5所示為自然循環(huán)式冰漿蓄冷空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了供熱、供冷兩個循環(huán)回路，每個循環(huán)回路都由冷凝器、蒸發(fā)器和調(diào)節(jié)閥組成，供冷回路的蒸發(fā)器和供熱回路的冷凝器安裝在空氣處理箱內(nèi)，用于調(diào)節(jié)向室內(nèi)供應(yīng)空氣的溫、濕度。圖5 自然循環(huán)式冰漿蓄冷空調(diào)系統(tǒng)11冰漿發(fā)生器 2蓄冷罐 3循環(huán)泵 4供冷模式冷凝器 5供冷模式蒸發(fā)器 6供

8、熱模式冷凝器 7空氣處理箱 8供熱模式蒸發(fā)器 9冰漿由冰漿發(fā)生器產(chǎn)生的冰漿儲存在蓄冷罐中，然后由泵輸送到供冷回路的冷凝器中，來自蒸發(fā)器的制冷劑蒸氣在該冷凝器中冷凝成液體，并利用重力流回到蒸發(fā)器中，蒸發(fā)冷卻通過空氣處理箱的空氣。在供熱回路中，由冰漿發(fā)生器產(chǎn)生的熱量供給制熱回路中的蒸發(fā)器，來自空氣處理箱中冷凝器的制冷劑液體在重力作用下流入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中以較高的蒸發(fā)溫度氣化吸收來自冰漿發(fā)生器產(chǎn)生的熱量，氣化后的制冷劑蒸氣然后進(jìn)入空氣處理箱中的冷凝器放熱加熱流入的空氣。如圖6所示為熱回收式冰漿蓄冷空調(diào)系統(tǒng)。在蓄冷運(yùn)行模式時，制冷循環(huán)中的風(fēng)冷冷凝器工作，二元溶液從蓄冷罐被泵送到冰晶發(fā)生器，產(chǎn)生的冰晶

9、再輸送到蓄冷罐的底部，在蓄冷罐內(nèi)冰晶聚集在其上部。供冷運(yùn)行時，二元的冰漿溶液被送到中間換熱器，將冷量傳遞給來自末端機(jī)組的冷媒水；從中間換熱器返回的溫度較高的溶液被噴灑在罐內(nèi)上部的冰晶上，圖6 熱回收式冰漿蓄冷空調(diào)系統(tǒng)21冰漿發(fā)生器 2蓄冷罐 3循環(huán)泵 4換熱器 5、6空調(diào)末端機(jī)組 7水冷冷凝器 8風(fēng)冷冷凝器 9壓縮機(jī) 10循環(huán)泵 11供冷 12供熱冰晶溶化后，溶液溫度再下降。在熱回收運(yùn)行模式時，風(fēng)冷冷凝器不工作、水冷冷凝器開始工作，水冷冷凝器釋放的熱量傳遞給末端機(jī)組，適用于既需要制冷、又需要制熱的多功能建筑。在供熱運(yùn)行模式時，制冷劑流動換向，原來的風(fēng)冷冷凝器現(xiàn)在作為蒸發(fā)器使用，制冷循環(huán)向水冷冷

10、凝器提供熱量，再由水冷冷凝器將熱量傳遞給末端機(jī)組。4 冰漿動態(tài)特性在常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)中，6/12的供/回水溫度所產(chǎn)生的冷量約為25kJ/kg，這主要是由于水的顯熱容量較小，而采用冰漿作載冷劑可以減小所需要的循環(huán)量。如圖7所示為冰漿與冷水的供冷量比較。冰漿的供冷量是隨著冰晶的濃度而變化的，如當(dāng)冰晶的濃度為20%、冰晶的供/回水溫度為0/13時，其冷量比為4.8，則其提供的冷量為120 kJ/kg。如圖8所示為冰漿的壓力降隨速度和冰晶濃度的變化。冰漿的壓力降與其摩擦系數(shù)、冰晶流動速度和冰晶濃度有關(guān)。在低速流動時，冰漿溶液出現(xiàn)了相分離，冰晶漂浮在通道的上部，這將增加不同濃度冰漿溶液間的壓力降變化。從圖

11、8中可以看出，在低速流動時，不同濃度的冰漿溶液間的壓力降差別變化較大，這是由于低速流動時冰晶漂浮在通道上部，引起冰漿有效流通截面積減小，從而使其流速增加，阻力變化較大；同時通道上部聚集的冰晶也使其摩擦阻力增大。在高速流動時，不同冰漿濃度溶液與冷水之間壓力降差值變化較小，這是由于高速流動使得冰漿溶液成為均勻流動。 圖7 冰漿與冷水的供冷量比較 圖8 冰漿的壓力降隨速度和冰晶濃度的變化如圖9所示為冰漿溶液的傳熱系數(shù)隨其流量和濃度的變化。從圖中可知：傳熱系數(shù)是隨著流量的增加而增加、隨著冰漿濃度的增加而減小。這是由于冰漿濃度的增加減小了溶液的擾動，通過換熱器的流動是層流而不是紊流。盡管在較高冰漿濃度下

12、，其傳熱系數(shù)下降，但由于微小的冰晶增加了其傳熱表面積，以及具有較大的傳熱溫差，仍然使其具有較高的傳熱量。圖9 冰漿溶液的傳熱系數(shù)隨其流量和濃度的變化5 冰漿的其他潛在應(yīng)用冰漿溶液除了用于舒適性空調(diào)、工業(yè)生產(chǎn)過程、食品處理與保存外，還可用于以下方面：5.1 用于管道和換熱器清洗傳統(tǒng)的清除管道和換熱器污垢臟物的方法常采用機(jī)械方法，但對于形狀復(fù)雜的換熱器，該方法很難完成去污。采用10%的冰漿溶液能夠完成復(fù)雜幾何形狀管道和換熱器的清污工作4。5.2 用作冷藏汽車的蓄冷劑在冷藏汽車的四周保溫夾層空間內(nèi)充入冰漿溶液，使車廂內(nèi)保持所要求的溫度，它與普通運(yùn)輸車輛相比，能保證冷藏食品的新鮮。冰漿的充入和更換可在專門的充冷站進(jìn)行。5.3 用作滅火劑現(xiàn)有的滅火裝置和噴嘴仍然可以輸送濃度為30%的冰漿溶液，采用冰漿溶液滅火可以使滅火時間減少一半，同時使室內(nèi)溫度急劇降低。與水相比，采用冰漿滅火所需的量較少5。6 結(jié)論動態(tài)冰漿由于具有蓄冷密度大、流動性和傳熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被用于蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中用于用電負(fù)荷的“移峰填谷”，還有用于工業(yè)處理過程和食品工程領(lǐng)域