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直接接触喷射式冰浆制备技术研究 制冷及低温工程 研究生：刘剑宁 指导老师：章学来教授 摘要 空调蓄冷技术，即是在电力负荷很低的夜间或者低谷电价时段，采用电动制 冷机制冷，利用蓄冷介质的显热或潜热特性，用一定方式将冷量贮存起来并在电 力负荷较高的白天，也就是用电高峰期，把贮存的冷量释放出来，以满足建筑物 空调或生产工艺的需要。 本文对国内外直接接触式冰蓄冷技术进行了回顾，提出了直接接触喷射式冰 浆制备技术。 直接接触式冰蓄冷装置通过将蒸发器与制冰罐合并，直接将载冷剂喷射入制 冰罐，喷射形成的载冷剂液滴和水溶液换热，生成冰晶，冰晶粒子与水混合，形 成动态特性良好的冰浆。 本文对直接接触喷射式制冰装置进行设计。设计过程中解决冷媒与水的分离 以及喷嘴、换热器和管道的防冰堵等问题，将制冰罐和换热器制成一体，设计独 特的制冰罐及制冰装置结构，并利用预冷、引射等技术，并提高了整个冰浆制备 装置的效率和设备的可靠性。 本文提出了直接接触喷射式液滴换热的理论模型，并对上述模型进行了详细 的分析，并使用了m a t l a b 进行编程计算。直接接触喷射式制冰及换热、传热理 论的提出，为该种方式的设计提供理论依据及参考。本文提出的理论包括：液滴 换热面积的计算理论，液滴滞留时间理论，液滴换热理论。理论上解决了制冰罐 温度随时问的分布、制冰量与喷射器关系及制冰量、换热量的理论计算方法。 本文还根据国内外参考文献，总结出在管道中冰浆流动特性、摩擦阻力、传 热关系式，并对冰浆在空调系统中的动态特性、传热性能等进行了分析说明。 本文搭建了直接接触喷射式冰浆制备装置实验台。介绍了试验调试步骤，包 括运转前准备、系统的气密性试验、制冷剂的充注、载冷剂的充注、运转检查； 对进行试验过程中遇到的各种问题和解决方法进行了介绍，提出了载冷剂改进方 案与蓄冷槽改进方案；对动态冰蓄冷系统实验进行了深入的研究，验证补充理论 研究；最终实验达到预期的效果，生成的冰浆流动性好，不发生冰堵，制冰工况 稳定。 综上所述，本文提出了直接接触喷射式冰浆制备技术；对直接接触喷射式冰 浆制备装置进行了设计，并搭建了直接接触喷射式冰浆制备实验台；在此基础上， 提出了直接接触喷射式制冰的理论，并对该理论进行了分析及比对计算。该理论 的提出为直接接触喷射式制冰方式的设计、制造提供了可靠的依据，同时解决了 设计过程中没有成型理论支持的困局。但是直接接触喷射式冰浆制备技术作为冰 蓄冷空调技术的前沿科学还有许多的工作要做。 相信直接接触式动态冰蓄冷技术不断的发展，会在各个技术环节上不断地完 善，成为一项二十一世纪空调界的主流技术。 关键词：直接接触喷射式，冰浆制备，射流泵 答辩日期 d i r e c tj e t - t y p ei c es l u r r ym a k e rr e s e a r c h r e f r i g e r a t i o na n dc r y o g e n i ce n g i n e e r i n g l i uj i a n n i n g d i r e c t e db yp r o f e s s o rx u e l a iz h a n g ( s h a n g h a im a r i t i m eu n i v e r s i t y , s h a n g h a i2 0 0 1 3 5 ) a b s t r a c t i c es t o r a g ea i rc o n d i t i o n i n gi sat e c h n o l o g yw h i c hu s l o w p f i c ce l e c t r i ci nt h ee v e n i n gt o d r i v er e f r i g e r a t i n gs y s t e m s ，a n dw h i c ht a k e sa d v a n t a g eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec h a n g eh e a t s t o r a g em a t e r i a l st op r o d u c et h ec o o la n ds t o c ki t t h e ni ti sr e l e a s e dw h e ne l e c t r i cp r i c eo fe l e c t r i c l o a di sh i g hi nd a y t i m et os u p p l yt h en e e d so fa i rc o n d i t i o no rp r o d u c t i v et e c h n o l o g y t b ep a p e rr e v i e w sd i r e c tc o n t a c ti c es t o r a g et e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d s u n 塔叩t h e p r e d e c e s s o r s i d e aa n da l s od r a w sl e s s o n sf r o mo t h e rf i e l d , t h e np u t sf o r w a r dd i r e c tj e t - t y p ei c e m a k i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt h o s ei d e a d i r e c t j e t - t y p ei c es t o r a g et e c h n o l o g yh o l d st h ee v a p o r a t o ra n di c em a k i n gt a n kt o g e t h e r , a n d j e t st h er e f r i g e r a n ti n t ot h et a n kd i r e c t l y ；w a t e re x c h a n g eh e a tw i t ht h el o wt e m p e r a t u r er e f r i g e r a n t a n ds m a l li c ec r y s t a li sc r e a t e d , i nt h i sw a yi tc a np r o d u c ei c es l u r r y d i r e c t j e t - t y p ei c em a k i n gd e v i c ei sd e s i g n e d i tm a k e sh e a te x c h a n g e ra n di c em a k i n gt a n k a saw h o l e w h i c ha l lu n i q u e 咖c n | f ef o ri c em a k i n gt a n ka n di c em a k i n gd e v i c ei su s e d , a n dg e t s u o fp r e - c o o l i n ga n di n j e c t i o nt e c h n o l o g y ；i nt h i sw a yp r o d u c t i v i t ya n dt h er e l i a b i l i t yo ft h e d e v i c ei si n c r e a s e d t h ep a p e rp u t sf o r w a r dd i r e c t j e t - t y p ed r o p l e th e a tt r a n s f e rt h e o r e t i c a lm o d e l , c o m p a r e dw i t h d i f f e r e n ts i t u a t i o n su s i n gm a t l a b t h em o d e lp r o v i d e st h e o r yb a s i sa n dr e f e r e n c ef o ri t sd e s i g na n d 提出了直接接触喷射式制冰的理论，并对该理论进行了分析及比对计算。该理论 的提出为直接接触喷射式制冰方式的设计、制造提供了可靠的依据，同时解决了 设计过程中没有成型理论支持的困局。但是直接接触喷射式冰浆制备技术作为冰 蓄冷空调技术的前沿科学还有许多的工作要做。 相信直接接触式动态冰蓄冷技术不断的发展，会在各个技术环节上不断地完 善，成为一项二十一世纪空调界的主流技术。 关键词：直接接触喷射式，冰浆制备，射流泵 答辩日期 d i r e c tj e t - t y p ei c es l u r r ym a k e rr e s e a r c h r e f r i g e r a t i o na n dc r y o g e n i ce n g i n e e r i n g l i uj i a n n i n g d i r e c t e db yp r o f e s s o rx u e l a iz h a n g ( s h a n g h a im a r i t i m eu n i v e r s i t y , s h a n g h a i2 0 0 1 3 5 ) a b s t r a c t i c es t o r a g ea i rc o n d i t i o n i n gi sat e c h n o l o g yw h i c hu s e sl o wp f i c ce l e c t r i ci nt h ee v e n i n gt o d r i v er e f r i g e r a t i n gs y s t e m s ，a n dw h i c ht a k e sa d v a n t a g eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec h a n g eh e a t s t o r a g em a t e r i a l s t op r o d u c et h ec o o la n ds t o c ki t t h e ni ti sr e l e a s e dw h e ne l e c t r i cp r i c eo fe l e c t r i c l o a di sh i g hi nd a y t i m et os u p p l yt h en e e d so fa i rc o n d i t i o no rp r o d u c t i v et e c h n o l o g y m p a p e rr e v i e w sd i r e c tc o n t a c ti c es t o r a g e 魄l m o l o g ya th o m ea n da b r o a d , s n i l l s 叩t h e p r e d e c e s s o r s i d e aa n da l s od r a w sl e s s o n sf r o mo t h e rf i e l 正t h e np u t sf o r w a r dd i r e c tj e t - t y p ei c e m a k i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt h o s ei d e a d i r e c t j e t - t y p ei c es t o r a g et e c h n o l o g yh o l d st h ee v a p o r a t o ra n di c em a k i n gt a n kt o g e t h e r , a n d j e t st h er e f r i g e r a n t i n t ot h et a n kd i r e c t l y ；w a t e re x c h a n g eh e a tw i t ht h el o wt e m p e r a t u r er e f r i g e r a n t a n ds m a l li c ec r y s t a li sc r e a t e d , i nt h i sw a yi tc a np r o d u c ei c es l u r r y d i r e c t j e t - t y p ei c em a k i n gd e v i c ei sd e s i g n e d i tm a k e sh e a te x c h a n g e ra n di c em a k i n gt a n k a saw h o l e w h i c ha nu n i q u e 咖c n | f ef o ri c em a k i n gt a n ka n di c em a k i n gd e v i c ei su s e d , a n dg e t s u o fp r e - c o o l i n ga n di n j e c t i o nt c d m o l o g y ；i nt h i sw a yp r o d u c t i v i t ya n dt h er e l i a b i l i t yo ft h e d e v i c ei si n c r e a s e d t h ep a p e rp u t sf o r w a r dd i r e c t j e t - t y p ed r o p l e th e a tt r a n s f e rt h e o r e t i c a lm o d e l , c o m p a r e dw i t h d i f f e r e n ts i t u a t i o n su s i n gm a t l a b t h em o d e lp r o v i d e st h e o r yb a s i sa n dr e f e r e n c ef o ri t sd e s i g na n d a p p l i c a t i o n t h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h o s et h e o r i e si n c l u d i n gd r o p l e th e a tu a a s f e rl h e o 曝d r o p l e t r e s i d e n tt i m el h e “y d r o p l e th e a tt r a n s f e ra r e at h e o f ye t c t h o s et h e o r i e ss o l v et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o na d a p t i n gt o6 ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e c l i c em a k i n gc a p a b i l i t ya n di n j e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，c a l c u l a t i o nm e t h o df o rh e a tt r a n s f e rc a p a b i l i t ye r e 。t h ep a p e ra l s os u 娜匹u pc h a r a c t e r i s t i co fi c es l u r r yi nt h ep i p e , f i - i c t i o nr e s i s t a n c ea n dh e a t w a n s f e rr e l a t i o n s h i pb a s e do nr e f e r e n c ea th o m ea n da b r o a d , a n da n a l y s e sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a n d h e a t t r a n s f e r f u n c t i o n o f i c es l u r r y i n t h e a i r c o n d i t i o n d i r e c t j e t - t y p e i c es l u r r y d e v i c e i s b u i l t t h e p a p e r i n t r o d u c e s p r e p a r i n g f o r t h er e s e a r c h ，h o w t oa d dr e f r i g e r a t i o n , h o wt oc h e c kt h ed e v i c ed u r i n gw o r k i n g ；p u tf o r w a r di c es t o r a g et a n k i m p r o v i n gm e t h o da n dr e f r i g e r a t i o nr e p l a c em e t h o d ；a f t e re x p e r i m e n ts u p p l yt h e o r ya n d e x p e r i m e n tr e s e a r c h f i n a l l yg e tt h ew a n t e de f f e c t , g e tj i q u i d i t yi c es l u r r ya n di c eb l o c kd o e sn o t h a p p e n a l t h o u g ht h ep a p e rp u tf o r w a r dr e l i a b i l i t yt h e o r yf o rd i r e c tj e t - t y p ei c em a k i n gd e v i c e ，t h e t e c h n o l o g yh a sm a n yw o r k st oh ed o n ei nt h ef u t u r e b e l i e v ed i r e c tj e t - t y p ei c es l u r r ym a k e rt e c h n o l o g yw i l lb e c o m eam a i n s t r e a ma t2 1 c e n t u r y w i t hd e v e l o p m e n to f t h et e c h n o l o g y ， k e y w o r d s ：d i r e c t j e t - t y p e ，i c es l u r r ym a k e r , j e ti n j e c t o r l i i 论文独创性说明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中除了特别加以标注何致谢外，不包含其他人或其他机构已 经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所作的贡献 均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名： 论文使用授权声明 日期：翘：二：乡 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其他复制手段 保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：导师签 押7 。歹、髟 上海海事大学工学硕士学位论文 1 1 能源及电力现状及特点 第一章引言 1 1 1 能源现状及特点”1 ( 一) 我国能源发展现状 能源是人类赖以生存的要素之一，是国民经济和社会发展的重要战略物资。 经济、能源与环境的协调发展，是实现中国现代化目标的重要前提。 从1 9 9 3 年我国开始成为石油净进口国，到2 0 0 0 年石油进口量已逾7 0 0 0 万 t o n 。2 0 0 0 年以每百万美元国内生产总值能耗为依据，我国为1 2 7 4 t o n 标准煤， 比世界平均水平高2 4 倍。中小电动机平均效率为8 7 ，风机、水泵平均设计效 率为7 5 ，均比国际先进水平低5 个百分点，系统运行效率低近2 0 。目前我国 单位建筑面积采暖能耗相当于气候条件相近发达国家的2 3 倍。 2 0 0 1 年，菲律宾的单位产出能耗为0 2 4 千克油当量美元，埃及为0 3 4 千 克油当量美元，印度尼西亚为0 4 9 千克油当量美元。我国单位产出能耗与印 度尼西亚差不多，而比菲律宾高出1 倍以上，比埃及高出4 4 。我国单位产出钢 耗比俄罗斯和印度也高出1 倍以上。 2 0 0 6 年国民经济和社会发展的主要目标是在优化结构、提高效益和降低消 耗、保护环境的基础上，国内生产总值增长8 左右。单位国内生产总值能耗下降 1 2 ，主要污染物排放方面，化学需氧量和二氧化硫排放量分别增长l2 9 6 和 1 8 。2 0 0 6 年，我国能源消费总量为2 4 6 亿t o n 标准煤，同比增长9 3 。低于经 济增长率1 4 个百分点。其中，煤炭消费量为2 3 7 亿t o n ，增长9 6 ；原油3 2 亿t o n ，增长7 1 。2 0 0 6 年我国单位国内生产总值能耗同比虽然下降了l 。2 3 ， 但比年初预定的目标下降4 左右尚有相当大的距离。 据预测，我国未来能源供需的缺口将越来越大。在采用先进技术、推进节能、 加速可再生能源开发利用以及依靠市场力量优化资源配置的条件下，到2 0 1 0 年 约缺能8 ，到2 0 5 0 年将短缺2 4 左右，其中石油缺额可能多达4 4 亿t o n 标准 煤。 ( 二) 我国能源消费特点 1 能源消费以煤为主环境问题日益突出。2 0 0 6 年中国能源消费总量为2 4 6 亿t o n 标准煤，其中，煤炭消费量为2 3 7 亿t o n ，原油3 2 亿t o n ，天然 气5 5 6 亿m 3 ； 2 优质能源比重上升，石油安全不容忽视。到2 0 2 0 年我国石油消费量最少也 要4 5 亿t o n ，届时石油的对外依存度有可能接近6 0 ，中国的石油安全形 势严峻； 上海海事大学工学硕士学位论文 3 工业用能居高不下，结构调整任重道远。我国正在规划改变以煤为主的能 源结构，计划到2 0 1 0 年使我国能源结构中煤炭的比重降到6 0 以下，天然气 的比重上升到8 左右，其中增加的清洁燃料部分将主要用于大型、特大型 城市的能源结构调整，改善这些城市环境日益恶化的状况； 4 生活用能有所改善，用能水平仍然很低。居民用能中，煤炭等一次性能源 中的比重仍维持在7 0 左右，与发达国家一次性能源结构中煤炭比重只占 1 3 相比，差距很大。 综上所述，我国能源未来将有相当大的缺口，同时我国能源利用效率与国外 的差距表明，节能潜力巨大，节约能源势在必行。 1 1 2 电力现状”脚 ( 一)我国电力消耗的现状 电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，是国民经济的第一基础 产业，是关系国计民生的基础产业，是世界各国经济发展战略中的优先发展重点。 2 0 0 5 年上半年全国发电量累计达1 1 2 8 6 3 2 亿k w h ，比2 0 0 4 年同期增长 1 3 2 。其中，水电发电量为3 9 8 5 6 亿k w h ，同比增长2 1 8 ；火电发电量9 4 0 6 3 4 亿k w h ，同比增长1 1 8 ，核电发电量2 5 9 1 9 亿k w h ，同比增长1 5 。2 0 0 5 2 0 0 6 年，在经济发展的带动下，我国电力需求有望继续保持较快增长速度，但幅 度可能低于2 0 0 4 年。 2 0 0 6 年全社会用电量同比增长1 4 ，全国范围电力供需基本平衡。电力工业 结束了自2 0 0 2 年6 月以来的持续缺电状况，开始步入电力结构调整、优化发展 的重要时期。但是电力供需形势严竣的地区主要集中在华东、南方电网和华北、 西北、华中电网的部分地区。华东的江苏、浙江、上海，仍然是全国电力供需形 势最紧张的地区，存在局部地区、局部时段供需紧张。 2 0 0 6 年湖南电网夏季电力供需情况通报称，湖南省已于7 月1 日进入电力 迎峰度夏期；3 日，该省电网统调用电负荷已达7 8 2 万k w ，同比增长5 ，严重 超过湖南电网夏季最大供应能力。2 0 0 6 上海夏季电力供需缺口约2 0 0 万k w 。2 0 0 6 年重庆的电荒，据该市电力部门1 7 日提供的信息，重庆单日最高电力负荷将超 过6 0 0 万k w ，甚至达到6 2 0 万k w ，比去年同期增加1 0 0 多万k w 。2 0 0 6 年广州地 区电网最高自然负荷将达到8 8 0 万k w ，在全省电源性缺电和地区电网结构性缺 电的双重影响下，广州地区的电力供需矛盾仍然突出，最大电力缺口将达到6 0 万8 0 万k w 。 综上所述，自改革开放以来，电力的增长仍然满足不了国民经济的快速发展 和人民生活用电急剧增长的需要，全国缺电局面仍未得到根本的改变。 ( 二)我国电力消耗的特点 1 电网负荷率低，系统峰谷差加大，高峰电力严重不足，致使电网经常拉 闸限电。 2 城市电力消费增长迅速，而城市电网不能适应，造成有电送不出、配不 2 上海海事大学工学硕士学位论文 下的局面。 1 2 冰蓄冷技术 1 2 1 泳蓄冷概况“】【7 埘 空调蓄冷技术，即是在电力负荷很低的夜间或者用电低谷时段，采用电动制 冷机制冷，利用蓄冷介质的显热或潜热特性，用一定方式将冷量贮存起来并在电 力负荷较高的白天，也就是用电高峰期，把贮存的冷量释放出来，以满足建筑物 空调或生产工艺的需要。显热贮存是通过降低蓄冷介质的温度进行蓄冷，常用介 质有水和盐水或者其他溶液；潜热贮存是利介质的物态变化来蓄冷，常用介质为 冰、共晶盐水化合物等相变物质。在空调蓄冷应用技术中，采用的形式多为水蓄 冷、冰蓄冷方式。 1 9 7 0 年左右世界范围的能源危机促使蓄冷技术迅速发展。首先在美国将蓄 冷技术作为电力负荷的调峰手段广泛应用在建筑物的空调降温工程建设中。南加 利福尼亚爱迪生电力公司于1 9 7 8 年率先制定分时计费的电费结构。1 9 7 9 年编写 并出版了“建筑物非峰值期降温导则”。欧洲和日本等经济发达国家在8 0 年代就 开始对蓄冷技术的应用进行研究，并推广应用蓄冷技术，并颁布相关的奖励措施。 从8 0 年代末除了转移尖峰用电时段的空调负荷目标外，又增加了利用冰蓄冷的 “高品位冷能”，以提高空调制冷系统整体能效和降低制冷系统整体投资及建筑 造价、改善室内空气品质和热舒适为目标，进入低温、大温差供冷送风的蓄冷空 调发展阶段。 至今，美国空调蓄冷系统已相当普及，约有4 0 0 0 多个蓄冷系统在运行，蓄 冷容量7 0 万k w h ，即2 0 万r t h 以上的系统已不鲜见。截止到2 0 0 3 年底，我国 已建成和正在建的水蓄冷和冰蓄冷空调工程共计3 2 1 项。 1 2 2 冰蓄冷技术现状 美国制冷工业协会( a r i ) 将蓄冷设备广义地分为显热式蓄冷和潜热式蓄冷， 见表卜l 。 上海海事大学工学硕士学位论文 表卜1 美国制冷工业协会蓄冷设备分类 分类方式 类型蓄冷介质 蓄冷流体取冷流体 显热式 水蓄冷静态 水水水 静态制冷剂 冰盘管( 外融冰)冰或其他共品盐水或载冷剂 静态载冷剂 静态 载冷剂 载冷剂 冰盘管( 内融冰)冰或其他共晶盐 制冷荆制冷剂 潜热式静态水水 封装式 冰或其他共晶盐 载冷剂载冷剂 片冰滑落式动态冰制冷剂水 动态制冷剂 冰晶式( 冰浆) 冰载冷剂 载冷剂 1 2 2 1 静态冰蓄冷技术现状m ” 目前世界上冰蓄冷系统共有盘管式、板式、冰片滑落式、冰球式、冰晶式等 几种型式，国内使用最多的是冰球式与盘管式蓄冷装置。 一、冰球式蓄冷装置 冰球式蓄冷装置的封装容器有两种，即冰球和芯心冰球。 1 冰球 图卜l 为冰球实物，冰球一般为球形。球内充注的是水或凝固热较高的溶液， 容器沉浸在充满乙二醇溶液的储槽内，容器内的水随着乙二醇溶液的温度变化而 结冰或融冰。冰球式蓄冷的充冷温度为一3 一6 ，释冷温度为l 3 。 图卜l 冰球实物图 2 蕊芯冰球 图卜2 蕊芯冰球实物图。蕊芯冰球冰球一般为球形或哑铃形，双金属芯心冰 球结构。芯心摺囊由弹性高强度聚乙烯制成，褶皱有利于适应冻结和融冰时内部 冰或水体积变化而产生的膨胀和收缩。同时，两侧设有中空金属芯心，一方面可 增强热交换，另一方面起配重作用，在开放式槽内放置时冻结后不会浮起，蓄冷 4 上海海事大学工学硕士学位论文 槽顶部可不设格栅，而在蓄冷槽的两端设置有格栅，使载冷剂液体均匀流动，有 利于传热。 图1 - 2 蕊芯冰球实物图 3 冰球式蓄冷系统的特点 优点：适合用于各种型式的蓄冷槽，空间利用率高；蓄冰介质无运转机构， 使用寿命长；冰球通常放置在l 一2 个蓄冷槽中，故系统蓄冰单元少，联结用管 道阀门少，故障率低；个别冰球破损，不影响系统运行；最大融冰速度较大，宣 于实现避峰运行。 。 缺点：载冷剂使用量大，费用增加；载冷剂闯接蓄冰，效率略有下降；蓄冰 槽大多采用现场设计、施工，施工质量差别大；融冰后期，由于冰在冰球内上浮， 减少了传热面积，融冰性能下降。 。 二、盘管式蓄冷装置 图1 - 3 为盘管式蓄冷装置，该装置是由沉浸在水槽中的盘管构成换热表面 的一种蓄冷设备。在蓄冷过程中，载冷剂，一般为重量百分比为2 5 的乙烯乙二 醇溶液或制冷剂在盘管内循环，吸收储槽中水的热量，在盘管外表面形成冰层。 取冷过程则有内融冰和外融冰两中形式。 图1 - 3 盘管式蓄冷装置图 1 内融冰方式 来自用户温度较高的载冷剂( 或制冷剂) 在盘管内循环，通过盘管表面将热 量传递给冰层，使盘管外表面的冰层自内向外逐渐融化进行取冷，会形成大量浮 5 上海海事大学工学硕士学位论文 冰的情况。图1 - 4 所示由于在盘管表面与冰层之间形成薄的水层，其导热系数仅 为冰的2 5 左右，故融冰换热热阻较大，影响取冷速率。 图卜4 内融冰示意图 。 2 外融冰方式 外融冰方式采用蓄冰槽内的水作为取冷介质，冰是从冰柱外表面开始向内进 行融化的。其工作过程决定了外融冰方式与内融冰方式等需要二次换热的冰蓄冷 形式相比，取冷效率更高，而且取冷温度更低，并可长时间保持低温取冷，使取 冷过程更加平稳，并使得实现大温差低温送风成为可能。但由于上一周期蓄冷循 环时，在盘管外表面可能产生剩余冰而引起的传热效率下降。图卜5 外融冰示意 图。 鲁 图1 5 外融冰示意图 3 盘管式蓄冷系统的特点 优点：整体通过组装完成，现场安装方便，使用简单；蓄冰介质无运转机构， 使用寿命长；多槽并联使用，蓄冰容量扩充很方便：载冷剂使用量少；融冰速度 恒定，系统控制简单，特别适合冷负荷交化较平稳的建筑。 缺点；效率略有下降；蓄冷槽尺寸相对较固定，有时可能无法充分有效地利 用外部空间；最大融冰速度较冰球式小。 1 2 2 2 动态冰蓄冷技术埘“”旧1 那1 1 1 嘲“o 一、冰片滑落式 制冰滑落式冰蓄冷系统属于动态制冰方式，具有独立的制冷系统，由垂直板 片式蒸发器或圆筒状蒸发制冰器与蓄冰槽构成冰蓄冷系统。在制冷剂侧，低温的 制冷剂由制冷系统流入蒸发器内，与蒸发器表面上的水或冰层迸行热交换。在成 冰侧，水泵将冷水淋洒在蒸发器表面上，部分冷水流过蒸发器板表面时受到制冷 6 上海海事大学工学硕士学位论文 剂的冷却而冻结在其表面上，未凝结的水落入到蓄冰槽内，被水泵再次抽吸。当 冰层在蒸发器上逐渐冻结至一定厚度后，即被除下来放入其它容器内。除冰的方 法一般采用制冷剂热气除霜，即由压缩机出口端导引高温高压气态制冷剂进入蒸 发器内，加热使粘贴在蒸发器表面的冰融化一薄层，使冰块从蒸发器表面上靠自 重脱落，落入其下部放置的蓄冰槽中。 制冰滑落式制冰机的制冰量取决于制冰的厚度和热气除冰的频率。一般情况 下，冰层的厚度控制在6 s m m ( 制冰时间约在2 0 3 0 m i n ) ，热气除冰时间约为 2 0 6 0 s 。该系统释冷速率大，尤其适合于高峰用冷的场合，而且可以用于温差 大的冷冻水供给的低温空调系统。但比静态制冰冷机效率下降减少6 9 ，且设 备初投资较高。代表厂家有美国的m u e l l e r 、t u r b o 公司。 二、冰浆式 动态制冰技术产生的冰浆是近年来世界各国竟相开发研究的新型介质，它是 指混合溶液降温至冻结点温度以下产生极细小的冰晶( 一般为0 0 5 0 1 5 m m ) 与 水的混合物。由于其生成形式类似于雪花，即自结晶核以三维空问向外生长而成， 生成后成为一种游浆状的液冰，因此又称为颗粒流冰、二元冰( b i n a r yi c e ) 、 深冷冰( d e e pc h i l li c e ) 、液冰( 1 i a u i di c e ) 。图1 - 6 动态冰浆生成图。 图1 - 6 动态冰浆生成图 冰浆的制各方式主要有过冷水式( s u p e r c o o l e d ) 、刮削式( s c r a p e rt y p e ) 、 冷媒喷射式( e j e c t o rs y s t e m ) 、真空式( v a c u u mt y p e ) 等基本型式。 1 过冷水式 图1 - 7 为过冷水动态制冰装置。当水或水溶液在蒸发盘管中被冷却，即温度 被降低到冻结点温度以下时，也可保持液体状态，这时的状态称为过冷，它属于 亚稳定状态。一旦外界出现了扰动，就会迅速生成冰晶，形成冰水混合物。这种 制冰方法只需要一个简单的管道系统而无需其它的复杂装置，可见在这一点上该 法优于其它的制冰方法，但管道内的冰堵是这种制冰方法的最大障碍。 7 上海海事大学工学硕士学位论文 图1 - 7 过冷水动态制冰装置图 2 刮削式 图1 - 8 为刮削式制冰装置刮削器，刮削式制冰器桶体外腔中是制冷剂，内腔 中为二元冰溶液。当内腔的液体被冷却时，冰晶将会在液体中形成。搅拌系统将 冰晶从内腔壁移至液体中。流动液体的含冰率取决于其质量流量。整个系统见图 1 - 9 ，该图为日本s u n w e l l 公司c l i s 冰浆发生器。 图1 - 8 刮削式制冰装置刮削器图 1 压缩机2 冷凝器3 膨胀阀4 蒸发器5 吸气筒6 盐水7 冰浆8 制冷剂液体9 。制冷 剂气体1 0 刮削器 图卜9 日本s u n w e l l 公司c l i s 冰浆发生器图 3 真空式 如图1 - 1 0 所示，水的饱和温度随其压力的改变而改变，在0 0 0 6 1 b a r 和o o l 时达到三相点。在该状态下，可从水中吸取蒸发潜热产生蒸发冷却。这种蒸发 8 上海海事大学工学硕士学位论文 更确切地说为“闪蒸发”，它可通过机械压缩或者以蒸汽作为驱动能源的热力压 缩进行。压缩后的蒸汽在冷凝器内冷凝并完成该循环。由于系统是在低于大气压 力时运行的，因此像吸收式制冷机一样，必须排除系统内的非凝结性气体。 图卜l o 真空制冰示意图 4 直接接触式 如图1 - 1 l 所示直接接触式冰蓄冷技术，通过将蒸发器与制冷罐合并，直接 将制冷剂喷射进入制冰罐与载冷剂，一般为5 2 5 的乙二醇一水溶液进行接触 换热，它不存在传热问壁的热阻以及冰层增厚产生的附加热阻，可以降低制冷剂 和水之间的附加热阻，省略了两种工质问的换热设备，降低了制造成本。 直接接触式换热存在于很多自然现象及工程问题中，比如海水淡化、地热回 收、海洋能转化、蓄能等。而在蓄冷中的直接接触式换热过程包括液态制冷剂的 升温、蒸发及水与制冷剂直接接触后降温或凝固形成冰晶两个相变换热过程。二 = 一 换j ：二 ! 二= 二二。二：二拙“ 。、i ；y 嚣 制冰晕 狰剂出 ： 1 3 射流泵技术。1 删 图i - 1 1 直接接触式动态制冰示意图 1 3 1 工作原理 液气射流泵是一种流体输送机械和混合反应设备。它通过液体射流对气体进 行抽吸和压缩。由于泵内运动属于液气两相流动，而且液体与气体之问容重相差 很大，因此运动情况比较复杂。通过频闪仪对有机玻璃射流泵内液，气两相流体 运动过程的观察，大致可以分为三段过程，如图卜1 2 所示。 9 上海海事大学工学硕士学位论文 户，z q ，图1 - 1 2 液气射流泵流态图 ( 一) 液体射流与气体相对运动段 从喷嘴射出的液体射流是密实的，由于射流边界层与气体之间的粘滞作用， 射流将气体从吸入室带入喉管。液气二者作相对运动，且均为连续介质。液体射 流由于受外界扰动的影响，在离喷嘴一段距离后，产生脉动和表面波，其脉动频 率约为3 0 0 0 4 0 0 0 h z 。 ( 二)液滴运动段 由于液体质点的紊动扩散作用，射流表面波的振幅不断增大。当振幅大于射 流半径时，液体被剪切分散形成液滴。高速运动的液滴分散在气体中，它与气体 分子冲击和碰撞将能量传给气体，气体被加速和压缩。在这流动段内，液体变成 不连续介质，而气体仍为连续介质。 ( 三)泡沫流运动段 气体被液滴粉碎为微小气泡，液滴重新聚合为液体，气泡则分散在液体中成 为泡沫流。随着通过扩散管混合液的动能转换为压能，压力升高，气体被进一步 压缩。此时，液体为连续介质，气体变成为分散介质。由于液体的热容量比气体 大，故气体是在等温过程中受到压缩的。 1 3 2 液气射流泵分类 液气射流泵根据喷射方式、结构型式和用途等进行分类。 ( 一)按喷射方式分类 1 连续喷射：液体射流是连续的。目前，大多数液气射流泵均采用这种方 式。 2 旋流喷射：液体射流是旋转的，这样可以增加液气的接触面，并使液体 较快破碎分散为液滴，从而提高泵的传能效率。缺点是旋流发生器要消 耗一部分能量。 3 脉冲喷射：液体射流是不连续的，这样液气射流泵传能方式除了液滴的 碰撞以外，还有类似活塞( 流体) 式气体压缩机的传能方式。 ( 二)按结构型式分类 ( 1 ) 单喷嘴短喉管：这种射流泵传能效率较低； ( 2 ) 单喷嘴长喉管：它的传能效率较高； 上海海事大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 多喷嘴：由于增加了射流与气体的接触面积，所以传能效率较高。其喷 嘴数目为4 1 9 个，结构如图卜1 3 所示。 图1 - 1 3 多孔喷嘴射流泵示意图 ( 4 ) 环形喷嘴：该喷嘴的传能效率高，在不同的工作压力的作用下，工作介 质由环形喷嘴喷出进入吸气室，抽吸空气并一起进入混合喉管，逐渐形 成乳状液气混合物，空气在工作液体。活塞式”的作用下被压缩，通过 能量及质量交换，压力逐渐升高并一起经扩压管出口排出。 ( 三)按用途分类 1 射流式真空泵：用于抽真空，吸气压力小于大气压力。 2 射流式气体压缩机：用于压缩气体。 1 3 3 液气射流泵结构 液气射流泵由喷嘴、吸入室、喉管、喉管进口段及扩散管组成。 1 喷嘴：喷嘴将液体的压能转变为动能对射流泵的性能有较大的影响。常 用的型式有锥形收缩型喷嘴，圆薄壁孔口型喷嘴、流线型喷嘴、环形喷嘴及多孔 型喷嘴等。 2 吸入室：吸入室是喷嘴与喉管的连接部分，进气管与吸入室相连。吸入 室一般为圆筒状，其截面为喷嘴出口面积的6 l o 倍。 3 。喉管进口段：喉管进口段的作用是使气体平顺地进入喉管，其收缩半角 1 5 0 3 0 0 。 4 喉管：喉管使液体与气体混合进行传能及传质，是液气射流泵的重要部 件。其断面为圆形。其长度对短喉管射流泵为l 。= 6 8 d 3 ，对长喉管k 与面积 比m 有关。 5 。扩散管：扩散管是将液气混合液的动能变为压能，傻气体在扩散管中再 一次得到压缩。扩散角为a = 5 0 8 0 。 1 3 4 液气射流泵的相似律 ( 一)几何相似 两台液气射流泵的对应线性尺寸成比例，相对应角度相等，则这两台液气射 流泵为几何相似。它们的面积比相等。 。鼍求碰 上海海事大学工学硕士学位论文 ( 二)运动相似 两台液气射流泵的对应点速度成比例，则它们是运动相似。几何相似的射流 泵，若流量比相同，则它们的运动相似。 ( 三)动力相似 对于液气射流泵主要作用力除了摩擦力之外，还有表面张力和压力。因此要 满足动力相似条件，必须要雷诺数、韦伯数和欧拉数相等。 1 4 直接接触式国内外研究现状 1 4 1 国外直接接魅式研究现状矧。”1 矧m 1 由于直接接触式换热具有很高的换热效率，8 0 年代以来，直接接触式换热 技术开始受到蓄冷界研究人员的广泛注意和重视。1 9 8 2 年，t o m li n s o n 在其论文 中提到了提高蓄冷系统效率的一个重要途径为提高制冷剂和蓄冷介质之间的换 热效率，并于1 9 8 4 年提出了把直接接触式换热技术用于冰蓄冷系统的方案，并 进行了研究。尔后又把该技术用于气体水合物系统。通过对直接接触式蓄冷系统 与其它蓄冷系统的技术和经济比较，发现直接接触式蓄冷系统具有最高效率。 1 9 8 4 年，t e r n e s 在其论文中叙述了在美国橡树岭国家实验室内所建立的第一台 直接接触式蓄冷系统，该系统在其蓄冷部分只采用了开式循环，即在系统中不用 压缩机，而以热水槽置于冷凝器前和回收柜置于蓄冷罐后代替，系统应用制冷剂 r 1 2 进行了成功的运行，并观察到在两个相边界，制冷剂与水的液一液边界，汽 一液边界有气体水舍物产生，此外，文章中还讨论了机械搅拌的有效性及表面剂 对蓄冷罐内介质的过冷度的减小作用。 1 9 8 9 年，日本k e i o 大学m o r i 教授领导的研究小组在其直接接触式换热大 量研究的基础上，建立了一个直接接触式蓄冷试验台，该试验台没有放冷部分， 压缩机采用无油活塞式压缩机，并在蓄冷罐后装有干燥器，研究小组分别对制冷 工质r 1 2 、r 1 3 4 a 、r 1 2 3 等进行了