（制冷及低温工程专业论文）小型冰晶式蓄冷装置研究.pdf

上海海事人学硕士学位论文 摘要 近些年来，随着经济发展和人民生活水平的提高，人们对食品的品质要求也越来 越高，一门新的学科冰温贮藏保鲜技术也在逐渐兴起。在冰温贮藏技术中，冰浆 是一种良好的蓄冷介质，具有很好的流动性和载冷特性。同时，基于储运方便的设想， 采用冰浆作为载冷剂，相对传统的冰蓄冷而言更具有优势。目前，冰浆制取的技术瓶 颈就在于如何稳定而高效地制取冰浆。本文对冰晶生成前的单气泡换热理论、冰晶生 成前的单气泡生成理论、形成冰晶前的单相变容积换热系数的理论、形成冰晶后的双 相变结冰理论进行了理论研究，同时综述和比较了国内外各种形式动态制取冰浆的方 法，并结合工业的实际应用，设计并研制出了一台冰浆机，设计主要包括对冰晶生成 器换热器的设计计算、制冷循环的冷凝器设计计算、风机设计计算、载冷剂循环板式 换热器的设计计算、相应的板金设计等。同时，本文还设计了一套基于组态王的c a t 系统，搭建了冰晶式蓄冷系统实验台，进行了实验研究。研究分析了各种因素，包括 搅拌器、充气量、载冷剂进口温度等对溶液动态制冰过程的影响，得出了制冰量随各 种参数变化的关系曲线，最后通过优化各个参数提高了制冰量。 关键词动态制冰，冰晶，冰浆机 2 上海海事大学硕士学位论文 i n v e s t i g a t i o no ns m a l li c es l u r r ym a k i n gd e v i c e a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s 。a st h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n dt h ei m p r o v e m e n to ft h e p e o p l e sl i v i n gc o n d i t i o n s p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt ot h eq u a l i t yo ff o o d an e w s u b j e c t c o n t r o l l e df r e e z i n gp o i n tt e c h n o l o g yi sa l s og r a d u a l l yo nt h er i s e i nt h e c o n t r o l l e df r e e z i n gp o i n tt e c h n o l o g y ，i c es l u r r yi sa ne f f e c t i v ec o o l a n tw i t he x c e l l e n t c h a r a c t e r i s t i c s f o rt h ec o n v e n i e n c eo fs t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o n ，i c es l u r r y s y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e sc o m p a r e d w i t hc o n v e n t i o n a li c es t o r a g es y s t e m s ，s o w ec a nd e a lw i t hi c es l u r r yi ni c e - t e m p e r a t u r es t o r a g ed e v i c e s h o w e v e r , a tt h e p r e s e n tt i m e ，t h ec h o c kp o i n to ft h ed y n a m i ci c em a k i n gs y s t e mi sh o w t og e n e r a t e i c ec r y s t a lw i t h o u ti c ea d h e s i o no n t ot h eh e a te x c h a n g es u r f a c e i nt h i st h e s i s ，t h e s i n g l e b u b b l eh e a tt r a n s f e rt h e o r yb e f o r et h ei c ec r y s t a lf o r m a t i o n ，t h e s i n g l e b u b b l ef o r m a t i o nt h e o r yb e f o r et h ei c ec r y s t a lf o r m i n g ，s i n g l ep h a s ec h a n g e v o l u m eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tt h e o r yb e f o r et h ei c ec r y s t a lf o r m a t i o n ，d o u b l e p h a s ec h a n g e o ft h ei c ec r y s t a lf o r m a t i o nt h e o r ya f t e ri c ec r y s t a lf o r m a t i o na r e r e s e a r c ht h e o r e t i c a l l y t h e no r i e n t e da tp r a c t i c a li n d u s t r i a la p p l i c a t i o n ，an e wk i n d o fi c es l u r r yg e n e r a t o ri sd e s i g n e da n dm a d e t h ed e s i g ni n c l u d e si c eg e n e r a t o r h e a te x c h a n g e rd e s i g n ，t h ec o n d e n s e rr e f r i g e r a t i o nc y c l ed e s i g n ，t h ef a nd e s i g n ， c o n t a i n i n gc o o l a n tc i r c u l a t i o np l a t eh e a te x c h a n g e rd e s i g na n dc a l c u l a t i o n ，t h e c o r r e s p o n d i n gs h e e tm e t a ld e s i g na n ds oo n m e a n w h i l e ，t h et h e s i sa l s od e s i g n sa c a ts y s t e mb a s e do nk n g v i e wa n dd o e se x p e r i m e n t a lr e s e a r c h w i 胁a n a l y s i so f v a r i o u sf a c t o m ，i n c l u d i n gm i x e r s ，a e r a t i o nr a t e ，c o o l a n tt e m p e r a t u r ei nt h eo u t l e t c o n t a i n i n go nt h es o l u t i o no f t h ed y n a m i ci c e - m a k i n gp r o c e s s t h ee f f e c t so ft h ei c e v o l u m ec h a n g ew i t ht h ev a r i o u sp a r a m e t e r sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db yt h ed a t a c u r v e f i n a l l yw eo p t i m i z ev a r i o u sp a r a m e t e r st oi m p r o v et h ei c e - m a k i n gc a p a c i t y x uh a i q i n g ( r e f r i g e r a t i o na n dc r y o g e n i c se n g i n e r r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rt us h u p i n g k e w o r d sd y n a m i ci c e m a k i n g ，i c es l u r r y ，i c es l u r r yg e n e r a t o r 3 上海海事大学硕上学位论文 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和致谢外，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：刍幽日期：压司：笸：乡 论文使用授权声明 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：名撕 导师签名： 上海海事大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 近年来，随着经济的发展，生活水平的提高，消费者对食品的品质要求越来越高。 一门新的食品贮藏保鲜技7 f 一冰温贮藏保鲜技术正在兴起。其显著的优点是能够长 期有效地保持食品固有的风味和新鲜度，满足了消费者对食品的品质要求，在农产品 的贮藏保鲜方面是其它贮藏技术所不能代替的。因此近年来国内外都非常重视这项技 术在农产品贮藏中的应用研究。 一般的贮藏常是以温度为基准的，把o 以上的温度条件下的贮藏称为冷藏，主 要适用于有生命的果蔬。把o 以下的温度条件下的贮藏称为冻藏，主要适用于无生 命的食品贮藏。近年来，人们通过研究发现对于有生命的果蔬产品其冻结点并非是0 ，而是0 1 2 以下的某一温度，为此人们提出了冰温贮藏，即在o c 以下果蔬冻结点以 上这个温度范围内进行贮藏保鲜【1 1 。现在，冰温贮藏继冷藏和气调贮藏之后，作为第 三代保鲜技术在农、畜、牧、水产品的贮存运输以及医学等领域内被推广利用。在果 蔬贮存方面，梨、樱桃、李、柑橘、香蕉以及珍贵药材等的冰温保鲜都取得了成功。 近年来，该项技术在日本、美国、韩国、台湾等一些国家和地区获得了迅速发展，有 学者称冰温贮藏技术是农产品贮藏保鲜技术上又一次革命【2 】。果蔬的冷藏、气调贮藏 和冰温贮藏技术都是通过调节贮藏环境中的物理因素，为其创造一个适当的物理环 境。在此环境中，果蔬的新陈代谢将降至最低水平，用以延缓寿命。不同的是，冰温 贮藏技术还要挖掘果蔬本身的耐冻潜力。适熟的果蔬含糖量高，冰点低，耐冻性强， 风味好，但是适熟的果蔬在冷藏、气调贮藏条件下不耐贮，而采用冰温贮藏，在冰温 胁迫条件下，果蔬自身会通过代谢的转换与生理的调节来适应冰温条件，不冻液的形 成即延长了保鲜期，同时也提高了品质，增加了商品价值。 冷藏和气调贮藏都能保持果品、蔬菜的生鲜状态，与冷藏( 0 3 ) 相比，气调 贮藏不论在保鲜效果、保鲜期及保质方面都明显优于冷藏。但是，气调贮藏也有局限 性。其一，并非所有的果品和蔬菜都适合于气调贮藏；其二，气调贮藏需要一定的设 备材料和技术力量，成本较高，因而不易推广。同冷藏一样，气调贮藏也是只能保持 而不能提高水果、蔬菜等原有的品质，而冰温贮藏的优点在于，不破坏细胞，有害微 生物的活动受到抑制，呼吸活性低，保鲜期长，能够提高水果、蔬菜的品质，特别最 后一点是冷藏及气调贮藏方法都不具备的，原因是生物细胞在冰温胁迫条件下，为了 上海海事大学硕士学位论文 防止冻结和过多失水，由糖、高级醇、蛋白质组成的不冻液随即形成，这种不冻液与 各种农产品的品质、风味有着密切的关系。但是冰温贮藏也有缺点：其一，冰温、特 别是超冰温保鲜要求较高的技术难度；其二，投资较大，该技术的研究与开发需要适 宜的配套器材，这无疑会加大成本。 食品的冰温贮藏保鲜技术的应用有以下几个方面：第一，在果蔬贮藏保鲜方面的 应用。一般果蔬贮藏保鲜常用的方法是冷藏或气调，但是，由于适熟的果蔬在现有的 冷藏或气调贮存条件下，寿命较短，因而用于冷藏或气调贮藏的水果和瓜果类蔬菜通 常都提早采收，从而降低了其固有的风味，使品质下降。而冰温贮藏技术能够长期有 效地保持适熟果蔬的固有的风味和新鲜度，因此能够提高商品的价值【2 j 。研究表明， 适熟的果蔬含糖量高，冰点低，耐冻性强，风味好。但是，适熟的果蔬在传统的贮藏 条件下不耐贮。以“2 0 世纪”梨为例，采用冷藏法贮存适熟果实1 周至1 0 天之内， 梨的淡绿色消失，变成黄色。采用c a 贮藏确实有保绿效果，但短时间内会发生果心 褐变，味道变坏等现象，为克服这些现象则必须提早采收，这又自然会降低果品味道， 而冰温技术能克服上述不足，使适熟的“2 0 世纪”梨的保鲜期达到1 年之久。1 年后 出库时，不仅淡绿如初，而且含糖量由入库前的1 1 0 增至1 2 5 。另外，贮存新 鲜毛豆难度很大，其绿色及固有风味不易保持。在常温2 0 的条件下，其固有风味 到第二天就损失掉6 0 左右，在采收时每l o o g 中含有2 0 m g 以上的还原型v c ，但数 日后会迅速减少。所以在冷藏条件下只能保鲜1 0 1 4 天，而采用冰温贮存能保鲜3 0 4 0 天1 3 】。我国对于果蔬冰温贮藏也有研究，对于采收期集中、不耐贮而且对新鲜度 极为敏感的果品及蔬菜，如葡萄、桃、草莓等，应用了冰温技术实现长期保鲜，并且 已经取得了显著的效果 4 1 【5 】【6 】m 。第二，在动物性食品保鲜方面的应用。利用冰温范 围抑制动物性食品的腐败是冰温保鲜应用的另一个方面。冰温技术使大批量活物的长 途运输成为现实。在生态冰温的研究中，获得了在冰温状态下，海水鱼或淡水鱼都可 能长期活体保存的技术。在接近临界温度时，鱼的呼吸量显著降低，呈现冬眠状态， 从而研究了新的鱼类保存方法。这种新的活体保存方法，随着海水或淡水的冷却，以 鱼的体温降低为中心，通过种种附加条件的调节，可能成为不需要水的活体保存方法。 日本冰研所把经过冰温处理后进入冬眠状态的比目鱼装入集装箱，在无水条件下，经 5 0 多个小时从日本至纽约空运成功了。到达纽约后的比目鱼被重新放入海水后，经 十几分钟后便苏醒并欢快地游动起来嗍。冰温技术在各种肉类的保鲜贮运方面也已 大显身手 9 1 x o l 。 而冰温贮藏的关键技术就是创造并保持o 以下的冷冻环境。目前使用的制冷系 统主要是采用常规制冷系统和冰蓄冷系统。在目前能源危机的形势下，在冰温贮藏技 术中采用冰蓄冷系统，相比常规制冷系统具有很多的优点。近年来，我国制冷空调用 2 上海海事大学硕士学位论文 电每年增长约8 0 0 万k w ，制冷空调的用电量占总电力增长的6 0 以上。制冷空调用电 量占总电量的比例，一般在发达国家如美国的部分城市为2 0 4 0 ，在夏季用电高峰 时，我国北京等北方城市的制冷空调用电量占城市总用电量的1 6 1 8 ，广州、深圳 等华南经济发达城市则已超过3 0 ，而上海1 9 9 8 年夏天用于防暑降温的负荷达3 0 0 万k w 左右，占其最高用电负荷的4 0 左右，这个比例已接近工业发达国家的指标。 城市迅猛增长的空调需求更加剧了电力供应高峰不足而低谷过剩的矛盾，而蓄冷技术 的应用是改善电力供需矛盾的最有效的技术措施之一，它是在夜间用电低谷时，机组 运行制冷，将生产的冷量储存起来，然后在白天用电高峰时停止机组运行，而将储存 的冷量释放出来，这样既可实现“移峰填谷”，调整用电结构，改善电厂发电机组的 运行状况，降低燃料消耗，又可保证居民生活和工厂生产的正常用电。因此蓄冷技术 的研究和应用对于加强空调节能，合理利用能源并进一步改善能源利用率，促进能源 ，经济和环境的协调发展是相当重要的。因此，我国政府和电力部门十分重视鼓励空 调用户将低谷电能转移到高峰期来用。这样，在食品冰温贮藏技术中采用冰蓄冷系统 是有相当积极的意义的。 1 2 冰蓄冷技术的分类 1 冰盘管式 制冷系统的蒸发器直接放在蓄冷槽内，制冷剂在蒸发器的盘管内循环，吸收蓄冰 槽中水的热量，水的温度下降，最后在蒸发器盘管的外表面上结冰，如图1 - 1 所示。 蓄冷槽内应保持约5 0 以上的水，否则无法正常抽取低温水使用并进行融冰，故最好 使用厚度控制器或增加盘管中心距，以避免“冰桥”发生。 融冰过程如图1 2 所示。温度较高的冷冻水回水与冰直接接触，冰由外向内融化， 因此。可在较短的时间内产生大量的低温冷冻水。释冷量的大小取决于回水温度的高 低以及回水流量的大小。低温冷冻水的出水温度与要求融冰时间长短有关，一般来讲， 融冰时间愈长，出水温度愈低；融冰时间愈短，出水温度愈高。 3 上海海事大学硕士学位论文 圄 盛 图1 - 1 制冰过程 回水 低温水 制冷剂 设备 图1 2 融冰过程 蓄冷槽内结冰和融冰的均匀性是蓄冷和释冷效果好坏的一个重要因素。结冰密度 如果不均匀，则融冰释冷时会产生死角，空调处理设备回水自然从阻力最小且最易融 化的地方流过而融冰。为了使蓄冷槽内的结冰和融冰均匀，一般在槽内设置空气搅拌 器。空气搅拌器是利用管道的开孔将压缩空气送人蓄冷槽的底部，利用空气浮力使大 量气泡升起而搅动水流。在制冰过程中，水的扰动能使槽内的水温快速均匀降低，从 而可使盘管外的结冰厚度趋于一致。 在融冰释冷过程中，搅动又可使进入蓄冷槽中的水流分布均匀，加速冰的融化。 在融冰临近结束时，管外的冰已很薄，冰层之间间距相应增大，空气的搅动将避免水 流的短路，促进融冰的效果。 冰盘管式由于其融冰释冷速度快，所以，它非常适用于工业制冷和低温送风空调 系统使用。 4 上海海事大学硕士学位论文 2 完全冻结式 该系统是将冷水机组出来的低温乙二醇水溶液( 二次制冷剂) 送人蓄冰槽中的塑 料管或金属管内，使管外的水结冰。蓄水槽可以将9 0 以上的水冻结成冰。融冰时， 从空调负荷端流回的温度较高的乙二醇水溶液进入蓄冰槽，在塑料或金属管内流动， 将管外的冰融化( 见图l _ 3 和图1 4 ) ；乙二醇水溶液温度下降，再被抽回到空调负荷端 使用。 这种形式蓄冷设备的主要特点是蓄冰率口f 较大( 在9 0 以上) ，而且释冷速度也 比较稳定。 3 冰球式 冰球式蓄冷装置和冰盘管式蓄冷装置的主要不同点在于，后者的不冻液乙二醇水 溶液在盘管内流动，盘管外面的水在盘管外表面上结冰；而冰球蓄冷装置内，乙二醇 水溶液是在球与球之间流动，球内的水结冰。一般蓄冰球外壳用高密度聚合烯烃材料 制成，内部装填水和冰成核剂作为蓄冷介质，形状及大小视不同的厂家而异。为防止 冰形成后体积增大对壳体的破坏，通常在壳体内预留水冻成冰时所需的空间；或者球 表面做成多处凹涡，当结冰体积膨胀时凹处向外凸成平滑的圆球型。 图1 - 3 结冰过程图1 4 融冰过程 盘管 冰球的结冰过程和融冰过程详见图1 5 和图1 - 6 。 从图1 5 可以看出，6 1 ：2 左右的乙二醇水溶液在冰球外面流动，通过冰球壳体传 热，使球内的水温度下降，接着在壳体内壁结冰；冰层逐渐加厚，由于冰的传热性能 较差，随着冰层厚度的增加，处于内侧的水结冰速度愈来愈慢。从图1 - 6 不难观察到， 在融冰过程中，由于冰的密度比水小，所以，冰浮在水的上部。1 2 的乙二醇水溶液 首先通过冰球壳体向冰传热，在壳体内侧的冰先融化成水，冰块逐渐变小，水逐渐增 加。此时正如图所示，由于水下部受热，上部是冰块受冷，这时水的对流传热效果较 5 上海海事大学硕士学位论文 好，而冰块上部主要以传导为主。因此，冰球在蓄冷装置内，只要7 , - - 醇水溶液流场 分布均匀，释冷效果还是较好的。 1 5 结冰过程1 - 6 融冰过程 4 制冰滑落式 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( 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进行热交换，吸收热量而蒸发为气态制冷剂， 再被冷冻机组中的压缩机吸入，经压缩、冷凝和节流过程再供应给蒸发器作吸热作用， 而形成一个制冷剂循环过程。在冰水侧，冰水供应管路在蒸发器上方将冷水淋在蒸发 器表面上，再落入到蓄冰槽内，部分冷水流过蒸发器板表面时受到制冷剂的冷却而冻 结在其表面上。当冰层在蒸发器上逐渐冻结至一定厚度( 约6 8 m m ) 之后，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，利用加热方法使粘贴在蒸发器表面的冰融化为薄 层，使冰块从蒸发器表面上脱落，落入其下部放置的蓄冰槽中。 蓄冰情 图1 7 制冰过程 6 空 调 区 换 热 器 上海海事大学硕士学位论文 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 - 8 r a 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 。 其制冰、融冰过程如图l - 7 和1 - 8 所示。 在该系统中，由于片状的冰具有很大的表面积，热交换性能好，所以有较高的释 冷速率。通常情况下，蓄冷槽内即使有8 0 - - 9 0 的冰被融化，仍能保持释冷温度 不高于2 c 。由于其释冷速率大，尤其适合于高峰用冷的场合，而且可以用于温差大 ( 1 3 ) 的冷冻水供给的低温空调系统。 蓄冰槽 图1 8 融冰过程 5 冰晶式 冰晶式冰蓄冷空调系统，是一种将低浓度载冷剂溶液( 通常为乙二醇溶液) 经制 冷机组，冷却至冻结点温度以下使载冷剂溶液产生非常细小均匀的冰晶。生成的冰晶 直径约为1 0 0 微米，其与载冷剂溶液形成泥浆状的物质，被称为冰泥，也称二元冰。 冰晶经泵输送至蓄冰槽而储存相变潜热以提供尖峰负荷的需求。 该系统生成的冰晶比较均匀，不会产生冰死角和冰桥。冰晶直径小，总的换热面 积大，融冰释冷速率快。冰晶可被泵送，蓄冰槽的位置布置方便。但其制冷能力比较 小，尚不适用于大型系统。 具体情况将在下节详细介绍。 1 3 冰晶蓄冷简介 蓄冷技术在空调制冷领域有着非常广阔的应用前景，冰晶蓄冷又是其中的一种有 效形式【川。所谓冰晶( i c e - - s l u r r y ) 又称冰浆或冰泥，是一种水、冰晶粒子和添加 7 上海海事大学硕士学位论文 剂( 如乙二醇、氯化钠、乙醇) 的混合物，同时由于其流动性很好，能够被泵送，因 此也叫“流动冰”或者叫“可泵送的冰”。采用冰晶作为载冷剂，主要目的在于通过 冰晶粒子的瞬间相交释放大量的潜热从而快速的相应热负荷。 冰晶粒子的直径大约在1 0 0pm 与1 2 r a m 之间。冰晶混和溶液有着很好的流动性 能，能够像普通流体一样在管道内运输或者在冰槽中贮存。由于传热过程中的相变特 性，采用冰晶流体能大大提高供冷量，或者保持原来的冷量，大大缩小流量和管径， 运行费用也可以大为节省。另外，由于冰晶混和流体的安全性和对环境的无污染性， 以及充分利用电力夜间制冰，节约电力费用等优点，使得冰晶系统在技术上和经济上 都具备一定优势。同时，冰晶又是一种多用途的冷媒。通过对含冰率进行简单的调整， 就可使冰晶应用于不同领域。当含冰率在2 0 - 2 5 时，冰晶像普通冷却水一样流动， 但它却提供了5 倍于冷却水的冷却容量；当含冰率在4 0 - 5 0 时，它表现出粘稠冰泥 的特性；当为6 5 - 7 5 时，冰晶会同软冰淇淋一样。当以干冰的形式产生时( 即1 0 0 的冰) ，它会呈非粘接冰晶形式，可直接用于任何产品和过程中 冰晶式蓄冷系统是一个“动态型”制冰系统，相比于其它动态型系统，它具有“可 泵送”这一特性。冰晶式蓄冷系统紧凑的装置设计和冰晶式蓄冷系统的“可泵送”特 性为蓄冰槽的地点选择和经济的产量为其应用提供了巨大的灵活性。蓄冰槽可以放置 于建筑物的下面、旁边、里面或者顶部，能被制成任何形状和尺寸来匹配建筑物和满 足建筑要求。 冰晶没有冰桥和冰死角的缺点。因为它是由微细的冰晶粒子( 冰晶粒子一般为 0 0 5 0 1 5 m ) 组成，热交换面积相比于普通的制冰系统是很大的。当载冷剂返回蓄 冰罐时，可随冰晶的融化被有效及时地冷却。即使空调负荷变化较大，由于冰晶粒子 的良好换热效果，载冷剂的温度变化波动不大，所冰晶系统确保了稳定和准确的载冷 剂出口温度。 在冰晶式蓄冷系统中，载冷剂的进出口焓差大，人的热舒适感增强。对典型的含 冰率为2 0 的冰晶式蓄冷空调，载冷剂的进出口温差为- 2 1 0 、焓差为1 4 0 k j k g ， 而常规空调系统为7 1 2 、焓差为2 1 k j k g ，则前者为后者的6 7 倍；由于冰晶具 有良好的流动性，其可直接送至空调用户，实现低温送风。采用低温送风后，可大大 减小风管、换热器的尺寸和风机的耗电量，降低空调系统的初投资，与常规空调相比 更具竞争力。在相同的热舒适感条件下，低温送风可适当提高室内空调温度，减少空 调冷负荷；另外，冰晶空调系统的维护管理很方便，减少了其运行费用。 以冰晶作为介质的蓄冷空调不仅具有普通蓄冷空调的优点，而且制冰过程连续， 制冷过程不需融冰、除霜。另外，由于冰晶具有良好的流动性能，可直接送至空调用 户，空调用户进而可采用大温差送风，或低温送风。采用低温送风后，空调换热器、 8 上海海事大学硕士学位论文 风管、风阀、风机等设备可大大减小，因此空调系统的投资大为降低，维护管理更方 便。另一方面，随着城市集中供冷供热( d h c ) 正在逐步取代传统的分散锅炉房和冷 冻站，在d h c 网络的基础上扩大发展供冷用户区域，所需增加的管网投资和水泵电 耗非常可观，常规冷冻水( 7 1 2 ) 管网的输送能力太低，以渐渐成为集中供冷技术 推广的障碍。若采用冰晶作为集中供冷输送冷量的介质，管网的输送能力大为提高， 管网投资和水泵电耗也相应降倒1 2 1 。 随着冰晶制取装置的改进和先进设计理念的提出，冰晶成为了常规载冷剂制冷系 统载冷剂的有力竞争。近年来，无论从舒适型制冷、商业冷冻到工业产品过程和机器 的冷却，冰晶式蓄冷装置都得到了成功的应用【廿l 。这些大小不一、安装灵活的蓄冷装 置满足了小至几个千瓦大到兆瓦级的高层建筑、船舶和工厂的冷量需求。 1 4 本文主要研究内容 1 通过总结分析前人研究成果，选择本文所需要的制冰方式和载冷剂以及蓄冰 溶液的组分。 2 在理论上对冰晶生成前的单气泡换热理论、冰晶生成前的单气泡生成理论、 形成冰晶前的单相变容积换热系数的理论研究、形成冰晶后的双相变结冰等理论进行 分析和验证，为冰浆机的设计计算打下了理论基础。 3 制冷循环的冷凝器设计计算、风机设计计算、载冷剂循环板式换热器的设计 计算、相应的板金设计，并设计一套测控系统。 4 对设计制作的系统进行相应的实验，并通过分析实验数据，得到本系统换热 效果和制冰性能的影响因素。 9 上海海事大学硕士学位论文 第二章冰晶式蓄冷系统蓄冷介质和制取方式的选择 2 1 冰晶式蓄冷系统的特点及工作原理 冰晶式蓄冷系统是一种连续制冰动态蓄冷方式。其工作原理是通过冰晶制冷机将 低浓度的乙二醇水溶液冷却至o c 以下，然后将此状态的过冷水溶液送入蓄冰水槽， 溶液中特殊的晶核使水出现“冰析”现象，可分解出o c 的冰晶。这种过程犹如自然 界降过冷态的雨，着地立即形成“雨冰”：如果过冷温度为一2 ，即可产生2 5 的直 径约1 0 0 | i m 的冰晶。 冰晶式空调系统的组成和流程详见图2 - 1 中的( a ) 和( b ) 。其低浓度的乙二醇水溶 液的循环在两个环路中进行。制冰时，蒸发器4 一蓄冰槽5 - - * - 蓄冰泵6 一蒸发器4 ；融 冰时，蓄冰槽5 - - 融冰泵7 一空调箱8 一蓄冰槽5 。制冷机组是经过特殊设计的，乙二 醇水溶液经过蒸发器被冷却到冻结点温度以下，乙二醇水溶液产生非常细小的而且比 较均匀的冰晶：直径约为1 0 0 l lm 的冰晶与乙二醇水溶液在一起，形成泥浆状的物质， 故也称为冰泥。冰泥被蓄冰泵6 泵送至蓄冰槽内储存起来，有空调冷负荷要求时，取 其相变潜热和少量的显热以达到和满足空调冷负荷的要求，详见图2 - 1 中的( b ) 。 这种系统不像制冰滑落式，冰结到一定程度时，需要热的流体流过，使冰脱落下 来。蓄冰晶槽也不像冰球式或盘管式，在其内设置大量冰球和金属的或塑料的盘管。 因而蓄冰晶槽构造很简单，只要有足够的强度、足够的蓄冷量容积和良好的保温即可。 冰晶式空调蓄冷系统中，由于生成的冰晶直径小而且较均匀，因此，总的换热面 积大，融冰释冷速度快。由于冰晶是比较均匀地混合在乙二醇水溶液中，所以，它不 像其他冰蓄冷系统容易在冰桶或冰槽内产生冰桥和死角，所以，制冰和融冰速度快而 且稳定，同样的管径可输送较大的冷量。 该系统特点是制冷循环效率高、性能稳定，冰蓄冷槽的设备简单。其难点是冰晶 的生成从材料配方和结冰均含有高技术问题。 上海海事大学硕士学位论文 ， 2 2 冰晶制备方法 ， l 知 图2 - 1 冰晶式蓄冷空调系统流程图 2 2 1 过冷水制冰i - 4 1 纯水在一定的冷却速率下，达到冰点温度后，不会马上结冰，而会出现过冷现象。 水的冻结曲线也显示，过冷期会持续一定的时间，直到核胚形成，达到晶核的临界尺 寸，成核才会出现。过冷水处于一种亚稳定状态，当达到一定的过冷度时，会自发地 出现成核现象。成核包括均质成核与异质成核，影响成核的因素一般包括：冷却速率、 基底材料、水的洁净度、环境温度与扰动等。 上海海事大学硕上学位论文 过冷水动态制冰技术主要是利用水的过冷现象进行动态制冰，过冷水动态制冰系 统通常包括三部分：过冷却器、过冷解除装置和蓄冰槽。过冷水动态制冰系统循环示 意图如图2 2 所示。在过冷水动态制冰过程中，水与制冷剂之间始终保持较高的换热 系数和较低的换热温差，系统制冰效率较高，能量损失较少。 9 图2 2 过冷水动态制冰系统循环示意图 定符号说明： 温度测点 压力测点 流量计 电加热 过滤器 上海海事大学硕士学位论文 图2 - 3 是过冷水动态制冰的示意图。水在过冷却器中被冷却达到过冷状态( 低于 0 但仍保持液态) ，过冷水的过冷状态消除后成为冰水混合物，其中的水被分离出 来继续在系统中循环。过冷水动态制冰制出的冰通常称为泥状冰或冰激凌式冰，是一 种冰水混合物，其中的冰晶呈细小的片状或针状。 (a)(b) 图2 - 3 过冷水动态制冰示意图 国内外学者对水结冰时的过冷问题进行了大量研究，曾经早在1 9 4 8 年的时候， s m i t h - j o h a n n s e n 通过实验发现人造石墨乎l ( c o l l o i d a lg r a p h i t e ) 的成核特性比碘化银( a g i ) 更优良【1 5 l ；s e i j io k a w a 等对不同的碘化银粒径的成核特性作了研究，得出粒径越小， 成核特性越好的结论【1 q ；同时，他们也对电解液抛光铜、金盘、磨光铜、镍盘、多孔 铜、硅树脂、特氟隆和丙烯酸这些不同材料表面对过冷度的影响做了研究1 1 7 1 ；s i h l i c h e n 等对铁矿砂、铁屑和碘化银三种不同成核剂在不同温度、不同质量含量下的成 核性能作了研究【1 捌；日本的斋藤彬夫和稻叶英男通过大量的实验，对静止情况下影响 过冷水过冷度的因素进行了研究，斋藤认为，在外界条件一定时，结冰的发生不是一 个确定的事件，他提出了用概率的方法描述结冰的发生与过冷度之间的关系，并发现 对流、振动对过冷度的影响不大，但突然的冲击会促使结冰的发生：稻叶得出过冷度 与体积、容器材质、壁面粗糙度、冷却速度及是否含杂质等因素有关1 1 9 1 。 近几年，国内学者在冰蓄冷过程中水结冰时存在的过冷问题也进行了大量研究， 中国科学技术大学的方贵银认为冰晶的成核过程主要由热力学条件决定，而冰晶的生 长过程主要由动力学条件决定，若要产生由液相向固相转变( u p 结冰1 的自发过程，必 须使液体过冷到某一温度，即液相的吉布斯函数大于固相的吉布斯函数f 捌；重庆建筑 大学城市建设学院的孙纯武等对添加剂质量含量的多少对过冷度的影响进行了实验 研究【2 1 i ；浙江大学的王威等利用超声波来减小水的过冷度，并作了相应的实验研究 【矧。 上海海事大学硕士学位论文 2 2 2 机械刮冰式制冰 机械刮冰式主要有两种类型【2 3 1 ，一种是机械刮刀式，一种是旋转刮棒式，如图 2 4 所示。在机械刮刀式冰晶生成器中，制冷剂在两同心圆柱筒之间的壳体中蒸发吸 热；同时，蓄冰溶液在内筒流动，放出热量，并在换热面上生成大量冰晶。这些冰晶 被置于圆柱筒内的以一定速度旋转的机械刮刀刮落，与溶液混合形成冰浆，最后流出 冰晶生成器，储存在蓄冰槽中。机械刮刀式冰晶生成器运行可靠稳定，换热系数大， 技术成熟；但是单位体积的换热面积小，耗电量大、材料易磨损，要定期更换机械刮 刀或旋转刮棒。 r 枷岫哪嗣m r y ho m i 图2 - 4 机械刮刀式制冰示意图 2 2 3 流化床式制冰 流化床换热器原本是一种用来防止换热器结垢的自清洗换热器，后被m e e w i s e 和i n f a n t ef e r r e i r a 2 4 l 移植用于冰晶生成器。其工作原理与前面所述的机械刮冰式 的原理相似，如图2 - 5 所示。二者不同之处在于，流化床式冰晶生成器用分布于其管 道内的钢铁和玻璃颗粒来代替机械刮冰式冰晶生成器中的机械刮刀或旋转刮棒，起到 防止生成的冰晶粘附在管道内侧换热面上的作用。这些颗粒受管内上升流和重力的作 用分布在管内，通过与管壁的碰撞来破坏结在管壁上的冰层。这个连续过程减小了冰 层热阻，破坏了换热面的边界层，以防止冰粘附在换热面的同时，提高了换热器的换 热系数。 理论和实验研究表明f 2 5 1 ，换热器的尺寸、颗粒的填充率和传热温差的控制对冰 晶的稳定生成有很大的影响，而冰晶生成后对换热器的换热系数影响不大。流化床换 热器的制造和维护成本低，换热系数高；但是结构不够紧凑，单位体积换热面积较小。 1 4 上海海事大学硕士学位论文 弘 图2 - 5 流化床式制冰示意图 2 2 4 涡流式制冰 涡流式冰晶生成器能在其内部生成涡流。在涡流式冰晶生成器内部需要涂上一层 特殊的材料使得粘在表面上的冰晶容易被湍流流体中涡旋冲走。当涡流式冰晶生成器 中产生的涡旋大小与冰晶的大小相当时，涡旋对粘附在壁面的冰晶去除效果较好，其 除冰机理与冰晶的共振有很大关系【硐。 2 2 5 直接接触式制冰 直接接触式冰晶生成器是由c h u p a r d y 和f o r t u i n z 月发明，他们通过让制冷剂和 水直接接触换热制取冰晶，其工作原理如图2 - 6 所示【硐。液体制冷剂小液滴通过喷头 进入冰晶生成器( 蓄冰槽) 的底部，蒸发吸收冰晶生成器中水的热量。蒸发后生成的 气体通过浮力上升，这些气体在液面收集、干燥后回收进入压缩器，开始下一个压缩 制冷循环。制得的冰晶也由于密度差的作用，上浮聚集在液面。这种制取冰晶的方式 由于制冷剂雾化成小水滴直接与水接触换热，大大增加了水结冰过程的传热面积，减 小了冰层的热阻。 s u b b a i y e r 等i 四】通过模拟发现，用该种方式制冰的耗电量是在相同条件下冰盘管 制冰耗电的5 0 6 0 。k i a t s i r i r o a t 等用r 1 2 、r 2 2 ，r 1 3 4 a 为制冷剂对其进行了实 验研究，并用集总参数法建立模型对制冰过程中水的温度进行了预测，最后建立了无 量纲准则关系式，为系统研究提供了可靠的实验依据。 该种冰晶生成器可以达到很高的热力效率，制冰速度快，制冰设备简单，比较适 用于小型的蓄冷系统。然而，在制冷剂的雾化机理、制冷剂液滴、气体、水、冰晶组 成的多相介质传热特性、喷头处结冰堵塞等方面还有待于进一步研究。 上海海事大学硕士学位论文 图2 - 6 直接接触式制冰原理图 2 2 6 溶液连续式制冰 该方法是对过冷水动态制冰的改进，以加入了某些添加剂后形成的水溶液代替纯 水作为蓄冰溶液，制冰流程原理与过冷水动态制冰相似，将在本文第二章中详述。采 用二元溶液后能使冰浆生成器在更宽广的制冰热流密度范围内进行，从而保证系统具 有较好的稳定性：制取的冰晶具有更好的储存特性和输运特性。 该种制冰装置结构紧凑，单位体积换热面积大；且内部无运动部件，因此无机械 磨损，使用寿命长，噪音低，相对过冷水连续式制冰，其稳定性更佳；可以通过常规 的标准换热器改造而成。但是，由于在蓄冰溶液中加入了添加剂，其成本大幅上升， 且添加剂对冰浆流动换热性能的影响还待更广泛深入的研究。 2 2 7 各种制冰方式的比较 从制冰方法来看，机械表面刮擦式和流化床式冰浆生成器的制冰原理比较相似， 都是通过固体和固体的接触来消除粘附在换热面上冰晶。因此，它们的临界热流密度 都较大，稳定性高；但是由于换热器中存在运动部件，其机械磨损都比较大。过冷水 制冰与溶液连续式制冰这两种制冰方式在原理上基本相似，只是在溶液连续制冰的过 程中加入了表面活性剂和其他添加剂，以至于冰晶即使在这种冰浆生成器中产生，也 不容易产生冰堵，提高了稳定性。表2 - 1 给出了各种冰浆制取方法的比较结果。 1 6 上海海事大学硕士学位论文 表2 - 1 各种冰晶制取方式的比较 过冷水制机械刮冰流化床式涡流式制直接接触溶液连续 冰式制冰 制冰冰式制冰式制冰 换热系数低 高高高 由 蒸发温度高低 低 高 高 耗电量低高 d b 低 低 单位体积中小中大大 换热面积 磨损小大中小小小 临界热流小大 中 小 密度 稳定性低高中 中中 应用规模大中 由 小 大 经济成本低 由 中低 高 技术成熟低高 由 低低 低 2 3 冰晶式蓄冷系统蓄冷介质理论与选择 2 3 1 介质蓄冷理论 对于显热蓄冷方式，冷量的储存或释放通常可通过温度的变化来实现的，其变化 关系可以表示为： q - 坼c ，d t ( 2 _ 1 ) 其中：q _ 储存或释放的冷量 旷介质的质量 t - 喻质的温度 o 价质的比热容 由式( 2 一1 ) 可知，为了提高蓄冷罐所能储存的冷量，可以采取增加蓄冷介质的 质量或选择比热容较高的介质，或增大蓄冷介质工作温度变化范围来达到此目的。比 热容是物性参数，各种蓄冷介质的比热容总是在一定的界限之内，可以选择某一蓄冷 介质使其比热容得以变化。蓄冷介质的质量从理论上来说，其选择没有任何限制，但 在其实际应用中，它总是受到其价格、其它辅助设施、现场条件及空间等的限制，因 1 7 上海海事大学硕士学位论文 此蓄冷介质质量的选择实际上总是有一上限。因此，对于一般的蓄冷器来说，温度变 化范围是一个重要的参数，它直接影响蓄冷器的经济性，温度变化范围越大，对于需 要一定冷量的蓄冷罐来说，可相应地减少对蓄冷介质质量的需求，蓄冷罐的容积也可 以减小，其制造费用可以降低：相反，若温度变化范围减小，则蓄冷介质质量的要求 就会增加，蓄冷罐的容积也变大，其制造费用也要增加。所以对于常规的蓄冷器来说， 介质工作温度的变化是蓄冷器能够正常工作的必要条件。正由于常规蓄冷器需要较大 的温度变化范围，即需较大的温度差，从而使得热交换过程中出现较大的不可逆损失， 而较大的温度变化范围对于能量的有效利用来说是很不利的，应该尽量避免出现。使 用相变蓄冷器，能够在很大程度上克服这种缺点，同时还能提高蓄冷器的蓄冷密度。 相变蓄冷器的温度工作范围比常规的无相交蓄冷罐要小得多。其蓄冷量可表示为： ft q - m c 2 c p d t + m l 。+ m c 2 c p l d t ( 2 - 2 ) - 。ll s 其中：t r 蓄冷介质的相变温度 艮- 蓄冷介质处于固态时的比热容 i 广蓄冷介质的固化热 曙莒冷介质处于液态时的比热容 一般的情况下，蓄存的冷量可分为显热部分和潜热部分。显热部分是将液体蓄冷 介质从初温t 2 冷却到相变温度t 。和把固态蓄冷介质从相变温度t 。冷却到终温t 。，这 两个冷却过程的冷量之和，潜热部分可以是气相转变成液相的液化热或液相变为固相 的固化热。由于在气液转化时体积变化极大，用来进行冷量的储存操作起来很不方便， 在蓄冷空调中一般是指液相转变成固相时所放出的固化热。选择相变蓄冷介质时，应 使相变蓄冷器的温度变化差值t = t 厂- t ，尽量小，若t 过大，则失去了意义。在相 交工作过程中，固化热一般都很高，显热的成分一般很小，因此其换热过程中的不可 逆损失可减小到较小的程度。 2 3 2 蓄冷介质的选择 蓄冷介质就是储存冷量的物质，利用它的相变就可以进行冷量的储存和释放，所 以说蓄冷介质是蓄冷技术的关键因素。 虽然有大量的有机物质和无机物质能在所需温度范围内发生相变，放出大量的热 量，但是要将这些物质作为蓄冷介质，还必须具有良好的热力、动力和化学性质，此 外，还要考虑它的经济性和应用可行性。 1 对热学性质的要求 上海海事大学硕士学位论文 ( 1 ) 介质必须具有适当的相变温度。这是相变蓄冷中考虑的首要问题。因为相变 温度必须与被冷却介质保持一定的温差，方可使用。 ( 2 ) 较高的相交潜热。这样可减少蓄冷介质的数量，降低成本，还可缩小蓄冷设 备的体积，减少占地面积。 ( 3 ) 较低的蒸汽压、较高的密度，且相变前后体积变化比较小。 ( 4 ) 与换热有关的热物理性质良好。包括导热系数、比热容、粘度、普朗特数等。 2 对化学性质的要求 长期的化学稳定性；与结构材料能兼容；不燃烧、不爆炸、无毒、对环境无污染 作用。 3 对相变动力学特性的要求 ( 1 ) 要有很好的相平衡性质，不会发生相分离。 ( 2 ) 在凝固过程中，不会产生大的过冷现象。 ( 3 ) 由于过冷会带来很多麻烦，因此可在相交材料中添加某些核化剂，以降低材 料的过冷度。 ( 4 ) 有较高的固化结晶速率。 4 对经济性的要求 来源较广泛，价格较低，以利于降低成本。 2 4 添加剂的选择 作为冰蓄冷的储能和能量输送系统中的流动工质，冰晶具有良好的流动性和较大 的单位