（制冷及低温工程专业论文）液液循环流化床制取流体冰关键问题研究.pdf

中文摘要 中文摘要 液液循环流化床制取流体冰方法是一项全新的动态制冰技术，该方法基于流态化技术完 全流动换热的特点，实现制冰过程中循环流动载冷液体与液滴的直接接触换热，具有较高的 热力效率，以及所制取的颗粒流体冰具有易于输送、蓄冷密度大等特点，在冰蓄冷空调技术 中的应用前景非常广阔。但是要实现新方法制取流体冰目的，需要解决流态化制冰过程中所 涉及的液液雾化，液滴的运动、碰撞与相变，循环流化床的流场与温度场分布以及制冰过程 的冷量合理利用等问题。本文基于试验和数值模拟手段，对液一液循环流化床制冰过程所涉及 的关键性问题进行了系统深入的研究，研究结果为新型制取流体冰方法的实现和系统运行具 有重要的指导意义。本文主要由以下五部分组成。 建立了液液雾化界面追踪模型，从液液界面运动、变形和破碎的角度，对低温流动环 境液体中射流液体( 水) 的高雷诺数射流雾化特性进行了研究，获得了射流发展和破碎的细节 变化过程，再现了试验过程中出现的卫星液滴、串珠单液滴、不规则液团和长条形液柱等现 象，模拟结果与试验观察到的现象非常一致；揭示了液液雾化的结构和运行参数对射流形成、 发展、破碎以及形成液滴过程的影响机理，并发现随射流液体流量的增大，形成液滴过程的 射流破碎形状是由串珠单液滴向不规则液团转变。继而发展为长条形液柱形式，模拟结果所 展示的规律性与试验结果相当吻合。 在所建立的液液雾化试验台上。采用数字图像采集与处理方法得到了反映液液雾化形 成液滴过程的图像和射流长度与液滴粒径信息，对所得到的信息进行统计分析发现了射流特 性对液滴粒径分布的影响机理，以及循环流化床运行参数影响形成液滴粒径分布的规律；通 过p e a r s o nf 拟和优度检验方法确定了液滴粒径分布的经验分布函数：r o s i n - r a m m l e r 分布， 并基于r o s i n r a m m l e r 分布的平均粒径和分布参数的变化规律揭示了流化床运行参数组合与 液滴粒径分布之间的联系；另外，比较了常温和低温两种温度工况下液一液雾化特性，发现射 流特性与液滴粒径分布与环境液体温度具有很强的相关性，并指出了两种环境液体温度下射 流破碎形成液滴机理的差异。 为了充分掌握循环流化床内颗粒的沿程运动特性，基于流态化技术建立了液一液循环流化 床制冰试验台，采用高分辨率数码c c d 对循环流化床三个不同高度上的颗粒运动过程进行了 快速摄像，通过逐帧分析c c d 图像，获得不同高度上颗粒的粒径分布信息，定义了四种典型 的颗粒运动特征：颗粒的分散、聚团、粘连和聚并，在此基础上揭示了颗粒运动特性的沿程 变化规律，以及循环流化床运行参数及其组合对颗粒沿程运动特性的影响规律；发现颗粒在 循环流化床1 o m 以下高度内运动时具有普遍的聚团和聚并特征，并依据颗粒在循环流化床内 的主要运动特征对运行参数区域组合进行划分，获得了颗粒运动特性的转变规律。 为了研究液液循环流化床内液滴、冰颗粒与循环载冷液体之间的多相流动与传热机理， 东南大学博士学位论文 在欧拉拉格朗日方法的基础上，建立了改进的颗粒轨道模型，模型能够解决相问动量、能量 耦合，颗粒的相变及其相互作用以及颗粒的附加力影响，采用自编的c 十+ 程序专门处理颗粒 的相变、附加力、传热模型及其与周围载冷液体的传热耦合过程，将其作为用户自定义函数； 加入f l u e n t 的计算模型，对f l u e n t 进行二次开发；在此基础上进行的数值模拟研究，获得了 颗粒的终端速度，颗粒的相变状态、停留时间、浓度和速度分布，以及循环流化床的流场与 温度场分布特征。 基于稳定流动系统的炯平衡方程与炯损失计算理论，建立了与液液循环流化床的进出口 参数相关的炯损失和炯效率计算模型，结合颗粒轨道模型，得到了不同的循环流化床运行参 数条件下过程传热量和过程炯损失的变化规律，发现了循环流化床运行参数对制冰过程中冷 量利用的“量”与“质”的影响规律，并从冷量合理利用的角度对制冰液一液循环流化床的运 行参数的优化选取指明了方向。 关键词：动态制冰；液一液循环流化床；液一液雾化；界面追踪模型；流动与传热特性；炯分析 英文摘要 a b s t r a c t l i q u i d l i q u i dc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ( l l c f b ) t h a ta p p l i e dt og e r a t el i q u i di c e i san o v e l d y n a m i ci c e - m a k i n gm e t h o d w h i c hw i l lb eaw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti ni c et h e r m a ls t o r a g ea i r c o n d i t i o nb e c a u s eo fn oi c el a y e rf o r m a t i o no nt h ec o o l i n gs u r f a c e ，d i r e c tc o n t a c th e a tt r a n s f e r b e t w e e np a r t i c l e sa n dc o o l a n ti ni c e - m a k i n gp r o c e s s ，a n de a s yt ot r a n s p o r t , h i g h e rc o o l i n gc a p a c i t y , e t e h o w e v e r , w i t ht h en e wi c e - m a k i n gm e t h o di ni t s e l f , t h e r ea v e r yc o m p l e xa n dk e y m u l t i p h a s ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rp r o b l e m sn d o dt or e s e a r c h ，c o n c e r n i n gf o r m a t i o n , m o t i o n , h e a t t r a n s f e ra n dp h a s ec h a n g eo f d r o p l e t sf l o w i n gu pw i t hc o o l a n t , t h et e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yf i e l do f l l c f b ，c t c ，a n dt h e s ek e yp r o b l e m sa r eg e n e r a l i z e di n t ot w oa s p e c t s ，ak i n do fl i q u i d ( w a t e r ) a t o m i z a t i o ni na n o t h e ri m m i s c i b l ef l u i dc o o l a n ta n dm u l t i p h a s ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rb e h m n d r o p sa n dc o o l a n t t h ep r e s e n tw o r ki sd e v o t e dt or e v e a l i n gc o m p l e xl i q u i d - l i q u i da t o m i z a t i o na n d m u l t i p h a s ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fl l c f bb ye x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t i o n a p p r o a c h e s ，a n da l lr e s u l t sc a na l s ob eu s e di nt h ei c e - m a k i n gs y s t e md e s i g na n do p e r a t i o n a n dt h e t h e s i sc o n s i s t so f t h ef o l l o w i n gf i v ep a r t s ： a l i q u i d - l i q u i da t o m i z a t i o nm o d e lh a sb e e np r e s e n t e db a s e do nt h ev o l u m eo ff l u i di n t e r f a c e t r a c k i n g b yt r a c k i n gt h em o t i o n ，d i s t o r t i o na n db r e a k - u po fl i q u i d - l i q u i di n t e r f a c e , t h e d e t a i l p r o c e s so f j e td e v e l o p i n ga n db r e a k i n gu pw a so b t a i n e d ，a n ds o m et y p i c a lp h e n o m e n aa p p e a r e di n e x p e r i m e n t , s u c ha ss a t e l l i t ed r o p l e t s , s i n g l eb e a d - d r o p l e t , 姗e g n l a rl i q u i da g g l o m e r a t ea n ds t r i p l i q u i dc o l u m n ，t r u l yr e a p p e a r e di nt h es i m u l a t i o n j e ta t o m i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f w a t e r w i t hh i g h r e y n o l d sn u m b e ri nt h el o wt e m p e r a t u r ea n df l o wc o o l a n ta n dt h ee f f e c to fg e o m e t r i c a la n d o p e r a t i n gp a r a m e t e r so fl i q u i d l i q u i da t o m i z a t i o no nt h ep r o c e s so f j e tf o r m a t i o n ，d e v e l o p m e n ta n d b r e a k u pa n dd r o pf o r m a t i o nh a v eb e e nr e v e a l e d m o r e o v e r , t h es i m u l a t i o nr e s u i t sh a v eb e e na l s o r e v e a l e dt h a tw i t hi n c r e a s i n gt h ef l o wr a t eo f j e tl i q u i d ，j e ts h a p e so fd r o pf o r m a t i o nc h a n g e df r o m s i n g l eb e a d d r o p l e tt oi r r e g u l a rl i q u i da g g l o m e r a t e a n dt h e nt os t r i pl i q u i dc o l u m n , w e r ea g r e e d w i t ht h ee x p e r i m e n t s a l i q u i d - l i q u i da t o m i z a t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e mw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h ee x p e r i m e n t sw e r e o b t a i n e db a s e do ns p e c i a li m a g ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，s u c ha st h ei m a g e so fd r o p l e t s f o r m a t i o n ，j e tl e n g t ha n dd r o pd i a m e t e r t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nj e tc h a r a c t e r i s t i c sa n dd r o p l e t s f o r m a t i o na n dt h ee f f e c to fo p e r a t i n gp a r a m e t e r so fl l c f bo ns i z e sd i s t r i b u t i o no fd r o pf o r m a t i o n h a v eb e e nr e v e a l e db ys t a t i s t i c a la n a l y s i s b yt h em e t h o do fp e a r s o nft e s t , ak i n do fe m p i r i c a l d i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ，r o s i n r a m m l e rd i s t r i b u t i o n , w a sd i s c o v e r e d , a n db a s e do nm e a nd i a m e t e ra n d s p r e a dp a r a m e t e ro fr o s i n r a m m l e rd i s t r i b u t i o n ，t h er e l a t i o n s h i p so fo p e r a t i n gp a r a m e t e r s c o m b i n a t i o na n dd r o ps i z ed i s t r i b u t i o nh a v eb e e na l s or e v e a l e d b e s i d e s , l i q u i da t o m i z a t i o n 东南大学博士学位论文 c h a r a c t e r i s t i ci nt w oc o n d i t i o n so f n o r m a la n dl o wt 日n p e r a t u r ef l o wa m b i e n tl i q u i du c o m p a r e d , t h ee f f e c t so f a m b i e n tt e m p e r a t u r eo nj e tc h a r a c t e r i s t i ca n d d r o ps i z ed i s t r i b u t i o n , a n dt h ed i f f e r e n c e o n j e tb r e a k - u pm e c h a n i s mi nt h ed r o pf o r m a t i o np r o c e s s 、v e ms p e c i a li n d i c a t e d i no r d e rt oc o m p r e h e n dp a r t i c l e sm o t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw i t hh e i g h to fl l c f b ，ai c e m a k i n g e x p e r i m e n t a ls y s t e mw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h ef l u i d i z a t i o np r i n c i p l e i m a g e sa b o u tp a r t i c l e s m o t i o np h e n o m e n ai nt h r e ev a r i a n th e i g h to fl l c f bw e r eo b t a i n e db yh i g hr e s o l u t i o nr a t i oc c d d i g i t a lc a m e r a , p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n so ft h r e ev a r i a n th e i g h ta l s ow e r ea c q u i r e dw i t hf r a n l eb y f r a m ea n a l y s i s , f o u rt y p i c a lp a r t i c l e sm o t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw e r ed e f m e d s u c ha st h ed i f f u s e n e s s , c o n v e r g e n c e ，a d h e s i o na n dc o a l e s c e n c eo fp a r t i c l e s t h r o u g ha n a l y z i n gi m a g e sa n dp a r t i c l es i z e d i s t r i b u t i o n so fd i f f e r e n th e i g h t , t h ee v o l u t i o no fp a r t i c l e sm o t i o nw i t hh e i g h ta n dt h ee f f e c to f o p e r a t i n gp a r a n i e t e r sa n dt h e i r sc o m b i n a t i o no fl l c f bo np a r t i c l e sm o t i o nc h a r a c t e r i s t i cw e r e r e v e a l e d t h ef a c t sh a v eb e e np r o v e dt h a tt h ec o n v e r g e n c ea n dt h ec o a l e s c e n c eo fp a r t i c l e sa r ea c o m m o nc h a r a c t e r i s t i cu n d e rt h ea l lc o n d i t i o n sa n dm a i n l ye c c u rb e l o w1 0 mh e i g h to fl l c f b a n dt h r e er a n g eo f o p e r a t i n gp a r a m e t e r sc o m b i n a t i o no f l l c f bw e r ed i v i d e db yt h em a i np a r t i c l e s m o t i o nc h a r a c t e r i s t i cw i t hh e i g h t , t h ec h a n g eo f t h e s er a n g e sw a sa l s oo b t a i n e d i no r d e rt os t u d yt h em e c h a n i s mo fm u l t i p h a s ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rc o n c e r n i n gd r o p l e t s ，i c e p a r t i c l e sa n dc o o l a n ti nl l c f b ，b a s e do ne u l e r - l a g r a n g em e t h o d , p a r t i c l e st r a j e c t o r ym o d e lw a s i m p r o v e d ，a n da d d e dt ot a k ei n t oa c c o u n tt h ec o u p l eo fi n t e r p h a s em o m e n t u ma n de n e r g y , p h a s e c h a n g e ，i n t e r a c t i o no f p a r t i c l e sa n da d d i t i o n a lf o r c ea c t i n go np a r t i c l e s ac + + c o d ew h i c hd e a l tw i t h s o m ep r o c e s s e sc o m b i n e dw i t hd r a gf o r c e ，p h a s ec h a n g ea n dh e a tt r a n s f e ro fp a r t i c l e sw a s d e v e l o p e d a n de m b e di n t ot h ec o m p u t a t i o nm o d e lo ff l u e n ts o f t w a r ea su s e rd e f i n e d f u n c t i o n ( u d f ) ，r e - d e v e l o po ff l u e n ts o f t w a r ec a m et r u e b a s e do nt h es i m u l a t i o n ，t h ek e y i n f o r m a t i o na b o u tm u l t i p h a s ef l o wa n dh e a tt r a n s f e ro fl l c f bw e r eo b t a i n e d s u c ha st e r m i n a l v e l o c i t y , r e s i d e n c et i m ea n dr a d i a lo ra x i a ln u m b e rd e n s i t ya n dv e l o c i t yo fp a r t i c l e s ，v e l o c i t ya n d t e m p e r a t u r ef i e l do f l l c f b ，e t c b a s e do ne x e r g ye q u i l i b r i u me q u a t i o no fs t e a d y s t a t ef l o ws y s t e m sa n dt h et h e o r yo fe x e r g y l o s s ，ae x c r g yl o s sa n de x e r g ye f f i c i e n c ym o d e lw a sd e v e l o p e d ，c o n c e r n i n gt h ei n l e ta n do u t l e t p a r a m e t e r so fl l c f b a n dt h i sm o d e lc o m b i n e dw i t hp a r t i c l e st r a j e c t o r ym o d e lh a sb e e nu s e dt o c a l c u l a t eh e a tt r a n s f e rq u a n t i t ya n de x e r g yl o s so fi c e - m a k i n gp r o c e s s t h ee f f e c to fo p e r a t i n g p a r a m e t e r so fl l c f bo nt h eq u a n t i t ya n dt h eq u a l i t yo fc o o le n e r g yu t i l i z a t i o nw a so b t a i n e d ，a n d f r o mt h ep o i n to f v i e wo f e f f i c i e n tu s eo f c o l de n e r g y ，t h e s ep a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d k e y w o r d s ：d y n a m i ci c e - m a k i n g ；l i q u i d - l i q u i dc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ；l i q u i d l i q u i da t o m i z a t i o n ； v o l u m eo ff l u i di n t e r f a c et r a c k i n g ；f l o wa n dh e a tt r a n s f e rc h a r e c t e r i s t i c s ；e x e r g y a n a l y s i s i v 主要符号表 英文符号 4 b 彳p b c c o 颗粒的迎流横截面积 颗粒表面积 碰撞距离参数 碰撞距离参数临界值 射流相体积分数 曳力系数 颗粒的比热容 载冷液体的比热容 液滴直径 对数正态直径 喷孔直径 流化床可见直径 流化床直径 算术平均径 体积平均径 索态尔平均径 体积四次矩平均径 颗粒直径 碰撞颗粒的平均粒径 炯损失率 代价烟 收益炯 比炯 动量源项 曳力 马格努斯力 体积力 重力 理论粒径分布 频率分布 射流液体体积流量 载冷液体体积流量 重力加速度 流化床高度 主要符号表 流体的比焓 颗粒的转动惯量 湍动能 射流长度 颗粒转动的合力矩 颗粒相质量流量 载冷液体质量流量 颗粒的质量 努塞尔数，无量纲数 计算网格内颗粒的数目 混和流体压力 普朗特数，无量纲数 喷射背景压力 理论粒径分布的概率 颗粒的对流换热量 分布参数 喷孔半径 射流雷诺数 颗粒雷诺数 传热热阻 液滴半径 流化床半径 流体的比熵 颗粒的位移 网格流体温度 载冷液体入口温度 颗粒温度 颗粒的入口温度 相变温度 环境温度 混合液体速度 载冷液体速度 颗粒速度 颗粒终端速度 易七易帏胁脚胍即p抑只q g r船脚足彤岛s品瓦昂瓦乃坼坳坼 盯 唧d以胁功仍如如如西一如西。f昂助r咯厅厂g f 东南大学博士学位论文 虼 n 一 希腊字母 口 r 6 占 a f f ，7 j ，。 勘 巩 如 却 删 主要下角标 载冷液体入口速度 颗粒的入口速度 对流换热系数 相变潜热 显著性水平 湍动耗散率 迭代时间 颗粒亚松弛系数 混合液体动力粘度 载冷液体动力粘度 射流液体动力粘度 炯效率 接触角 载冷液体导热系数 冰导热系数 壁面导热系数 连续相，循环载冷液体 序号，0 ，1 ，2 液相 w e x 韦伯数 平均直径 载冷液体运动粘度 射流液体运动粘度 炯损失系数 混和流体的密度 载冷液体密度 射流液体密度 界面曲率 界面张力 无量纲颗粒直径的对数标准偏差 时间步长 放大率 p e r s o n 检验值 颗粒转动的角速度 颗粒相，液滴，冰颗粒 固相 吻f户肌办f盯f甲， 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：蟛日 期：丑旦夕 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 2 第一章绪论 1 1 论文研究背景与现状 第一章绪论 1 1 1 冰蓄冷空调技术的应用背景 随着我国经济和社会的快速发展，造成了电力供应紧张，电网负荷不平衡现象日益突出， 日用电峰谷差和年用电峰谷差增大。而城镇大量使用空调系统是造成电网峰谷负荷差逐步加 大的最主要原因l l j ，以上海市为例，2 0 0 5 年夏季空调最高负荷与工业、照明负荷之和基本持 平口j 。由于用电结构的改变，带来了电力系统峰谷差急剧增加，极大地影响了发电的成本和 电网的安全运行，尤其是我国以火力发电为主，电网的调峰能力很差。 为了调整电网用电结构，移峰填谷，我国已于1 9 9 4 年提出了实施分时电价政策，通过经 济手段鼓励用户将峰时用电改为谷时用电，目前已在我国快速推广，有些发达地区的峰谷电 价比已高达3 ：1 - 5 ：1 1 2 1 。我国的蓄冷空调技术正是在这一背景下开始应用的p j ，蓄冷空调利用谷 时廉价电开足马力蓄冷，在用电高峰期，把储存的冷量释放出来，同时关闭或部分关闭制冷 机组，有效地将日闻高峰用电负荷转移到深夜低谷时段1 4 1 。蓄冷空调可以调节能量供需，移 峰填谷，优化电网电源结构，提高发电设备和输电设备的利用率，在消耗相同数量煤的情况 下多发电，有效节约能源，避免新建调峰电站的巨额投资和调峰损耗，大幅节省运行费用p 州。 同时，蓄冷系统可作为应急冷源，停电时可利用自备电力启动蓄冷系统供冷，蓄冷系统在运 行管理上具有更大的灵活性和更广盼适应性。因此，空调蓄冷技术是一项利国利民的双赢举 措，具有巨大的社会效益和经济效益【7 9 】，并已成为我国当前积极推广和鼓励的一项重要“移 峰填谷措施。 空调蓄冷技术是利用蓄冷介质状态变化过程所具有的显热、潜热效应来进行能量储存， 它们分别是显热、潜热蓄冷技术i i o i 。现阶段常用的空调蓄冷介质主要有水，冰，共晶盐，水 属于显热式蓄冷，冰和共晶盐属于潜热式蓄冷川。水的蓄冷温度为4 6 ，可以直接与常规 空调系统匹配，并可实现蓄冷和蓄热的双重用途，但蓄能密度低、蓄冷槽体积大、槽内不同 温度的冷水易混合。共晶盐主要是由无机盐，水、促凝剂和稳定剂组成，随着盐的成分不同， 其蓄冷温度相应不同。通过配置不同成分比例的水合盐，可以得到所需相交温度的相变材料， 但蓄冷密度较低，蓄冷材料易老化变质，蓄冷性能易发生衰减。冰的蓄冷温度为3 9 ，相 变潜热为3 3 5 k j k g ，蓄冷密度高，蓄冰槽体积与水蓄冷系统相比较小。在蓄冷技术发展的初 期，显热蓄冷首先被提出并得到应用，很快，潜热蓄冷以其显著的优势得到迅速发展，尤其 是冰蓄冷空调技术。 采用人工制冷的蓄冰空调出现在2 0 世纪3 0 年代，最初用于影剧院、教堂等使用时间短、 负荷集中的场所，其主要目的是减小昂贵的装机容量，但随着机械制造业的进步和大冷量制 冷机的生产，以及蓄冷装置成本较高和多耗电的不利因素，此项技术停滞了一段时期。2 0 世 东南大学博士学位论文 纪7 0 年代中期，世界范围内能源危机的出现，再加之美国、加拿大和欧洲一些工业发达国家 夏季的电力负荷增长和峰谷差拉大的速度惊人，为蓄冷技术的发展带来了新的、更强大的推 动力1 1 2 , 1 3 1 。由此，引发了人们对空调蓄冷的关注和研究，工程技术人员开始试探性地将冰蓄 冷技术引入集中式空调系统。1 9 8 0 年，美国德州达拉斯电力公司率先实施“转移尖峰电力优待 措施”，开始了现代意义上冰蓄冷技术的应用。随后，日本及欧美各国为了促进冰蓄冷空调技 术的发展，作了大量的工作，积极开发冰蓄冷设备和系统，用于工程实际项目的冰蓄冷空调 系统也越来越多。 我国台湾省自1 9 8 4 年从国外引进冰蓄冷设备，建成台湾第一个冰蓄冷空调系统以来，蓄 冷空调系统的发展速度相当惊人，1 9 9 2 年只建有3 3 个，1 9 9 6 年底已建成3 0 5 个，至2 0 0 3 年底， 已建成9 7 6 个1 1 4 1 。相比台湾而言，大陆地区在冰蓄冷空调的应用方面起步较晚，但白1 9 9 4 年开 建至2 0 0 3 年止，中国大陆地区已有冰蓄冷空调系统3 0 4 个，据统计其移峰能力为11 万k w ，为 国家节约投资约7 7 亿人民币，而日本已发展17 0 0 0 多个，美国在这方面的发展速度也很惊人 1 4 1 。冰蓄冷空调系统在世界范围内不仅发展速度迅速，而且规模愈来愈大，已形成区域性蓄 冷和供冷系统。尽管我国在冰蓄冷空调技术的开发和应用方面取得了一定的进展，但仍处于 起步阶段，远不能与美国、日本等发达国家相比i l ”，在我国研究和推广冰蓄冷空调技术前景 非常广阔。 1 1 2 冰蓄冷空调的制冰技术 冰蓄冷空调的关键技术之一是制冰技术。目前国内外冰蓄冷空调系统的制冰技术有两大 类：静态制冰与动态制冰，每一类都有几种典型的方法”0 , 1 6 , 1 7 1 ，如表1 1 所示。 表1 i 冰蓄冷空调的制冰技术比较 制冰种类具体类型冷却介质加热介质 特点 闭式，融冰换热热阻较大，取冷速率较 冰盘管( 内融冰) 载冷剂 水 小 开式，空调回水与冰直接接触，换热效 制冷剂 静态制冰冰盘管( 外融冰) 水 果好，不需要二次换热装置，蓄冰容器 载冷剂 大，需要搅拌措施 闭式开式，运行可靠，蓄冷槽结构复 蓄冰球载冷剂载冷剂水 杂，放冷速率前期较快，后期较慢 冰片滑落载冷剂 水 制冷机效率比静态制冰工况提高6 n 9 ， 动态制冰 冰可以直接输送，蓄冰率较高，供冷温 制冷荆 度较低，放冷速率较高，结构复杂，可 冰晶( 冰浆)水载冷剂 载冷剂 靠性下降 注：载冷剂一般为重量百分比为2 5 的乙烯7 , - - 醇水溶液i o l 。 目前国内外应用较多的是冰盘管和封装冰球蓄冷系统，其它蓄冷系统相对应用较少。但 2 第一章绪论 是对于冰球蓄冰，内、外盘管蓄冰方法而言，共同的特点就是冰的形成过程属于一个静态的 范畴，当冰在固体制冷面上形成后，由于冰的导热系数远远小于金属的导热系数，如0 c 时的 铜和铝的导热系数分别为4 0 1 和2 3 6 ，而冰仅为2 ，单位：w ( m ) ，冰层的存在造成很大的 传热热阻，并随冰层厚度的增加而急剧增大，从而造成系统传热温差大，制冰能耗高，制冰 速度也箍冰层的增厚而变慢。由此可觅，在制冰过程中若能避免固体传熟面结冰贝f j 可大大提 高制冰系统的热力效率。 近些年来，流体冰( 又称为冰浆，i c es l u r r y ) l 拘产生与应用在制冰界引起广泛注重【l s - 2 5 1 。流 体冰是由细小冰颗粒与水构成的混合物，由于流体冰制取过程中在固体传热面上无冰层产生。 实现完全流动换热，是动态制冰范畴，因此动态制冰过程传热温差小，制取流体冰的热力性 能系数可比制取块冰提高近一倍【2 5 】。并且由于所制取的流体冰具有蓄冷密度大、传热性能良 好，可流动性与可泵送性等显著优点，发达国家正在大力开发基于动态制冰技术的冰蓄冷设 备 t 6 , l ”，日本、美国等国家已将其用于冰蓄冷空调技术中，初步显示了其优越的性能。 1 1 3 动态制冰技术的国内外研究现状 自上世纪九十年代以来，国际一些著名大学与研究机构相继成立了流体冰研究中心，对 流体冰的形成机理，流动与蓄释冷特性等问题进行研究。鉴于流体冰在工业制冷中的特殊地 位，国际制冷协会在1 9 9 8 年成立了流体冰技术工作组，自1 9 9 9 年起每年召开国际流体冰研 讨会【2 6 1 。国内外的学者对动态制冰方法作了大量的研究 1 6 - 8 t l ，大体上说存在几种典型的制冰 方法：机械刮削制冰、过冷水动态制冰、真空制冰、液固循环流化床制冰、直接接触制冰。 1 机械刮削制冰 机械刮削制冰是近2 0 年来技术发展最成熟和应用最广泛的流体冰制取方法脚丑3 0 l ，其制冰原 理是采用满液式蒸发器或者降膜蒸发器，蒸发器与制冰筒一体，筒内流动制冰溶液，筒外侧流动 制冷剂，制冰溶液与冷壁面接触换热产生冰晶，在制冰筒内布置一旋转的刮板( 翼形旋转叶片) ，刮 板与制冰筒内壁面之间的间隙很小，因此刮板不停地刮去在冷却壁面上形成的冰晶，并随制冰溶 液一起离开制冰筒。 对这种制冰方法的研究主要集中在壁面冰晶的形成机理口1 - 3 3 1 、系统的传热 3 4 - 3 8 1 、运行条件和 工业应用州，国内学者基于刮削制冰方法模拟了制冰筒内冰浆形成过程的压降、传热系数及含 冰率浓度分布1 4 i j 。 机械刮削制冰机的输出制冷功率和能耗比c o p 可高达2 咐4 之间，比管冰、片冰等传统制 冰机效率高，体积也要节省2 3 或更多。其连续制冰能力强，所制取的流体冰含冰量较高，通常在 3 0 - 6 0 ，制冰效率高，但对制冰筒内筒的圆度、表面光洁度和刮板的安装精度要求较高，且受 换热面积限制，提高制冰量时，要并联更多制冰筒，系统更复杂，代价更高。另外，制冰介质为 海水、盐水或乙烯乙二醇水溶液，制冰过程溶液浓度发生变化需要及时调节。 2 过冷水制冰 过冷水动态制冰系统主要是利用水的过冷现象进行制冰，系统的基本装置包括过冷却器、过 3 东南大学博士学位论文 冷解除装置和蓄冰槽。水从蓄冰槽中抽出，温度为o 或高于0 ，经过过冷却器与冷媒换热后成 为温度低于0 c 的过冷水；过冷水经过过冷解除装置后，过冷状态被破坏，成为冰水混合物进入蓄 冰槽，在蓄冰槽中冰水分离，分离出来的冰蓄存在蓄冰槽中，分离出来的水继续在系统中循环。 日本在上世纪8 0 年代以后开始研究过冷水动态制冰，进行了大量的研究工作1 4 ”】。主要的研 究方向有静止情况下影响过冷水的过冷度因素研究旧；流动情况下影响过冷水的过冷度与过冷却 器的换热管长径比、水的流速及水的流态、传热温差等因素有关删；过冷水过冷态的解除研究， 如超声振动对过冷度的影响机趔4 卅，有些文章提出了很多有效的过冷态解除装置例，另外，日本 已有几个在区域供冷建筑的冰蓄冷空调采用过冷水动态制冰方 去l ”j 。国内学者曲凯阳、江亿于上 世纪9 0 年代末开始针对保证过冷却器内过冷水不发生结冰的关键因素进行了系统的研究，建 立了能够稳定运行的制冰装置，并正在尝试应用与冰蓄冷空调例。陈光明等对超声波影响水过冷 度进行了较为充分的研究1 5 l j ，最近何国庚等对过冷水制冰方法也进行了相关实验研究p 2 1 。 过冷水动态制冰的特点是连续制冰能力很强，水与冷媒之间始终保持恒定的较高的换热系数， 制冰效率较高，能量损失较小，但缺点是过冷却器内易于堵塞，对其结构和运行条件要求严格， 如壁面的粗糙度、水的流速和进出口温度，并必须设计相应的保护措施。虽然有工程应用实例， 但目前该项技术并未完全成熟，还不能够与传统的静态制冰技术相竞争。 3 真空制冰 真空制冰技术利用水在0 6 k p a 和0 0 1 的三相共存原删5 ”】，将普通压力下的水打入真空容 暑导( 又称蒸发器) ，液体由于降压闪蒸，吸收热量，从而在水中产生冰晶，并逐渐形成颗粒流体冰， 在蒸发器下部输出。真空制冰不需要制冷机，不会冰堵，但需要提供一个负压条件，抽真空的要 求高，真空环境的形成方法有三种，一种是利用液化天然气在气化过程产生很大的温降冷却水蒸 气，产生真空环境”i ；一种是直接采取真空泵抽吸形成真空，外加液氮冷却水蒸气阻5 ”，一种是 德国和以色列两家公司生产的真空制冰机采用轴流式蒸汽压缩机抽真空，前两种目前还处于试验 研究阶段。 真空制冰机原理简单，其蒸发和结晶过程在同一容器内完成，无需换热表面，传热效率很高， 对制冰用水要求较低，可直接使用海水或盐水制冰产冰，也可使用淡水。用水作为制冷剂对环境 保护具有积极作用，但由于水蒸气的比容较大，制冰能力的提高受到抽真空要求的限制，通常所 制取的流体冰的含冰量较低。 4 直接接触制冰 直接接触制冰是制冰领域的又研究热点p 删，其制冰原理是将蒸发器与蓄冰罐合并，制冷 剂直接喷入蓄冷罐，形成制冷剂液滴并与水进行直接接触换热，在制冷剂气化过程中将水制成冰。 制冷剂液滴与水直接接触传热，过程涉及制冷剂的蒸发和水的凝固这样一个双相变过程，形成的 产物是气体水合物或者冰晶，具体形成那种产物与喷入制冷剂的种类有判“碉。 1 9 9 1 年s u b b a i y e f 【别等人对形成冰晶的蓄冷系统进行了计算机性能模拟，发现直接接触制冰的 传热效果比间接传热好，减少了很多传热热阻，其单位产冷量下的耗电比管壳式制冰少3 0 ，相 同制冰量所需制冰时间缩短1 3 。2 0 0 4 年w i j e y s u n d e r ane 2 0 l 等人提出将间接冷媒喷入水中，与 4 第一章绪论 水直接接触制冰方式，可以避免制冷剂和水接触形成水合物的问题。国内学者章学来、李瑞阳系 统地研究了直接接触式蓄冷系统州，并主要工作体现在系统传热特性”，蓄放冷特性1 6 2 l ，双相变 过程理论【6 3 】以及系统热力分析方面州 1 9 8 5 年美国橡树岭国家实验室t o m l i n s o n t 6 5 1 首先提出采用氟里昂气体水合物作