（制冷及低温工程专业论文）新型真空液滴制冰特性研究.pdf

【 1 m a s t e rd i s s e r t a t i o n i l li tii l li ii ll li l llli y 1718 8 2 9 c h a r a c t e r i s t i c so n f r e e z i n g o fw a t e r d r o p l e td u e t oe v a p o r a t i o n a p p l i c a n t ： 一k u a i 墨i 曼_ l 蠼 s u p e r v i s o r ：j 熊曼争啤王疆堕娶h i q 照，1 9 m a j o r ：删g 鲍! ；i 婢蕊艘g 腆地曼e n a i n e e r i n 吕 s u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r m a y ，2 0 1 0 s c h o o lo f e n e r g ys c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a u ， p r c h i n a 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：导师签 摘要 蓄冷技术是实现电网“移峰填谷”的一项重要措施。以低压力下 液滴蒸发结冰为基础的真空法动态制冰技术是一种新兴、有效的动态 蓄冷手段，在我国有着广阔的应用前景。 本文首先简要的介绍了真空制冰技术基础，阐述了真空环境的特 性和湿气体的基本性质，再采用数值计算的方法对低压下液滴形成冰 晶粒子的传热与传质问题进行了深入分析，重点研究了低压环境下液 滴形成冰晶过程中的水分迁移和热量传递。计算结果表明：在真空压 力为o 6 1l k p a 的环境中，初始温度为2 0 、粒径为5 0 9 m 液滴在经 历o 0 0 3 s 后形成冰晶粒子( 不考虑液滴过冷) 。其次，分析了在不同 的粒径尺寸和真空环境压力下，液滴表面温度的变化规律及特点，并 讨论了过冷度与不同添加剂浓度对液滴成核结晶的影响。 另外，针对目前真空法制取冰浆过程中水蒸气冷凝系统复杂、真 空泵持续运行能耗高及捕冷盘管易冻结等问题，提出了一种新型捕冷 方式，该捕冷方式的特征结构为带夹层的真空室，其间有制冷剂循环， 从而实现水蒸气的捕集并强化制冰。探讨了该捕冷方式如何实现的问 题，同时对该捕冷方式下冰晶粒子形成进行了计算。对比结果表明， 该新型捕冷方式能够有效捕集水蒸气，并能增强制冰效果。对实现真 空法冰浆制备装置的优化设计，更好地发挥蓄冷技术的节能潜力，具 有重要的工程指导意义。 关键词动态蓄冷，真空法，传热与传质，捕冷方式 玎 a bs t r a c t d e v e l o p i n gc o o lt h e r m a le n e r g ys t o r a g et e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n t m e a s u r et or e a l i z es h i f t i n ge l e c t r i c a le n e r g yd e m a n df r o mp e a kp e r i o dt o o f f - p e a kp e r i o d t h ev a c u u m i c e s l u r r ym a k i n gt e c h n o l o g yw h i c h o p e r a t e so nf r e e z i n go fw a t e rd r o p l e td u et oe v a p o r a t i o nu n d e rv a c u u m e n v i r o n m e n t ，i sa ne n e r g ye f f i c i e n ta n dn o v e l t yc o o lt h e r m a le n e r g y s t o r a g et e c h n o l o g ya n dt h u sw i l l h a sal a r g en u m b e ro fa p p li c a t i o n p r o s p e c t si nc h i n a t h eo b j e c t i v eo ft h ep r e s e n td i s s e r t a t i o ni st o i n v e s t i g a t et h e c r y s t a l l i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fh e a ta n dm a s st r a n s p o r t t h el a y o u to f t h ed i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s ：f i r s t l y , t h el o s so fm a s sa n dt r a n s f e ro fh e a t a tv a c u u me n v i r o n m e n t a lp r e s s u r ei nt h ep r o c e s s e so ff r e e z i n go faw a t e r d r o p l e td u e t oe v a p o r a t i o ni sn u m e r i c a l l ys t u d i e d t e m p e r a t u r ev a r i a t i o no fw a t e rd r o p l e tw i t hd i f f e r e n td r o p l e ts i z e a n dd i f f e r e n tc h a m b e rp r e s s u r ei s s u b s e q u e n t l yi n v e s t i g a t e d i nt h e f o l l o w i n gc h a p t e r , t h er e s u l t ss h o wt h a ti c ec a nb ep r o d u c e db yw a t e r v a p o ra b s o r b i n gt h el a t e n th e a tf r o mt h ed r o p l e tw i t ha ni n i t i a la m b i e n t t e m p e r a t u r eu n d e rc o n d i t i o n so fas u f f i c i e n t l ys m a l ld r o p l e ts i z e ，al o n g e n o u g hr e s i d e n c et i m eo ft h ed r o p l e ti nt h ec h a m b e r , a n dac h a m b e r p r e s s u r ef a re n o u g hb e l o w t h et r i p l ep o i n t i na d d i t i o n ，f o rt h er e a s o nt h a tc a p t u r eo fw a t e rv a p o rp r o d u c i n gi n t h ee v a p o r a t i o n - f r e e z i n gp r o c e s sc a nn o ts a t i s f i e dt h en e e do fo w n e r s ，a n o v e lc h a m b e rs t r u c t u r ew i t haf e a t u r eo fi n t e r s p a c e si n c l u d i n gv a c u u m c h a m b e ri sb r o u g h tf o r w a r d t h ei n f l u e n c e so fm a j o rp a r a m e t e r so nt h e v a c u u mi c es l u r r ym a k i n gs y s t e mp e r f o r m a n c ea r er e s p e c t i v e l yd is c u s s e d t h er e s u l t so b t a i n e di nt h i sp a p e ra r eo f g r e a ti m p o r t a n c ef o r t h eo p t i m a l d e s i g no f t h ev a c u u mi c es l u r r ym a k i n gu n i t k e yw o r d sc o o lt h e r m a le n e r g ys t o r a g e ，v a c u u mi c es l u r r ym a k i n g ， h e a ta n dm a s st r a n s p o r t ，w a t e rt r a p p i n g 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究的意义与背景一1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 冰浆简介及研究现状2 1 2 2 冰浆的流动、换热及存储3 1 2 3 冰浆制取方式及比较5 1 3 本文的研究目的和内容1 3 第二章低压下冰晶粒子形成特性研究1 4 2 1 真空制冰技术基础1 4 2 1 1 真空环境特性。1 4 2 1 2 湿气体性质1 6 2 2 低压下冰晶粒子形成过程描述1 7 2 2 1 低压下的水分迁移1 7 2 2 2 低压下的热量传递1 9 2 3 结果分析与模型验证2 0 2 4 本章小结2 2 第三章低压下冰晶粒子生成的影响因素2 3 3 1 喷水粒径的影响一2 3 3 2 真空压力的影响2 4 3 3 过冷度的影响2 5 3 4 溶液添加剂的影响一2 7 3 5 本章小结3 0 第四章捕冷方式对冰晶粒子形成的影响3 1 4 1 现有捕冷方式及问题3 1 4 1 1 机械抽气方式及问题3 1 4 1 2 捕冷盘管方式及问题。3 2 4 2 一种新型真空室的提出3 3 4 2 1 新型真空室的提出。3 3 4 2 2 新型真空维持系统制冰的实现过程3 5 4 3 新型真空室下冰晶粒子形成3 6 n l 4 3 1 冰浆的蓄冷量3 6 4 3 2 新型真空室的制冰效率3 7 4 3 3 新型捕冷方式在运行上的进一步分析3 9 4 4 本章小结4 0 第五章结论及展望4 1 5 1 结论4 1 5 2 展望4 2 参考文献4 3 致谢4 8 攻读学位期间主要的研究成果4 9 i v 中南大学硕十学位论文第章绪论 1 1 研究的意义与背景 第一章绪论 电力工业作为国民经济的基础产业之一，已取得长足的进展。但是随着国民 经济的不断发展，电力的需求量也越来越大，“缺电 、“电荒 等成为影响社 会经济发展的突出因素。据统计，近五年来，除少数几个省市外，全国缺电形势 严峻，全国超过有2 0 个省、市拉闸限电，以确保基本的电力供应。表1 1 给出 了2 0 0 6 年湖南电网负荷情况。 表1 - 12 0 0 4 2 0 0 6 年湖南电网负荷概况 注：数据来源湖南电力统计年鉴 由表1 1 我们可以发现，0 4 - - 0 6 年这三年，湖南电网负荷、日负荷及峰谷差 均出现大幅增长，平均峰谷差增幅更是超过3 0 。由此反映出湖南电力供应高峰 不足而低谷过剩的矛盾日益突出。而事实上，在全国范围内，随着经济和社会的 发展城市中央空调的广泛应用加剧了这矛盾。 冰蓄冷技术是电力“移峰填谷 和解决尖峰电力不足的重要方法之一，近年 来有了很大发展。目前，国内外的冰蓄冷技术主要有静态制冰和动态制冰两种形 式。静态制冰方式存在冰层热阻大、放冷时间长等问题。动态制冰因其自身的特 点，有效的克服了这些问题。因此，冰浆的制取与应用研究是具有现实意义的l l 捌。 另外，传统的制冰方式都使用了制冷剂。随着全球臭氧层破坏及温室效应等 环境问题的突出与加剧，发展以非c f c 类制冷剂，特别是天然制冷剂，进行制 冷及蓄冷成为制冷领域的重点发展方向之一。基于冰浆技术的动态蓄能方式即属 于此范吲3 1 。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 冰浆简介及研究现状 ( 1 ) 冰浆简介及现状 冰浆是冰晶粒子与水的固液两相溶液，冰晶颗粒的平均尺寸为几十微米到几 百微米。如图1 1 所示，实物冰浆是一种浆状混合溶液，冰浆在低倍显微镜下呈 现悬浮游离状态球形或盘形的冰晶粒子。j w m e e w i s s e 4 】发现，在某些条件下 甚至能发现树突状或针形状。如图1 2 所示。冰浆的主要特征表现在细小的冰晶 上，典型尺寸约为0 2 m m 。er o n k t 5 】等研究人员已经发现尺度为1 0 i ，t m 的小冰晶， 更大尺寸甚至接近3 m m 。 图1 - 1 实物冰浆图l - 2 低倍显微镜下的冰浆 冰浆作为一种新型蓄冷剂，有许多的特点： 首先，冰浆具有可观的相变潜热和低温显热，如含冰率i p f ( i c ep a c k i n g f a c t o r ) 5 w t 3 0 w t 的冰浆，其传热系数为3 k w ( m 2 k ) ，是相同条件下常规冷 冻水冷却能力的5 6 倍川。 其次，低i p f 条件下冰浆可看作为牛顿流体，具有比单相流体更好的流动和 换热性能，可贮存于槽中并用管道直接输送【6 j 。在区域供冷及建筑物空调领域中， 冰浆可直接泵送至空调用户，空调用户可采用大温差送风，或低温送风。因此， 空调换热器、风机和泵等设备功率可大大减小，空调系统的投资和运行费用也可 大为降低。 第三，冰晶的生成过程与水过冷换热的过程分离，制冷过程不需要融冰，因 此冷媒和流动水之间的热阻小，制冷机有较高的蒸发温度和c o p 值【_ 丌。此外， 与传统的制冰方式都使用了制冷剂不同，以水及盐水溶液等为介质的动态蓄冷方 式有效降低c f c 类或h c f c 类制冷剂的使用，减轻全球臭氧层破坏及温室效应 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 等环境问题的压力。 目前，冰浆制冷技术已应用于区域供冷及建筑物空调，工业冷却和食品冷藏 保鲜等领域【3 ，8 】，潜在的应用领域包括管道、换热器的清理除垢，消防灭火，矿 井冷却，及生物医学上的人体器官的快速冷却等1 2 , 9 】。因此，动态蓄冷制冷技术 在很多领域具有广阔的应用前景。 ( 2 ) 冰浆技术的研究现状 总体来说，国内外对冰浆技术的研究可以归纳为三个方面，即冰浆的制取、 冰浆的流动与换热及冰浆的储存与输送的研究。国外对冰浆的研究已有二十多年 的历史，在北美、日本和欧洲等发达国家和地区，冰浆技术已得到较为广泛的研 究与应用【胁1 4 】。国际制冷学会于1 9 9 9 年成立了研究冰浆的专f 3 d , 组( i c es l u r r y w o r k s h o po fi i r ) ，该组织汇集了各国从事冰浆研究的顶尖学者，每年定期开展 学术活动并出版了相关手册，极大地推动和加速了冰浆的研究工作。成立于1 9 9 8 年的丹麦国际冰浆研究中心( i n t e r n a t i o n a li c es l u r r yc e n t e ro f d e n m a r k ) 同样是 一个世界范围的研究平台，隶属丹麦科技研究院，旨在加强冰浆的基础研究和应 用研究，重点研究冰浆的热物性、发生器、离心泵、添加剂以及相关测试仪器等 方面。国际能源署( i n t e r n a t i o n a le n e r g y a g e n c y ) 及国际制冷界也非常重视冰浆 技术的研究，自1 9 9 9 年以来已召开了五次冰浆技术的专题讨论会。在国内，对 冰浆技术的研究始于上个世纪9 0 年代，刘永红【l5 】对冰浆的流动特性从理论与实 验两方面进行了研究，张绍志1 1 6 】、吕树申【1 7 】开展了对冰浆真空式制冰、添加剂 对制冰影响等研究，何国庚【1 8 1 研究了过冷水制备系统，章学来【1 9 2 1 1 等人开发了 过冷水制备冰浆系统装置，对装置进行了热力学分析，并就相变模型做了相关方 面的研究。 目前，部分冰浆产品在发达国家进入了应用阶段，美国的p a a lm u e l l e r 公 司、加拿大的s u n w e l l 技术公司、日本的t e k e n a k a 公司、德国的i n t e g r a le n e r g i e t e c h n i kg m b h 等已研制生产了冰浆蓄冷空调的产品，例如p a a lm u e l l e r 公司的 m a x i m i c ei c es l u r r ys y s t e m 、t e k e n a k a 公司的c l i s h rs y s t e m 等已在实际工程 中得到应用【l 】。在国内，中国科学院广州能源研究所建立了一个动态冰蓄冷示范 工程，高清华【2 2 】、杜艳利【2 3 】等对直接蒸发式冰蓄冷的机理与换热进行了分析， 谢应呼2 4 1 、鲁涛【2 5 】对水合物蓄能展开了理论及实验研究。南京五洲制冷集团中 天空调有限公司与美国蓄冰生产企业p a u lm u e l l e r 公司开展多项技术合作，引进 全套动态蓄冰技术，生产滑落式片冰机组等动态蓄冰系统。 1 2 2 冰浆的流动、换热及存储 冰浆的流动和传热特性的研究是研究冰浆的基础。由于冰浆是水和冰晶粒子 中南大学硕士学位论文第一章绪论 的混合物，冰晶粒子的尺寸和含量都会对冰浆的物性变化产生影响，同时在流动 换热过程中有相变的发生，使得冰浆换热不同于普通流体的换热，冰浆的流动换 热呈现多样性和复杂性。国内外的许多学者从不同角度提出了描述冰浆流的非牛 顿流体模型，这些模型中大部分都关注了屈服应力的问题。 在国外，p e t e r w e g o l f t 2 6 j 等对冰浆流动特性和传热性能的研究进行了综述。 b d k n o d e l 2 7 】等分析了冰浆的传热特性及冰浆流动过程中的压降。学者 d o r o n 【1 7 ，2 8 】等提出了两相流动两层及三层模型，把管内流动分为完全悬浮、移动 悬浮、带滞止层流动三种流态。分析发现，在实际的冰浆输送系统中，为了达到 安全运行的目的，必须实现完全悬浮流态。在完全悬浮流态下，冰浆平均流速减 小，会出现冰晶粒子滞留层，这时流体的平均速度为临界速度，即最小移动层速 度。国内学者明 2 9 , 3 0 】等从微观角度，给出了冰晶粒子静态相变的数学模型，认 为冰晶粒子周围会产生一种絮状结构，冰晶周围吸附的水分子组成离子圈，并就 冰浆在18 0 0 弯管内流动阻力特性的进行了实验研究。刘永红【3 1 】对冰浆流动特性 和传热性能的研究开展了较为全面的研究。 冰浆中冰晶的粒子直径介于5 0 1 0 0 9 m ，有很大的换热表面积，具有良好的 换热特性，良好的流动性和较大的单位冷量。但冰浆的储存面临着一些问题。例 如，蓄冰槽中的冰粒在自身重力和相应浮力的作用下，在其接触点处融化、再结 晶，形成疏松的冰块，即发生了凝聚现象【3 2 1 。无抑制的情况下，这种现象在会 一直自发的进行，当冰浆凝聚现象严重时，冰浆将不再具有良好流动性的泵送特 性，失去其优势。另外，如果蓄冰槽中含冰率太高，会使泵的运行恶化，效率大 大降低，如果蓄冰槽中含冰率太低，则无法有效利用蓄冰槽容积，降低其制冷效 率。所以，冰晶的凝聚现象的发生不利于冰浆的流动，否则，冰浆将甚至失去其 原本应用价值。 目前，对于冰晶的储存国际上普遍采用的防止冰浆溶液重结晶的有效措施即 为投放化学添加剂，通过化学分子和冰晶之问的物理和化学相互作用以阻碍或延 缓冰晶的重结晶。sg r a n d u m 3 3 1 ，h i n a b a 【3 4 1 ，t a s a o k a 【3 5 - 3 6 1 深入研究化学添加 剂，并将化学添加剂分为：非离子表面活性剂吐温系列( t w e e n ，它包括t w e e n 8 0 、 t w e e n 8 1 、t w e e n 8 5 、a f p s ( 主要使a f p i 型) 、聚乙烯醇( p v o h ) 、硫烷偶合剂 ( s c a ) 、烷烃硫醇类( a l k a n et h i 0 1 ) 及脂肪酸( f a t t ya c i d s ) 等，并取得了相关 专利【3 刀。但是这些合成的高聚合分子存在不同程度上的问题，包括成本、毒性、 腐蚀性及在水中的溶解性等，这些因素足以阻碍它们在实际生产中的应用。其中 台湾学者李宗兴【3 s 】等人对水在圆柱容器内的成核特性做了大量实验研究，指出 水的过冷与成核现象和载冷剂的温度、蓄冰元件的尺寸、成核添加剂的种类和添 加量以及冷却速度等有关。其中成核添加剂对减小水的过冷度，促进成核发生的 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 效果较佳。在蓄冰元件内加入成核添加剂后，蓄冰元件内的水除了与蓄冰元件内 表面接触外，还与成核添加剂的表面接触，形成一个新的界面。未加任何成核剂 之前，水的成核受蓄冰元件内表面性质影响。当加入成核添加剂后，水的成核则 同时受到蓄冰元件内表面性质以及成核添加剂接触界面性质的影响。 合适的成核添加剂对于促进水成核的影响力将大于蓄冰元件内表面的影响。 成核添加剂可以是铜离子、铁离子、细砂、碘化银、碘化铅、氧化镁、硼砂等物 质。v o n n e g u t 3 9 】曾用x 射线照射法来探测多种物质的晶格构造，发现与冰的六 角形晶格最为接近的物质被用来作成核添加剂会大大改善水在结冰过程中的过 冷现象。李宗兴3 8 】也指出，随着水中成核添加剂量的增加，成核机率也随之增 大，但增加至某一量值时，成核改善的效果不再增加。冰浆存储方面的研究在国 内还属于起步阶段，相关研究还是少见于报道。 1 2 3 冰桨制取方式及比较 冰浆的制备是冰浆技术发展的关键环节，现有冰浆制备过程中的不稳定性和 高能耗，高投资严重阻碍了冰浆的广泛使用，各国都在努力开发高效稳定节能的 冰浆制备方法。现在冰浆的制备方法主要有过冷水法，直接接触式，壁面刮削式， 流化床制备法，下降膜式制备法等。目前已商用的制取方式为壁面刮削式和动态 过冷水式，其它制备方法还处于实验研制阶段。 日本【4 1 1 从上世纪8 0 年代开始发展过冷水动态制冰技术，目前在这一领域处 于世界领先的地位，日本高砂热学株式会社是过冷水动态蓄冷设备的主要供应 商，开发了一些在工程中实际应用的产品。虽然过冷式装置结构简单且系统造价 较低，但过冷器一次冷却后的i p f 为2 ，故达到一定i p f ，水泵的能耗较高， 而且过冷器内结冰发生过于频繁，必要的融冰措施降低了系统的可靠性和能效。 后来采用超声波方式促发成核和结晶，提高了装置的稳定性和可靠性，若要大范 围推广使用，仍要继续提高其稳定性和降低能耗。 北美侧重发展刮削式制冰方式，此种冰浆制取方式在北美产业化程度已经比 较成熟，如美国p a u lm u e l l e r 公司的m a x i m i c e 冰浆机，冷量从3 冷吨到5 2 0 冷 吨不等，采用行星转杆式刮削技术，已投入建筑物空调和工业冷却领域。加拿大 s u n w d l 公司的壁面刮削式冰浆机，可供远洋渔业制冰和建筑物空调。刮削式制 冰方式简单易实现，性能稳定，制冰效率较高，不会出现冰堵现象，但由于系统 复杂和采用易损的刮削装置，价格昂贵且能效较低。 以下详细介绍和比较这几种冰浆制取方法： ( 1 ) 壁面刮削式 壁面刮削式是目前商用系统中性能最稳定、发展最成熟的方式，分为旋转刮 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 片式和行星转杆式( o r b i t a lr o de v a p o r a t o r , o r e ) 两类，原理示意分别如图l - 3 与图l _ 4 所示： 图l - 3 旋g - - 舌- l 片制冰浆示意图 旋转刮片式一般采用壳管式热交换器。管外侧制冷剂蒸发，管内部的旋转刮 片以4 5 0 r p m 高速旋转刮削壁面黏附的冰晶，并防止冰晶在冷却壁面的大量沉积。 较厚的冰层会直接导致传热热阻增大，对刮片造成损害，并最终造成管内阻塞。 可采取的措施是添加冰点调节剂( 如乙二醇，乙醇和氯化钠等) 降低溶液的冰点 温度和粘度，还可以通过搅动装置增加水的紊流程度，增大传热速率并生成均匀 的冰晶。 轨道 转杆 换热管 自转 冰晶 转杆 换热管 冰水混合浆 液膜 图l - 4 转杆o r e 式制冰浆示意图 6 ，。；l|，。，。，。，。；。士硅-l-。-t-。-。-。-。_-tt-_-_-t，-。-。-tt-。-f-。-。-tj。-。-。t_f_ti，雩jiiitji。ii 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 转杆o r e 采用弹簧支撑的转杆装置，转杆在沿轨道转动的同时发生自转。 由于水流可以起到润滑剂的作用，转杆跟壁面没有直接的摩擦接触，因而电机功 率很小，系统能效较高。表1 1 给出以加拿大s u n w e l l 公司与美国m u e l l e r 公司 商用产品对旋转刮片式与转杆o r e 式产品性能的比较【4 2 1 。 表1 - 1 旋转刮片式与转杆o r e 式产品性能比较 旋转刮片型和转杆o r e 型具有相近的冷却能力，系统均能保持较为稳定的 运行。但刮片型中的刮片极易磨损，需要经常更换，而o r e 型因转杆驱动装置 和8 5 0 r p m 的高转速，系统相对较为复杂。 ( 2 ) 过冷水法 冷水法制冰系统一般包括三部分：过冷却器，过冷解除装置和蓄冰槽。该方 法制冰浆的原理是水被冷却时温度降低至凝固点以下而短时间内不结冰，对水的 温度和流态施加控制，并在特定的过冷解除装置中消除过冷状态，就可以连续不 断的产生冰晶。过冷水制冰原理示意图1 5 如下： t 过冷却段防止结品段 过冷解除段 冰浆输送段 翳磁缴缓缓缓缓缓鬏缆缓缀缴缓缓燃豹缀籀缓戮缓缓籀缀籀缀缀貔缓缓缀溯 i ，窖迭静办物黜盟碜 r 十。：? 。? o 硌臻。 ，| = 兰，! 苎。：= 瑟乙： 翟二零移移；穆伽 翰缪殇戮臻粉嬲嬲戮缀琵燃擀嘲吻殇沥戮麓院貔茏缀戮荔黝嘲 以北水i ! 一，l 图1 5 过冷水法制冰浆示意图 有关诱发冰核形成并使过冷水迅速结冰的方法有超声波、电场的、添加剂 等。i n a b a t 【4 3 】等对超声波诱发过冷水制冰进行了比较深入的研究，并得出下列 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 结论： 无论是纯水还是自来水，超声波的振动都会大大促进过冷水到冰的相变。 通过调节超声波的频率与功率产生的合适空穴作用，可有效地控制过冷 水的相变温度。 利用超声波的振动，可使过冷水在较低过冷度下发生结冰现象，提高制 冷装置的效率。so k a w a 删等开展了对电场诱发过冷水制冰的研究，分析了直流 电压的高低、过冷度的大小、电极的尺寸及极问的距离对过冷水的结冰率的影响。 目前过冷法的主要问题是水的过冷是一种不稳定的状态，很容易受到扰动而 发生结冰冻结管道，另外，水的过冷度较低也限制了制冰速率的提高。解决问题 的关键在于对过冷现象和过程的把握以及对换热过程的控制。如何增大过冷水的 过冷度并保持其稳定性是目前研究方向【4 。 ( 3 ) 直接接触法 直接接触法制冰机原理是采用不溶于水的低温冷媒经过特制的喷嘴射入储 水槽，在储水槽中生成冰晶，冷媒与水直接接触换热，湍流和冷却效率较高。该 方法制冰原理图1 6 如下： 冰 浆 溶 液 水 层 流 量 计 图l 一6 直接接触法制冰浆示意图 该系统根据两种不同流体的热交换而进行的，其中一种流体是不能与水相溶 的，并且比水重，经过制冷机组被冷却至水的冻结点温度以下，然后流体经一喷 射器，并利用流体的高压从蓄冷槽回路中抽水。应用喷射器系统的这一特性产生 的足够扰动及冷却效果，将普通的水变成冰晶。当这一冰水混合物被送至蓄冷槽 后，其中较轻的冰晶将漂浮在槽的上部，而较重的流体位于槽的底部以利于再循 环。 ( 4 ) 流化床制备法 荷兰d e l f t 大学j w m e e w i s s e 4 1 等学者在工业用流化床换热器基础上开发了 8 中南大学硕士学位论文 第章绪论 冰浆制取装置。如图，制冷剂在管外蒸发，管内水在向上的紊流中，大量直径 l m m 5 r n m 的不锈钢珠频繁地撞击和破碎附于壁面的冰晶粒子，可避免冰品在壁 面的沉积并保持较高的传热速率。流化床制冰晶原理如图1 7 所示，并给出了不 同实验条件下的装置运行参数，如表1 2 ： 表1 - 2 流化床装置运行参数 冰浆出口 冰水分离 流化床 落水管 冷剂出口 液入口 图1 7 流化床制取冰浆示意图 ( 5 ) 下降膜式制备法 下降膜式【4 5 】冰浆制备的基本方法是在普通垂直满液式壳管式换热器内进行 的，其内部的下降膜是由旋转杆在下降的过冷溶液上运动所形成的，为了防止形 成的固态冰粘接在管道的内表面上，可通过该旋转杆搅动溶液，并使溶液变为微 小的冰晶，汇集于槽的底部。通过单独调节吸入压力或溶液的流量或同时调节两 者，完成对含冰率及容量的控制。该方式制冰示意图1 8 如下， 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 _ 水溶液进 翻冷剂进 图l - 8 下降膜式制备法示意图 ( 6 ) 真空法 如图1 - 9 所示，真空法制取冰浆的基本原理：水的饱和温度随其压力的改变 而改变，在常压( 1 0 1 3 2 5 k p a ) 下，水的沸点为1 0 0 ，如果压力降低至0 6 1 k p a ， 水的沸点将降至o ，此时水的固、液、气三相共存，若平衡被破坏，三相会自 动趋于一相或两相。真空制冰装置就是利用水的三相点原理，采取措施维持真空， 使水在低压状态下闪蒸，从而产生制冷效应。因水的凝固热为3 3 5 k j k g ，远小于 蒸发潜热( 0 c 时约2 5 0 0 k j k g ) ，所以其结果为一部分水吸热蒸发，另一部分水 则逐渐降温至0 * c 以下而形成冰，只要采取适当措施维持真空状态，形成冰的过 程就可以持继进行，冰和水混合便形成流体冰。 汽态 蒸发 蒸发潜热 瞄黧耄撩瓣 、7 、，、7 、7 、7 6f h ，、，、，、，、： 。溪麓燃凝结潜热 固态毫s ；：；：s s ：s 蕊：；叠麓一一” 图1 9 真空法制取冰浆原理图 在冰浆真空制备技术的理论研究方面，国外代表人物有韩国科学与技术研究 院h t s h i n 等【舶1 ，他们研究了水喷射蒸发的真空制冰，探讨了真空制冰的理论 基础。通过对单个液滴的蒸发现象，采用扩散控制蒸发模型和闪蒸器内冰晶形成 l o 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 过程的数学模型进行研究，并分析双喷嘴与单喷嘴的s m d 分布( s m d 定义为喷 束中液滴的平均直径，即液滴的体积与表面积之比) 情况下的结冰。另外，i s a o s a t o h 等【4 7 】研究了不同温度的纯水液滴在7 0 - - 1 0 0 p a 的低压下到完全结成冰的过 程，分析了水滴表面温度和水滴质量的变化，并对过冷现象进行了深入的探讨。 韩国b s k i m 掣4 8 】开发了采用7 w t 乙二醇溶液喷射制取冰晶的装置。真空室压 力为0 4 4 k p a ，凝结温度4 。喷嘴采用压力旋转式喷射，其中喷射流速是控制 的关键环节，实验条件下获得直径约3 0 0 p m 的球状冰晶颗粒。 国内浙江大学的陈光明等【4 9 】对真空环境下冰晶形成过程进行了理论分析， 初步建立了闪蒸器内冰晶形成过程的数学模型，推导出了水滴形成冰晶过程的运 动方程、能量平衡方程、质量变化方程，并通过对闪蒸器内冰晶形成过程的数学 模型中的各方程进行无因次化，将其简化为可直接求解的方程或非线性常微分方 程，为对此过程的定量分析提供了一定的依据。西安交通大学的刘伟民等唧捌】 研究了在低压环境( p = 2 0 0 - - 8 0 0 p a ) 的工况范围内，在闪蒸结冰过程中液滴温度 的变化与环境压力之间的关系，通过实验观察了液体闪蒸过程的五种情况，探索 了液滴闪蒸结冰过程中液滴内不同位置点的温度的变化机理，并绘制出了直径 1 6 5 m m 的液滴在距离中心点不同距离上的温度随时间的变化曲线。上海海事大 学章学来等【5 2 】分析了国内外关于真空环境下冰晶形成过程的理论和实验研究， 改进了描述水滴表面温度与时间关系的数学模型，并设计出一套捕冷盘管补冷的 冰浆真空制备系统。 典型的真空制冰装置主要由真空闪蒸装置，供水装置，真空维持装置，储冰 装置这几个部分组成。供水装置提供水( 一般为乙二醇水溶液) 经雾化喷嘴喷射 入真空闪蒸装置，雾化水滴在闪蒸装置内快速蒸发降温，所产生的水蒸气由真空 维持装置去除，这样真空闪蒸室就能始终维持一定的真空度，雾化水滴可以持续 闪蒸降温生成冰晶，生成的冰晶与水混合后成为冰浆储存在储冰装置内。图1 1 0 所示为冰浆真空制备系统图。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 l 自来水2 过滤器3 水槽 4 给水泵5压缩空气 6混合槽7 喷嘴8真空室9 冰浆l o蒸气冷凝 l l液氮瓶1 2 真空泵1 3 排气 图1 1 0 冰浆真空制备系统图 ( 7 ) 制冰方式的优缺点比较 上述各冰浆制取方式可分为两类，一类为间接冷却形式，即用管内壁面将水 冷却并采用机械刮削或颗粒碰撞方法将壁面周围的冰晶剥离；另一类为直接冷却 形式，即采用直接热交换，将结晶器与蒸发器合一并在结晶器中生成冰晶。 目前，已商用的装置主要采用壁面刮削式和过冷式，其他方式则正处于试验 阶段。壁面刮削式装置性能稳定，制冰效率较高，不会出现冰堵现象，但由于系 统复杂和采用易损的刮削装置，价格昂贵且能效较低。过冷式装置结构简单且系 统造价较低，但经过过冷器一次冷却后的i p f 为2 ，故达到一定i p f ，水泵的 能耗较高，而且过冷器内结冰发生过于频繁，必要的融冰措施降低了系统的可靠 性和能效；流化床式系统对过冷壁面温度和水速，结晶颗粒的大小等因素的控制 要求很高，需要避免壁面冰层生成并造成阻塞。直接接触式过程涉及液液和液- 固两相流动和传热，并要求相接触的两种介质不互相溶解，因此制冷剂的选择范 围较窄，且运行一段时间后存在性能衰减问题。冰晶的形成过程涉及复杂的液一 液和、液- 固两相流动和传热。真空式中实现水的蒸发与结冰在低压下同时进行， 蒸发潜热与凝固潜热直接交换，换热效率高，且制冷设备仅用于冷凝蒸汽。大多 研究仅限于理念分析与实验研究阶段，因此在基本的理论和数值模拟方面需要更 多的工作。 综上所述，各种冰浆制取方式的优缺点比较如表1 3 所示： 1 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 表1 3 冰晶制取方法的比较 1 3 本文的研究目的和内容 冰浆凭借其本身高蓄能密度、良好的流动及换热特性等特点，不但被应用于 商业空调与集中供冷领域，而且正逐渐向工业、医学、食品冷藏加工、消防及管 道清洗等领域拓展，并取得了一定的成果。但现有冰浆制备方式存在许多不足， 而真空式冰浆制克服其它制冰方式的某些不足，实现较高的结冰率，较少的运动 部件而逐渐成为动态蓄冷领域的研究热点之一。事实上，目前对冰晶粒子形成过 程的描述及传热传质机理及特征研究还还未没达到认知冰晶粒子形成过程的本 质阶段。 因此，本文的主要目的是：从真空环境下冰晶粒子形成过程中水分迁移与热 量传递两个过程描述出发，揭示低压条件下传热与传质的规律及特点，并分析冰 晶粒子形成过程的主要影响因素，对建立真空法制取冰浆的控制提供科学建议， 进而认知低压下条件下热质传递的规律。 本文的研究内容分以下几个方面： ( 1 ) 对真空条件下固一液一气三相相变传热问题进行了理论分析，阐述了真 空法制取冰浆的技术基础，建立真空条件下冰浆制备相变传热的数理模型，并对 冰晶粒子在真空环境形成过程的水分迁移和热量传递进行数学描述。 ( 2 ) 分析了在不同的粒径尺寸和真空环境压力下，液滴表面温度的变化规律 及特性，并讨论了过冷度与不同添加剂浓度对液滴成核的影响。 ( 3 ) 针对目前真空法制取冰浆过程中水蒸气冷凝存在的问题，提出了一种新 型捕冷方式。并探讨了该捕方式构如何实现问题，同时对该捕冷方式下冰晶粒子 形成进行了数值计算，为真空法冰浆制备装置的设计和使用提供理论依据。 中南大学硕士学位论文第二章低压下冰晶粒子形成特性研究 第二章低压下冰晶粒子形成特性研究 2 1 真空制冰技术基础 任何制冰过程都离不开介质本身、介质与周围环境之间、环境本身的传热传 质特性。真空制冰与其它制冰方式样，基本原理都是传热传质理论。有所不同 的是真空制冰过程中，制冰的周围环境为密闭的低压空间。 2 1 1 真空环境特性 真空是指在给定空间内，气体分子密度低于该地区大气压下的气体分子密度 的气体状态。真空状态下气体的稀薄程度称为真空度。真空度是用压力表测量的， 国际单位制中压力的单位是帕斯卡( p a ) ，1 p a 的压力是指l m 2 面积上作用1 n 的 力，即1 p a = l n m 2 。1 标准大气压( 1 a t m ) 近似等于1 0 1 3 1 0 5 p a 。 真空状态下的气体称为稀薄气体，其具有许多特性【5 3 】。 ( 1 ) 热分子压力效应 在常压下，容器中各点气体的压力总是相同的，当不同地点暂时出现温差时， 相应地点也就出现了密度差。对于稀薄气体，当容器内不同地点出现温度差时， 相应地点就会出现压力差。这种现象可借助图2 1 予以说明。 ab 图2 1 热分子压力效应 设容器被隔为a 、b 两个部分，隔板上有一通孔0 ，将两部分连通起来。 假设容器中两部分充以同一种气体，其压力和温度分别为肌、a 和p b 、t b 。达 到平衡时通孔o 没有明显的气体流动。由于气体分于的热运动，单位时间内通 1 4 中南大学硕士学位论文第二章低压下冰晶粒子形成特性研究 过孔o 从a 侧移向b 侧的分子数必然等于由b 侧向a 侧移动的分子数。 两侧气体达到平衡时的条件可表示为 呼。 式中：r 气体分子密度，k g m 3 ； 国算术平均速度，m s 。 根据理想气体状态方程： 万：旦 灯 式中：卜玻尔兹曼常数。 算术平均速度可表示为： 缈2 、磊8 k t f ( 2 一1 ) ( 2 - 2