毕业论文（设计）过冷法制取冰浆实验探究

1、过冷法制取冰浆实验探究摘要 动态冰幫冷技术是目前蓄冷技术重要研究方向之一，其中冰浆制取是关键研究方向。该 文介绍了一种二次冷媒式过冷水制取冰浆实验系统的原理和结构，对实验过程进行了监控和记录，得 到系统稳定运行过程中的系统参数，并对系统中重要部件的必要性进行了实验验证，实验表明，制冷 量、水流量和乙二醇流量都对过冷水制取冰浆实验有着重要影响。关键词：动态冰蓄冷；冰浆；过冷水；系统稳定abstract nowadays dyn amic ice thermal storage tech no logy is one of the imports nt research directions in

2、 energy storage technology, and the way how to make dynamic ice steadily is the key research directi on .this article in troduces a kind of sec on dary refrigera nt method based on supercooled water; and gives a brief introduction of the principle and structure of experimental systemn the process of

3、 the stable experiment of making ice slurryzthe system parameters are being monitored.this article gives the experime ntal verificatio n of the n ecessity of the importa nt comp orients in the experime nt. accordi ng to the experimental results, the refrigerating capacity,the water flow and the ethy

4、lene glycol flow have an importa nt influe nee on the method of supercooled water maki ng ice slurry.1引言冰蓄冷技术是目前缓解电力供应压力、“削峰填谷”的重要方法z。，其发展经历 了水蓄冷、静态冰蓄冷、动态冰蓄冷，以及目前的功能性相变材料pcm蓄冷1。其利 用夜间廉价目充裕的电力高效的制冰蓄冷，在用电高峰吋间融冰释冷。为客服静态冰蓄 冷技术的固有缺陷，各种动态冰蓄冷技术方式成为目前的研究热点，其中过冷水动态制 冰技术受到了广发关注。冰浆技术被普遍认为是一种很有潜力的蓄冷技术，是近年来日本、北美

5、及欧洲等国 家和地区研究的热点。动态冰蓄冷技术从原理上彻底改变了传统的制冰方式，与传统的 静态冰蓄冷相比具有制冷主机蒸发温度与cop值较高、热交换效率高等优点，有明显 的节能优势2。冰浆是由微小的冰晶和载流溶液组成的混合物，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，其既可以在蓄冰桶中进行储存，又可以像普通流体一样在管 道内输送，而且因为在传热过程中发生相变（相变潜热335 kj/kg）,具有比单相流体更 好的换热性能。加之众多的微小冰品在换热过程中提供了更大的换热面积，故而冰浆具 有更好的换热性能，可以迅速响应热负荷的变化。并且冰浆可以流入换热器的缝隙中， 换热效率更高。所以，同

6、水相比，采用冰浆作为载冷剂，在同样的热负荷下，可以大大 减少流量，或减少输送管道的直径、泵的功耗及换热设备的尺寸3。目前，冰浆主要应用于区域供冷、建筑空调、矿井冷却、工业冷冻、食品冷藏和医 学等领域4-5o冰浆制取方式是近年来冰浆技术发展的关键环节，研究的目的在于获得 高效、节能和性能稳定的冰浆发生装置6。其屮，过冷法制备冰浆主要是利用水的过冷现象进行动态制冰。过冷法制冰系统具 有系统简单、造价低、换热效率高等优点7,得到国内外广泛关注。但在制取过程中， 由于过冷水处于业稳态，易在过冷却器内提前解除过冷状态而结冰，导致过冷却器发生 冰堵，影响系统运行的稳定性。2实验装置和原理图1过冷法制冰系统

7、示意图1过冷却器2过冷解除装置3蓄冰罐4水泵5冰晶过滤器6流量计7闸阀8乙二醇溶液罐9溶液泵10闸阀11蒸发器12压缩机13冷凝器14膨胀阀图2实验装置图本实验搭建的过冷法制取冰浆系统主要包括四部分，分别为制冷系统、二次冷媒系 统、过冷水循环系统和数据测量采集系统。（1）制冷系统本实验装置制冷系统采用的常规蒸汽圧缩式制冷系统，主要部件 有制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、热力膨胀阀、气液分离器等。制冷系统中采用r22作 为制冷剂，冷凝器选取风冷冷凝器，蒸发器采用板式换热器，通过板式换热器将冷量传 给乙二醇水溶液。制冷系统的作用是为整个系统提供冷量，制冷剂经过膨胀阀节流后变 为低温低压的湿蒸汽，在板式

8、换热器内与乙二醇溶液换热，将冷量传给乙二醇溶液，使 乙二醇水溶液保持在较低的温度，最终连续不断地制取冰浆。选取系统的制冷机组时，制冷量的大小是由蓄冰桶内的蓄水量决定的。本实验制冷 机组为成品机组，压缩机为泰康制冷设备有限公司生产的tfh4531f系列产品，名义马 力为2.75匹。在频率50hz、冷凝温度54.5°c、蒸发温度10°c下，系统制冷量为3500w。 实验采用的蓄冰罐为专门定做的不锈钢的保温桶，蓄冰罐直径为500mm,高1.4m,实 验中水面高度为imo（2）二次冷媒系统实验中采用的二次冷媒介质为体积分数为40%的乙二醇水溶 液，常温常压下的冰点温度为-24

9、76;c,远低于系统设定的温度，可以保证系统运行时二 次冷媒不会温度过低而冻结。在制冷循环和过冷水循环中加入二次冷媒循环，主要是利 用二次冷媒的传热来减小制冷剂温度的波动对水温度的影响。二次冷媒系统中乙二醇溶 液发牛两次换热，乙二醇溶液从乙二醇溶液罐中经溶液泵输送到蒸发器中与制冷剂换热 降温，制冷剂把冷量传递给乙二醇，再进入到过冷却器中与水换热，将制冷剂的冷量传 递给水，使水逐渐降温。实验屮采用的乙二醇溶液罐为定做的直径600mm.高度0.8m的 不锈钢保温桶，溶液泵为奥兰克wd系列高扬程漩涡泵，频率可调范围为10-60hz,最 大流量为90l/min,与变频器连接，运行时可以通过调节溶液泵的

10、频率或者管路上的闸 阀來控制乙二醇溶液的流量。（3）过冷水循环系统 过冷水循环系统的核心装置为过冷却器，本实验采用的换 热器为板式换热器。与一般的套管式换热器相比，板式换热器具有热换效率高、系统紧 凑、占用空间小的明显优势。过冷水循环系统小，蓄冰罐内的水通过水泵和冰晶过滤器 后送至过冷却器内，在过冷却器中与乙二醇水溶液进行换热，水接收冷量温度逐渐降低, 在过冷却器的出丨i达到较大过冷度，然后经过过冷解除装置，解除过冷状态生成冰晶, 生成的冰晶在水流作用下进入蓄冰桶内，桶内的水再次进行循坏，不断地生成冰晶。水 的过冷状态极不稳定，受许多因素的影响。过冷却器发生冰堵，系统需要停止制冰，采 取措施对

11、过冷却器内的进行化冰处理，然后再次进行降温冷却制冰，实验时要探究避免 过冷水在过冷却器内发生冰堵的条件。（4）数据测量采集系统实验为了对系统进行分析，研究整个过程温度的变化, 需要对数据进行测量，主要测量的数据有：过冷却器进出口的水温和流量、乙二醇溶液 的流量和进出口的温度、蓄冰桶内水的温度、乙二醇溶液罐内乙二醇水溶液的温度、蒸 发器进出口制冷剂的温度等。3实验结果和分析3.1系统稳定运行图0.8 i ir-r-n05101520253035404550时间（min）蓄冰桶进口温度 蓄冰桶出口温度 。一乙二醇板换进口 乙二醇板换岀口0 2 4 o q £图3压缩机频率25hz、乙二醇

12、泵频率60hz、水流量0.8口沙,稳定运行图经过多次重复实验，找到了一种工况条件下，系统能稳定运行出冰，不会出现冰堵 情况。可以看到，当蓄冰桶进口温度下降到-0.6°c左右时，由于超声波的作用，蓄冰桶 内开始出现小冰晶，且小冰晶逐渐增多并聚集，当蓄冰桶内有足够多的小冰晶时，关闭 超声波，此时系统能稳定运行。此时蓄冰桶出口温度开始保持恒定，在-0.15°c左右（超 声波和蓄冰桶出口温度测量点较近，超声波对探头测温有一定影响，所以最开始蓄冰桶 出口温度变化较大，但关闭超声波后，则会稳定在-0.15°c左右，可以认为系统稳定出冰 z后，蓄冰桶出口温度一直稳定在-0.15

13、°c附近），而蓄冰桶进口温度也逐渐趋于稳定， 在0.7°c上下波动。在这样的稳定条件下，系统运行了 40min,期i'可没出现冰堵情况。3.2纯净水和自來水的影响。实验对自來水和纯净水在不同的水流速工况下和不同 制冷量下冰晶生成实验。实验证明，自来水和纯净水经过过冷却器后都能生成冰晶，且 同样工况下所能达到的过冷度差别不大。冰晶出现后，稳定存在的时间大大提高，冰晶 呈薄片状生长。过冷水冲击在水面上，经过一定时间后在水入流处形成“冰山”。如图 分别为纯净水和自来水形成的冰品图。图4纯净水形成的冰晶图图5自来水形成的冰晶图3.3不同过冷解除装置的影响。如何解除过冷却器内

14、水的过冷度是制取冰浆的关键, 实验分別采用了过滤筛、钢板和超声波进行了实验。实验表明，超声波对稳定连续制取 冰浆最有效。当采用过滤筛和钢板时，当过冷水温度降低到-0.65°c左右时，过冷水撞击过滤筛或 钢板表而，在表面开始出现冰晶，并ii冰晶逐渐开始不断长人，大部分冰晶在表面堆积， 少部分混入水中。但随着系统运行，蓄冰桶内冰晶增多，过冷却器水侧的温差持续增大， 导致过冷度持续增大，蓄冰桶出ii水温不能稳定在冰水混合物的温度（09左右），运行 一段时间后出现冰堵，所以系统不能达到稳定连续制冰状态。当采用超声波时，发现超声波对冰晶形成有促进作用。超声波放置在蓄冰桶底部。 实验对同样条件下

15、，分别不开启超声波和在蓄冰桶进口温度下降到0°c附近时开启超声 波进行平行实验。实验结果表明，超声波对冰晶形成有决定性作用，在蓄冰桶内进口温 度下降到-0.6°c左右时，在超声波的作用下，蓄冰桶内开始形成大量的冰晶，而如果没 有超声波，则不会出现冰晶，无法解除过冷度。而在形成大量冰晶后即可关闭超声波， 参数合理的条件下系统就能稳定连续的制取冰浆。3.4冰晶过滤器的影响。冰晶过滤器设置在蓄冰桶和过冷却器z间，其作用是过滤 掉从蓄冰桶流出的循环水夹带的小冰晶，防止其大量进入过冷却器内形成冰堵。实验对 同样条件下，分别设置过滤器和不设置过滤器进行了平行实验，实验结果表明，如果没

16、有冰晶过滤器，则系统很容易出现冰堵，而加上冰晶过滤器后则不会出现冰堵。所以， 冰晶过滤器是系统稳定运行必不可少的。此外，目前过冷水动态冰蓄冷制冰过程中为了消除进入过冷却器的水屮的细微冰晶, 大多需要经过物理过滤后再进行加热处理，把0°c的水加热处理，升高至某一温度（如 0.5°c）后再送入过冷却器，以此避免过冷却器屮出现冰堵的严重问题。在本实验系统屮， 采用可过滤冰晶直径更小的冰晶过滤器后，可不用再用加热处理，取消了预热坏节，蓄冰桶里的水经冰晶过滤器后直接进入过冷却器。实现了通过对过滤装置的优化和流量等 参数的控制实现连续制取冰浆的稳定过程。3.5压缩机频率的影响-蓄冰桶进

17、口温度 亠番冰桶出口温度0102030405060708090100 110 120时间(min)图6乙二醇泵频率60hz、水流量o.smyh ,压缩机频率从25hz逐步下降，系统稳定运行图在压缩机频率25hz、乙二醇泵频率60hz、水流量0.8m3/h条件下系统己稳定运行 了 40min,后逐步增大压缩机频率，可以看到蓄冰桶111 口温度一直温度在-0.15°c左右, 而蓄冰桶进口温度随着压缩机频率的增人而逐渐降低，但对应于每一个压缩机频率都有 一个相对稳定的蓄冰桶进口温度。直至最后当压缩机频率太大，导致蓄冰桶进口温度下 隆至-1.6°c左右，系统出现冰堵。6 4 2 0

18、 8 6 1111 o o过冷度0.4 2025303540455055压缩机频率（hz）图7最衣过冷度、蒸发温度和压缩机频率的关系保持乙二醇泵频率和流量不变，只改变压缩机频率（从25hz升高的49hz）,过冷 度从0.55°c升高到1.45°c,过冷度随压缩机频率的变大而变大；蒸发温度从-4.2°c下降 到-7.9°c,蒸发温度随压缩机频率变大而变小。因为压缩机频率变大，系统制冷量变大， 所以蒸发温度必然降低，冷量变大导致乙二醇侧和水侧温差变大，最大过冷度也变大, 实验结果符合分析的。5 0 5 o 1 1 25十20t蓄冰桶进口温度 一一蓄冰桶出口温

19、度tl乙二醇板换进口温度 乙二醇板换岀口温度304050压缩机频率(hz)图8流量0.8m7h.乙二醉泵频率60hz各温度随丘缩机频率变化趋势从图中可以看出，随着压缩机频率变大，系统制冷量变大，所以系统整体温度都会 下降。由于蓄冰桶出口温度是冰水混合物的温度，因而温度在-0.15°c附近。3.6乙二醇泵频率影响2.5 - i * j i | i # g i * i01 02030405060708090t蓄冰桶进口温度y蓄冰桶出口温度 一乙二醇板换进口温度 乙二醇板换出口温度时间(min)图9流量0,8m7h.压缩机频率25hz,逐步降低乙二醇泵频率，系统稳定运行图图示为保持水流量和

20、压缩机频率不变，乙二醇泵频率从60hz下降到50hz、40hz、 30hz时系统稳定运行图。其中乙二醇泵频率主要影响的是乙二醇的流量大小，频率越小, 乙二醇流量越小。由于制冷系统工况变化不大，且压缩机频率不变，可假定制冷系统传 出的总冷量是不变的。乙二醇泵的功耗问题会损失一部分冷量（称为无效冷量），乙二 醇泵频率减小，无效冷量减小，传递给水侧的有效冷量增大，在水流量保持不变的工况 下，过冷却器水侧的进出口温差会变大，过冷度即会变大。过冷度乙二泵频率(hz)图10最人过冷度和蒸发温度与乙二醇泵频率关系乙二醇泵频率主要影响乙二醇的流量，当乙二醇泵频率降低时，乙二醇循环的流量 变小，在制冷系统传出总

21、冷量不变的情况下，因而乙二醇板换进出口温差变大，同时水 侧的温差也变大，即过冷度变大，过冷度从0.75°c增大到1.35co而系统整体温度降低， 蒸发温度从42°c下降到-5.2°c,所以蒸发温度也会降低。如图所示。乙二醇泵频率(hz)图11流s0.8 myh.压缩机频率25hz各温度变化随乙二醉泵频率变化随着乙二醇泵频率降低，乙二醇循坏流量变小，因而乙二醇板换进出口温差变大, 水侧的温差也变大，系统的整个温度也变低。同样的，由于蓄冰桶出口温度是冰水混合 物的温度，因而温度在-0.15°c附近。从以上分析可以看到，乙二醇泵频率对系统稳定运行各个参数变化有

22、着直接影响。 乙二醇泵主要是影响乙二醇循环的流量，但另一方面乙二醇泵自身的功耗问题，会损失 一部分冷量(无效冷量)，导致最终传递给水的有效冷量减小。所以，需要找到一个较 优的乙二醇泵频率值，使系统在稳定运行的前提下，能达到较大过冷度，同时有佼高的 冷量利用率。3.7水流量的影响水流量对系统稳定制冰有着直接的影响。如果水流量太大，在过冷却器内的扰动也更 大，系统更容易形成冰堵。实验发现，系统不冰堵时，该板式换热器能承受的最大流量 是 1 myho当压缩机频率为25hz、乙二醇泵频率为60hz时，水流量为0.8 mh和2 分别对 应的过冷度为0.775°c和0.567°c。水流量越大，由于系统制冷量没变，故水侧的温差越 小，过冷度越小。4结论基于过冷水动态制冰是一种高效和节能的制冰方式，也是动态冰蓄冷的关键技术之 一，采用本实验系统，能稳定获得均匀冰晶，为工程应用提供了参考。4.1介绍了一种二次冷媒式过冷水动态制取冰浆的实验原理和结构，并对实验装置进 行了各点温度监控，得到运行过程中的参数。4.2为了提高过冷水连续制冰系统的性能，应在制冰系统屮安装冰晶过滤器，通过对