冰蓄冷系统的测量

冰蓄冷系统的测量摘要：蓄冰率是冰蓄冷系统运行管理与优化控制的重要测量参数，其测量方法是冰蓄冷技术的核心内容之一，本文总结了目前静态与动态制冰系统中蓄冰率测量的各种方法，并对其测量原理进行了简洁描述。关键字：冰蓄冷系统蓄冰率测量前言在冰蓄冷空调系统中，从制冰装置到空调末端之间有众多的设备，故需要测量的对象也很多。蓄冰槽内的蓄冰率（IPF，IcePackingFactor，定义：冰在冰槽内冰水混合物中的质量比率）标志着蓄冰槽单位体积内所贮存的冷量，故在蓄冰空调系统的运行管理与自动控制中，IPF是一个不可缺少的测量参数。本文以测量蓄冰率为焦点，介绍其各种测量方法及其原理。1冰蓄冷与蓄冰率冰蓄冷空调系统根据向末端设备输送和分配冷量过程中有无冰的移动可分为动态蓄冰和静态蓄冰两大类。在静态蓄冰系统中，有管外制冰、管内制冰、冰球制冰等方法，在动态蓄冰系统中，冰微粒有微粒状、扁平状、正方体状冰。无论上述哪种情况，冰都是在水溶液中由清水（纯水）结晶出来的。至今为止，已经提出了多种多样的冰蓄冷系统方案。在静态制冰系统中，制冰时的冷机运转控制与融冰时的残冰量预测都必须检测蓄冰槽内的蓄冰率IPF；在动态制冰系统中，除需要把握蓄冰槽内的贮冰量外，还需避免冰浆输送过程中的管路阻塞、把握末端设备的冷量需求，也同样需要检测蓄冰槽和输送管路内的蓄冰率IPF。2蓄冰率的测量方法与测量原理针对上述冰的各种生成方法和性状，应用各种原理提出了相应的蓄冰率测量方法。由于冰为固体，水为液体，冰水混合物的流动为固液两相流，在现有的测量方法中，也有直接将其它领域的固液两相流的测量方法应用于冰水混合物蓄冰率的测量方案；也有在其它领域没有采用的独特的冰水混合物蓄冰率测量方案的提出。但各种测量方法的提案均处于实验阶段，其精度、稳定性、简便性、普适性俱佳的测量方法还难以确立，有待于进一步研究提出更为优良的测量方法。本文介绍了到目前为止的各种蓄冰率测试方法和测量原理。在各方法中，按适用于制冰槽与蓄冰槽、输送管、采样法进行分类，并在下文中顺序说明。2.1制冰槽、蓄冰槽内IPF的测量1）水位变化量在冰盘管的外侧和内侧表面结冰的静态制冰系统中，通常采用测量水位的上升来计算槽内蓄冰率IPF，这是利用水结冰后体积膨胀原理所进行的直接水位测量方法。冰的密度为917kg/m3，1000kg冰其体积为1.090m3，即1000Kg(或1m3)的水，完全结冰后其体积增大至1.090m3。故，随着结冰过程的进行，冰槽内的水位逐渐上升，根据水位上升量则可换算出IPF。水位的测量直接采用简单的传统方法（如：浮子法、差压法、超声波法等）。但这些方法要求在制冰过程中冰槽内冰水混合物的总量必须恒定，如果出现冰槽泄漏或冰块上浮现象，将会导致很大的误差。2）探针型冰厚传感器在冰盘管表面设置探针型冰厚传感器，以测量盘管表面的结冰厚度。探针型冰厚传感器的检测原理是：每单位时间内使可移动的冰厚检测探针紧贴冰面，根据探针的位移量或停止位置检测出冰的厚度，进而根据冰厚与盘管总长度计算出槽内结冰总量。这种方法要求各个位置上的结冰均匀。3）电极型冰厚传感器此方法与探针型冰厚传感器测量原理相似，是一种利用结冰厚度来推定结冰量的方法。冰厚传感器采用电极式，利用电极之间的电阻变化量来推测结冰厚度。此类传感器又有两种类型：①检测到达预设厚度与时刻；②利用电极间电阻值的变化，连续检测结冰厚度（电极垂直设置在冰盘管表面上）。一般而言，水中含有各种离子，具有一定的导电性能，与此相反，纯净的冰基本上可以视为绝缘体。故，冰层覆盖电极表面后电极间的电阻值会增加，根据电阻值的大小计算出冰层厚度。由于水质不同，其电阻值也不同，故在测量时，需在槽内增设辅助电极，同时测量水的电阻值，以消除水质不同对结冰厚度测量的影响。4）凝固点变化在水溶液冻结过程中，只有溶剂水冻结成冰，而溶质的浓度随着结冰量的增加而逐渐上升，由此导致溶液的凝固点逐渐下降。故利用温度传感器检测溶液(原文中为“载冷剂”)温度变化,并利用结冰率与溶液温度的对应关系来测量蓄冰率。由于只需测量温度,故检测装置简单。溶液温度与IPF对应关系的试验结果，其最大测量误差为2.5%。但这种方法只适用于冰水混合物停留在蓄冰槽内的结冰过程。5）蓄冰槽内电导率变化测量冰槽内水的导电率，根据导电率的变化计算蓄冰率。由于在水溶液冻结过程中,只有水溶剂冻结成冰,而溶质的浓度随着结冰量的增加而逐渐上升，这种溶质基本上都含有导电离子，溶质浓度增加使其导电率也增加，根据导电率的增加则可计算出冰的增加量。导电率一般由导电度计（或导电率计）来测定，故测量装置简单。这种方法也只适用于冰水混合物停留在蓄冰槽内的结冰过程。6）导电度法测量电导率变化的方法之一是导电度法。电阻与电导呈倒数关系，利用测量电阻和电导构成了电阻法和电导法，二者的实质相同。利用水与冰的电导率不同，测量冰水混合物整体的导电率。两种导电率不同物质的混合物的导电率依赖于二者的混合比例。故，测量出混合物整体的导电率，则可判断出冰、水的混合比例，这就是“导电度法”测量蓄冰率的原理。测量电阻需要将一对电极沉浸在冰水混合物中，并需要测量混合物整体的导电度。在测量贮冰槽整体的蓄冰率时，冰槽的两边需要同样的电极。一般而言，水的导电率因水温和水质而异，故为了消除水质变化对测量精度的影响，需增设辅助电极同时测量水的导电度。2.2输送管内IPF的测量测量冰水输送管内的蓄冰率时，必须考虑能实时连续测量、不受流速的影响、不受粒子性状的影响、不能妨碍流动的进行，而且要求精度高、稳定性与通用性好等各种因素。1）γ射线吸收法由于水与冰的密度已知，故可以利用冰水密度不同来判定混合物中的蓄冰率。密度的测量方法之一就是γ射线吸收法。γ射线是放射线的一种，它是一种波长极短的电磁波，具有很强的穿透能力。但γ射线穿透物质时，将有部分γ射线被物质吸收，其吸收量与物质的密度呈比例关系，利用此原理测量物质密度的仪器称为γ射线密度计。γ射线光源有137Cs(铯)、241Am(镅)、60Co(钴)等。I为γ射线穿透强度，I0为γ射线入射强度，则I=I0exp（-μｍρＤ）（1）式中，μｍ：质量吸收系数；ρ：吸收物质密度；Ｄ：穿透距离。当光源与配管尺寸确定后，(cm2/g)与已知，I与I0可以测量，故可以计算出管内冰水混合物的密度(g/cm3)，进而可计算出管内的蓄冰率。γ射线密度计为非接触式，可以实现在线测量，但由于采用放射性光源，故管理比较麻烦。2）重量法作为直接测量管内冰水密度的方法有利用U型管的重量法。将输送管的一部分设计成水平的U型管，并通过两个挠性接头固定在管路上。在U型管的自由端设置负荷传感器（Loadcell），用此来测量U型管的重量。也可以用直管代替U型管，这种方法的特点是测量精度高，但存在有测量设备庞大的缺陷。3）质量法可以采用与重量法相似的装置来测量冰水密度。将U型管用弹性体进行支撑，由电磁力施加振动力。因管内流动的冰水混合物的固有频率发生变化，故通过测量管内固有频率来判定混合物的密度，这是利用振动法测量密度的原理。利用此法可实现在线测量。此外，已经开发出了利用作用在U型管上科里奥利（Coriolis）力同时测量质量流量和管内介质的密度的流量计，如图5.2所示。利用此流量计有可能作为冷热输送的热量计使用，这是行业内关心的课题。4）单管法冰水密度差决定了冰的浮升力，蓄冰率不同，其管内压力损失大小也不同。这种方法已经应用于雪水输送管路内雪浓度的测量，雪与冰的特性相同，故也可以应用于冰水混合物输送浓度的测量中。在垂直上升管内，设雪水的两相流动水力梯度为i(i=h/L)，相同流量的水的水力梯度为iw，并假定冰的混入对管壁摩擦力没有影响，此时管内蓄冰率C由（2）式给出：C=·（2）式中，Φ：附加压力损失系数，与管径和流量有关。研究表明，在管内流速不是很大，蓄冰率在4%范围以内，可以准确测量。在实际测量中，垂直上升管的长度很难取得较长。5）超声波法由发射器发出超声波，经粒子的散射、吸收而衰减，到达接收器时，其强度减小了。将超声波发射器和吸收器分别设置在被测输送管的两侧，测量发射器发出的超声波到达接收器的声压级的衰减程度，判定有、无冰晶粒子通过，或冰晶粒子通过多少，从而确定蓄冰率的大小。这种方法对悬浊液的测定已进入实用化，对冰水混合物中的适应性尚需进一步进行研究。6）超搅拌阻力法利用检测插入管内的回转物体（圆环）的驱动力矩来测量雪水两相流的蓄冰率。装置利用法兰连接在输送管上，电机驱动回转物体以一定转速转动，测量所需驱动力矩，蓄冰率越高，驱动力矩越大，根据蓄冰率与驱动力矩的（实验数据）关系，测量混合物中的蓄冰率。研究表明，驱动力矩受流速和雪（冰）性质的影响很小，在蓄冰率为6%范围以内，可以准确测量。这种方法可直接应用于冰水两相流中蓄冰率的测量。7）导电度法有人提出了测量冰水混合物蓄冰率的导电度法技术方案，蓄冰率和冰水混合物电阻率之间的关系由试验得出：f=（3）式中，f：蓄冰率ρ：冰水电阻率ρｗ：水的电阻率除需要拟合准确的试验公式外，还需同时测量水与冰水混合物的电阻率，从而直接计算出蓄冰率，并且需要对保护（Guard）电极进行探讨，以获得良好的精度、稳定性和通用性的测量方法。测量电阻时，在管内壁面上相向设置一对电极。在测量管内电阻时，冰水不仅在电极之间，而且上、下游处于开放状态，此时在测试用电极的两侧增设保护（Guard）电极，有利于提高测量精度。8）静电容量法与上述导电度法相似，冰水除具有不同的导电率外，还具有不同的诱电率。可以通过测定诱电率来判定蓄冰率。在管路上设置测量电极的方法，这种用静电容量法测量槽内蓄冰率的方法正处于研究阶段。2.3采样法测量IPF采集试料（冰水混合物）测量蓄冰率不能实现在线测量和实时测量，但作为校验其它测量方法精度是非常有用的。1）热量法测量积雪中含水率现在普遍采用秋天谷式含水率计。测量温水与（含雪）试料混合后的平均温度，根据各质量与温度计算含水率。测量精度取决于质量与温度测量精度，由于是直接测量，故测量精度较高。此方法常作为其它测试方法的校正手段。2）离心脱水法对采样的冰水混合物经过滤、离心脱水处理后，测定冰的质量。根据采用热量