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国测量冰槽内水鲜的导电率，根之据导电率的变穗化计算蓄冰率陆。由于在水溶陷液冻结过程趴中疯,旱假只有水溶剂冻卷结成弃冰意,肝查而溶质的浓度重随着结冰量的动增加而逐渐上叙升，这种溶质病基本上都含有算导电离子，溶删质浓度增加使末其导电率也增铸加，根据导电符率的增加则可更计算出冰的增年加量。导电率膜一般由导电度策计（或导电率狼计）来测定，立故测量装置简究单。这种方法让也只适用于冰朝水混合物停留骄在蓄冰槽内的代结冰过程反。知受6的）导电度阿法换撇测量电导率变洋化的方法之一卖是导电度法。师电阻与电导呈伶倒数关系，利公用测量电阻和贿电导构成了电赛阻法和电导法败，二者的实质援相同。利用水间与冰的电导率律不同，测量冰漂水混合物整体狸的导电率。两乌种导电率不同情物质的混合物举的导电率依赖谦于二者的混合托比例。故，测伶量出混合物整臭体的导电率，戚则可判断出冰唱、水的混合比照例，这就雀是吵“缘导电度乱法松”奶测量蓄冰率的禁原理。测量电捏阻需要将一对野电极沉浸在冰促水混合物中，袖并需要测量混艇合物整体的导哥电度。在测量暖贮冰槽整体的脚蓄冰率时，冰利槽的两边需要扒同样的电极。洲一般而言，水竹的导电率因水览温和水质而异挂，故为了消除漠水质变化对测奇量精度的影响伴，需增设辅助孝电极同时测量唯水的导电度瞎。系句2.2怕艘输送管版内裤IP宝F等的测剧量锁没测量冰水输送妈管内的蓄冰率络时，必须考虑日能实时连续测喜量、不受流速富的影响、不受茄粒子性状的影锯响、不能妨碍百流动的进行，锈而且要求精度蔑高、稳定性与查通用性好等各骑种因素耗。孙骄1繁）帽烟γ剂射线吸收惜法代鸡由于水与冰的窗密度已知，故抓可以利用冰水生密度不同来判侨定混合物中的戚蓄冰率。密度驾的测量方法之驳一就辱是牌γ雁射线吸收法负。洞届γ勒射线是放射线剧的一种，它是减一种波长极短钱的电磁波，具搅有很强的穿透放能力。罢但汇γ逼射线穿透物质动时，将有部捏分摘γ油射线被物质吸匹收，其吸收量惯与物质的密度铅呈比例关系，躲利用此原理测缘量物质密度的供仪器称遍为目γ栽射线密度计新。停γ集射线光排源耐有高137Cs荣(腔铯折)冬、谈241Am速(牙镅脊)记、秤60Co青(篮钴乎)拉等美。竖I园为跪γ越射线穿透强度俊，毯I爬0暮为蛛γ木射线入射强度叠，久则售岗I=I0e围x踩p恐（美-巴μ兄ｍ手各ρ箩Ｄ）仪（档1僚）励到式中午，册μ逆ｍ：质量吸收随系数产；亏ρ舅：吸收物质密泉度；Ｄ：穿透盒距离耍。罢量当光源与配管虏尺寸确定后幕，道(cm2/g客)乏与已知摆，拥I蹦与挨I堆0景可以测量，故希可以计算出管挣内冰水混合物啊的密涌度罩(g/cm3壳)糠，进而可计算坛出管内的蓄冰璃率打。巨火γ贴射线密度计为刻非接触式，可哗以实现在线测吴量，但由于采掘用放射性光源惠，故管理比较苏麻烦辞。驱壮2餐）重量法劣恐肝作为直接测量谋管内冰水密度字的方法有利贸用上U同型管的重量法习。将输送管的经一部分设计成讨水平渠的植U凶型管，并通过老两个挠性接头怪固定在管路上论。挂在婶U拨型管的自由端晕设置负荷传感龟器理（牲Loadc麦el姨l咽），用此来测塞量蓝U勺型管的重量。纱也可以用直管街代僚替阴U优型管，这种方烛法的特点是测配量精度高，但北存在有测量设旺备庞大的缺陷济。缎3）质量法奴可以采用与重迷量法相似的装名置来测量冰水签密度。榜将葬U姿型管用弹性体捡进行支撑，由雀电磁力施加振面动力。因管内叫流动的冰水混絮合物的固有频膏率发生变化，磁故通过测量管耻内固有频率来贫判定混合物的验密度，这是利胃用振动法测量泽密度的原理。踪利用此法可实永现在线测量准。晨拔此外，已经开薯发出了利用作丰用煤在瑞U芝型管上科里奥袄利友（饼Coriol篇i顷s供）力同时测量选质量流量和管席内介质的密度篮的流量计，如坑图故5.败2额所示。利用此煌流量计有可能圈作为冷热输送鞭的热量计使用照，这是行业内银关心的课题羊。房4）单管法场冰水密度差决桃定了冰的浮升们力，蓄冰率不极同，其管内压泼力损失大小也划不同。这种方陷法已经应用于群雪水输送管路萍内雪浓度的测沃量，雪与冰的顽特性相同，故霞也可以应用于懒冰水混合物输吐送浓度的测量委中。在垂直上瞎升管内，设雪参水的两相流动吸水力梯度只为巧i(i=h/卸L感)饲，相同流量的匪水的水力梯度樱为域i陪w据，并假定冰的哨混入对管壁摩袭擦力没有影响握，此时管内蓄营冰阁率冰C印由输（卵2盗）式给出骨：埋呼C=烧·晒（跑2奴）蛙咱式中伟，待Φ间：附加压力损庆失系数，与管酬径和流量有关昌。阔门研究表明，在副管内流速不是巾很大，蓄冰率钞在芒4恢%导范围以内，可橡以准确测量。俭在实际测量中押，垂直上升管努的长度很难取构得较长钥。别贵5做）超声波邻法洽案由发射器发出站超声波，经粒辽子的散射、吸屑收而衰减，到捡达接收器时，唉其强度减小了多。将超声波发叫射器和吸收器援分别设置在被魄测输送管的两龙侧，测量发射涉器发出的超声录波到达接收器刷的声压级的衰洲减程度，判定棍有、无冰晶粒闷子通过，或冰锐晶粒子通过多纠少，从而确定裂蓄冰率的大小窃。这种方法对顿悬浊液的测定棋已进入实用化费，对冰水混合沙物中的适应性瞒尚需进一步进萌行研究盖。毯咸6毙）超搅拌阻力释法答丘利用检测插入虹管内的回转物轰体（圆环）的闻驱动力矩来测遵量雪水两相流猪的蓄冰率。装遮置利用法兰连迈接在输送管上持，电机驱动回笔转物体以一定往转速转动，测叨量所需驱动力艳矩，蓄冰率越斜高，驱动力矩啦越大，根据蓄雅冰率与驱动力尽矩的（实验数矮据）关系，测逐量混合物中的岛蓄冰率。研究尝表明，驱动力晨矩受流速和雪谣（冰）性质的馅影响很小，在帅蓄冰率华为踩6欲%叛范围以内，可硬以准确测量。羽这种方法可直灵接应用于冰水敞两相流中蓄冰衬率的测量梅。锅荐7执）导电度狼法式伞有人提出了测泡量冰水混合物善蓄冰率的导电强度法技术方案类，蓄冰率和冰广水混合物电阻权率之间的关系凶由试验得出单：沃f=（3）主式中展，闹f慢：蓄冰抖率胁裳ρ啦：冰水电阻鼓率颠赏ρ肤ｗ：水的电阻软率速燕除需要拟合准储确的试验公式滩外，还需同时告测量水与冰水也混合物的电阻演率，从而直接槐计算出蓄冰率欢，并且需要对箩保护彻（母Guar的d桑）电极进行探考讨，以获得良区好的精度、稳胆定性和通用性冠的测量方法。燕测量电阻时，匹在管内壁面上厨相向设置一对派电极。在测量绘管内电阻时，眉冰水不仅在电顾极之间，而且害上、下游处于肥开放状态，此静时在测试用电驼极的两侧增设览保护旅（肾Guar笔d钓）电极，有利乳于提高测量精盈度尽。芬傍8最）静电容量厘法歪贯与上述导电度全法相似，冰水偏除具有不同的串导电率外，还宝具有不同的诱押电率。可以通喉过测定诱电率胀来判定蓄冰率吓。在管路上设忌置测量电极的欣方法，这种用挡静电容量法测闲量槽内蓄冰率秒的方法正处于逃研究阶段宿。淡袋2.3四顺采样法测燥量距IPF豆采集试料（冰抱水混合物）测厉量蓄冰率不能础实现在线测量痕和实时测量，菊但作为校验其沫它测量方法精佳度是非常有用薯的捎。希1）热量法显测量积雪中含祸水率现在普遍济采用秋天谷式酒含水率计。测妄量温水与（含万雪）试料混合哭后的平均温度俱，根据各质量予与温度计算含牌水率。测量精葵度取决于质量僻与温度测量精粗度，由于是直旗接测量，故测京量精度较高。胳此方法常作为闻其它测试方法谜的校正手段跑。肉贴2区）离心脱水馆法诊奉对采样的冰水销混合物经过滤瓶、离心脱水处颜理后，测定冰草的质量。根据伴采用热量法求史取脱水后试