直接接触固液相变制冰及冰蓄冷系统的研究进展
科技成果——过冷水式动态制冰(动态冰蓄冷)技术
科技成果——过冷水式动态制冰（动态冰蓄冷）技术所属行业空调、热工应用设备行业适用范围蓄冷中央空调系统、蓄冷区域集中供冷系统、各种工艺冷却系统、食品渔业等冷藏保鲜、混凝土冷却等成果简介1、技术原理在过冷水动态制冰过程中，冰层不在换热表面生长，因而水与冷媒之间热阻并不随制冰的过程进行而改变，过冷水动态制冰制出的“泥状冰”是一种冰水混合物，其中的冰晶呈微小的针状或鳞片状，与块状冰相比，泥状冰与取冷冷媒之间的换热系数较大，能够在短时间内释放出大量的冷量。
2、关键技术采用板式换热器通过高效对流换热方式制取-2℃的过冷水，再促晶生成冰浆，该动态制冰方式把传热和结冰两个环节在时间和空间上分离，从而实现低温差高效率传热并结冰，大大降低制冰能耗。
过冷却器是过冷水动态制冰的关键器件，过冷水处于一种亚稳定状态，水在进入过冷器前就要采取防止结冰的措施，当在过冷器出口获得较大过冷度的水时，可迅速消除过冷状态使得冰晶出现。
一般过冷水与挡板、器壁或两部分过冷水之间发生激烈冲击，会破坏过冷水的过冷状态。
过冷水动态制冰过程中水与冷媒之间始终保持较大的换热系数，因而过冷水连续制冰能够提高冰蓄冷空调的用能效率，泥状冰可以随水在管道中直接输送，从而提高冷量的输送效率，与传统的冷冻输送方式相比，输送冰浆可以降低泵耗，减小管道直径和末端换热面积，有着广阔的应用前景。
3、工艺流程过冷水动态制冰概念图和动态冰蓄冷空调系统示意图如下：过程描述：过冷水动态制冰系统通常包括过冷却器、过冷解除装置、蓄冰槽。
水从蓄冰槽中抽出，温度为0℃或稍高于0℃，经过冷却器与冷媒换热后变成温度低于0℃的过冷水，过冷水经过过冷解除装置后过冷状态被破坏，变成冰水混合物进入蓄冰槽，在蓄冰槽中冰水分离，分离出来的水继续在系统中循环。
主要技术指标：（1）传热效率高、制冰速度快。
动态制冰过程中不但避免了因冰层聚集而引起的导热热阻，还通过强制对流大幅度提高了系统的整体换热性能，从而提高了制冰速度。
冰蓄冷技术
压缩机辅助系统 系统全部冷媒均进入蓄冰器 ,这种系统不仅夜间制冰 ,在空调高峰期间 也是一边融冰 ,一边继续制冰 ,这种系统初投资最省 ,但因昼夜制冰 ,始 终维持较低的蒸发温度 ,故耗电量较大 ,与以上两种方法相比 ,因其系 统简单 ,初投资省而得到最普遍的青睐与应用。
案将获得更大经济效益。 6.乙方案由于夜间制冰有可能提供 18：00～24：00部分房
间需要之冷量。
9.3冰蓄冷在唐山百货大楼空调系统改造中的应用
设计资料
唐山百货大楼建筑面积 40 000m2 ，分为超级商场和条式楼两部 分。 超级商场面积 8000m2，地下 1层 ，地上 4层 ，集中空调系统于 1 992年建成 ； 条式楼面积 32000m2，地下 1层 ，地上 5层 ，集中空调系统于 1 996年建成。 大楼空调用电占大楼总用电近 70 %，原有变压器严重超负荷运 行，不得不限电运行或限制其他项目发展。
方案乙：
1： 2台双工况离心式冷水机组。 2： 50只高灵蓄冰桶 3： 2台日间空调工况时运行的冷冻水泵 4： 2台 1～ 2 0层冷冻水供水泵 5： 2台夜间制冰、日间融冰供冷水泵 6： 2台 2 1～ 3 3层冷冻水供水泵 7：日间空调运行板式换热器 8：中间板式换热器 9：高区中间板式换热器 1 0：末端设备。
直接蒸发冰蓄冷系统
氟里昂直接蒸发式蓄冷是由冷媒管道直接制造冰 ,盘管外表形成 50～75ｍｍ厚的冰层 ,日间供冷时 ,冰的熔解是由外至内 ,在夜间制 冷时这种溶解法内部的冰水很快结冰 , 或因上次未全部溶解而使冰 附在管外壁 ,这种蓄冰通过管道外表上的冰使冻水结成冰。这一制冷 方式需要控制冰的厚度不超过 50ｍｍ左右 ,否则因冰层热阻大 ,冷媒 的传热受到影响 ,导致机组自动停止或爆裂。另外对直接蒸发系统 , 当蒸发器结冰时 ,压缩机吸气温度较低 ,单位制冷量的耗电量增加。
冰蓄冷空调技术的现状及其应用
冰蓄冷空调技术的现状及其应用作者：谢家盼来源：《装饰装修天地》2016年第11期摘要：近年来，冰蓄冷空调技术得到了快速发展和广泛应用，研究其相关课题有着重要意义。
本文首先对相关内容做了概述，分析了蓄冷常用使用形式，并结合相关实践经验，从区域性蓄冷空调供冷站，以及冰蓄冷低温送风空调系统等多个角度，就蓄冷空调技术的发展前景展开了研究，阐述了个人对此的几点看法与认识，望有助于相关工作的实践。
关键词：冰蓄冷；空调技术；现状；应用前言作为一项实际应用效果良好的技术，冰蓄冷空调技术的优势特点不言而喻。
该项课题的研究，将会更好地提升对冰蓄冷空调技术的分析与掌控力度，从而通过合理化的措施与途径，进一步优化其在实际应用中的最终整体效果。
一、概述冰蓄冷空调以水或有机盐溶液作为蓄冷介质，在夜间运行制冷，将蓄冷介质转换成固态，在白天通过融化吸收热量，达到降温效果。
由于夜间为供电低谷时段电价较低，而白天处于用电高峰电价较高，冰蓄冷空调通过自身制冷蓄冷时段分别处于用电高峰和低谷时段的特点，既缓解了高峰时期的用电压力，提高用电低谷时段用电效率，同时也利用不同时段的电价差来节约用电费用，达到合理利用电力资源和减小国家电力工业建设投资的目的。
蓄冷技术在空调系统中的应用按存储介质的类型和存储介质的使用方式的不同可分为：水蓄冷、冰蓄冷、共晶盐系统、气体水合物蓄冷；按工作原理可分为潜热蓄冷、显热蓄冷和热化学蓄冷；按照蓄冷持续时间可分为昼夜蓄冷和季节性蓄冷；按照蓄冷时制冷剂与罐内介质是否接触可分为直接接触式蓄冷和间接接触式蓄冷。
目前，冰蓄冷技术因其蓄冷槽容积小，冷损小（2%-3%），节约成本，能耗低等优势而被广泛研究和应用。
冰蓄冷系统又包络静态冰蓄冷和动态冰蓄冷。
动态冰蓄冷按不同的制冰方式分为片冰式、冰晶式、水与非相溶液体直接接触换热制冰、油水乳化动态制冰等。
相对于静态蓄冰，动态蓄冰系统最主要的特点是制冰装置和储冰装置分离，蓄冰过程中冰结到一定厚度通过融冰使冰与制冰装置分离，输送到储冰装置，蓄冰过程是多次冻结完成。
冰蓄冷技术
冰蓄冷技术目录技术发展史一，产品原理二，适用范围三，使用效益四，突出特点五，高灵桶式蓄冰系统优点突出在没有实行集中供热前，冬天时家家户户烧火取暖，这种原始的用能方式既浪费能源，又污染环境。
北方实行热力站集中供热方式后，在节约能源的同时也保护了环境。
南方地区冬天烧火取暖的时间很短或基本不烧火取暖，但夏天却要用空调降温。
目前，不管是南方和北方的住宅、宾馆、酒店、商店、办公楼等几乎所有的建筑物，都安装了分体式空调或中央空调，特别在南方地区尤其是在海南，一年四季使用空调降温的时间都很长，空调降温需要消耗大量的能源。
区域供冷站的供冷方式与北方冬季时的集中供热方式十分类似。
这种供冷方式实际上就是以区域冷站作为冷源和能量中心，通过区域空调管网向周边建筑提供调温用的冷水，满足会议厅、展厅、酒店、大学、医院、商场、写字楼、住宅楼等不同用户的用冷需求，而且，还可以利用制冷时产生的热量，向建筑物供应热水。
很明显，与集中供热一样，集中供冷方式将会大大提高能源的利用率。
实际应用证明，区域供冷的能源效远低于预期，输送能耗增加，不同于区域供热，输送泵的功耗转化为热添加到传输介质中，但对于供冷，对输冷介质的传热是一种副作用。
广州一个集中个供冷失败的案例能很好的说明问题。
冰蓄冷在制冷过程中同样也需要能源，这种供冷方式实现能源的节约与电厂发电、电网供电和供冷的集中方式有密切的联系。
技术发展史这项技术是上世纪初在美国研制并开始应用，但开始并不普及。
直到八十年代世界性的能源危机，冰蓄冷的节能优势才被世人所瞩目，而得到广泛的推广使用。
日本能源贫乏，冰蓄冷的市场颇好。
目前该项技术已经成为很多发达国家解决电网供电压力不平衡的重要强制手段。
我国从九十年代开始引进国外冰蓄冷技术，全国现有几百家单位在使用，而目前拥有核心自主知识产权冰蓄冷技术的只有高灵能源科技有限公司，其自主研发的ICEBANK蓄冰技术系统打破了国外技术垄断，是唯一达到国际先进水平的冰蓄冷民族品牌。
冰蓄冷空调系统简介
冰蓄冷空调系统简介1.冰蓄冷空调系统的定义、原理及组成：1.1冰蓄冷空调系统定义通过制冰方式，以相变潜热储存冷量，并在需要时融冰释放出冷量的空调系统称为冰蓄冷空调系统。
1.2冰蓄冷空调系统运行原理选择电力低谷时段（电费较低）启动空调主机制冷，将冷量以冰的形态（潜热）储存在储冰槽中，等到白天尖峰电力时段（电费较高）需使用空调时，将夜间所储存的冰融化，通过融冰泵及换热器，将储存的冷量释放出来供冷用户使用。
蓄冷系统的系统流程图详见右图。
1.3冰蓄冷空调系统组成冰蓄冷空调系统包括：空调主机、冷水泵、冷却水泵、冷却塔、蓄冷水泵、释冷水泵、换热器、储冰槽等。
相对于常规空调系统，冰蓄冷系统增加了储冰槽、换热器等装置。
冰蓄冷空调系统流程图2.冰蓄冷空调系统的适用条件2.1执行峰谷电价，且差价较大的地区。
（峰谷电价比至少要达到4:1，否则无经济性可言）2.2空调冷负荷高峰与电网高峰时段重合，且在电网低谷时段空调负荷较小的空调工程。
2.3在一昼夜或者某一周期内，最大冷负荷高出平均负荷较多，并经常处于部分负荷运行的空调工程。
2.4电力容量或电力供应受到限制的空调工程。
2.5要求部分时段备用制冷量的空调工程。
2.6要求供低温冷水，或要求采用低温送风的空调工程。
2.7区域性集中供冷的空调工程。
3.冰蓄冷空调系统优缺点分析3.1冰蓄冷空调系统优点3.1.1可以利用夜间低谷电价进行制冰蓄冷，节省运行费用。
3.1.2可提供1℃到5℃冰水，供冷藏、低温除湿等系统使用。
3.1.3可应付短时间的超大瞬间负荷。
例如：教堂、大型体育馆、机场、百货公司、博物馆等等。
3.2冰蓄冷空调系统缺点：3.2.1从环保角度分析，冰蓄冷省钱但不节能，冰蓄冷可以利用低谷电价，但制冰工况下效率极低，与实现能源的高效利用不相符。
3.2.2从系统可靠性分析，冰蓄冷系统调控困难，存在控制方面的致命缺陷，因无法控制其放冷速度和蓄冷速度，很多冰蓄冷项目通常将制冰主机和蓄冰槽选得非常大。
冰蓄冷介绍
1、蓄冷空调原理蓄冷中央空调系统是一种通过蓄能来节约空调系统运行费用的技术，其基本工作原理是：建筑物空调时间所需冷量的部分或全部在非空调时间利用蓄冷介质的显热或其相变过程的潜热迁移等特性，将能量以低温状态蓄存起来，然后根据空调负荷要求释放这些冷量，这样在用电高峰时期就可以少开甚至不开主机。
当空调使用时间与非空调时间和电网高峰和低谷同步时，就可以将电网高峰时间的空调用电量转移至电网低谷时使用。
在一般工程中，空调系统用电量占总耗电量的35%--65%，而制冷主机的电耗在空调系统中又占65%--75%。
在常规空调设计中，冷冰主机及辅助设备容量均按尖峰负荷来选配，这不仅使空调系统的电力容量增大，而且使得主机等空调设备在绝大部分情况下均处于低效率的部分负荷状态运行，显得很不经济。
蓄冷中央空调从系统构成上来说只是在常规空调系统的基础上增加了一套蓄冷装置，其它各部分在结构上与常规空调相同，它在使用范围方面也与常规空调基本一致。
2、蓄冷中央空调的意义随着社会的发展，中央空调在大中城市的普及率日渐增高。
据统计，空调高峰时用电量达到城市用电负荷的25%-30%，加大了电网的峰谷用电差。
蓄冷中央空调之所以得到各国政府和工程技术界的重视，正因为它对电网有卓越的移峰填谷功能，是电力需求侧最有效的电能蓄存方法，蓄冷对于用户还有以下的一些突出优点：1）空调的出水温度低、制冷效果好，低温送风系统节省投资和能耗。
2）空调环境相对湿度较低，空调品质提高，有利于防止中央空调综合症。
3）利用峰谷荷电价差，平衡电网负荷。
减少空调年运行费。
4）减少冷水机组容量，降低一次性投资。
5）在主机出现故障或断电的情况下，蓄冷系统相当于应急冷源，系统可靠性高。
6）当建筑物功能变化或面积增加引起冷负荷增加时，只要增加蓄冷装置的蓄冷量，即可满足大楼新增冷量需要。
3、蓄冷发展史第一代：冰球蓄冷第二代：冰盘管蓄冷第三代：动态冰蓄冷――――――――――――――――――――――――――――――――在没有实行集中供热前，冬天时家家户户烧火取暖，这种原始的用能方式既浪费能源，又污染环境。
冰蓄冷系统设计
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减少制冷机组容量，大大提高空调设备利用率
冰蓄冷系统可以减少制冷主机装机容量和功率达 30-50%，相应地，也可以减少冷却塔和水泵等的装机 容量和功率，且制冷设备满负荷运行比例增大，提高 设备利用率。
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技术成熟、系统运行稳定可靠
采用人工制冷的空调蓄冷大约出现在1930年前后，20世 纪70年代美国、加拿大和欧洲一些国家积极开发蓄冰设 备，实施的工程项目也逐年增加，日本冰蓄冷的实用化大 约只有10余年，但已有上万个项目成功实施并运行。 在国内，最早采用冰蓄冷空调在20世纪80年代，至今为 止，在国内采用冰蓄冷的中央空调系统已达几千例，这些 系统都正常运行，成功率极高。
冰蓄冷系统技术交流
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第一部分 冰蓄冷系统介绍
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一、冰蓄冷系统原理与特点
1、冰蓄冷系统的原理 所谓冰蓄冷,即在夜间电网低谷电费低价时制冷 机制冷，并由蓄冷设备以冰的形式将冷量储存起来, 待白天电网高峰电费高价时，再通过融冰的方式将 冷量释放出来，满足高峰空调负荷需要的空调系统。 因此，冰蓄冷空调就是通过转移制冷设备的运行时 间，利用低谷时的廉价电，减少峰值电负荷，达到 移峰填谷、使用户节省大量运行费用的目的。
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冷却塔
接楼上末端空调系统
基载主机 板式换 热器 双工况主机
蓄冰装 置
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制冰原理与技术发展
图 3 片冰机
Samsung Gw angju Electronics[ 15] 公 司开发 的 一种热气脱冰制冰机 ( 见图 6) , 由主体和辅助体 2 部分组成。主体包括制冰单元、 蒸发盘管、 供水系 统和排水系统。供水容器、 排水收集容器安装在辅 助体内。 制冰时 , 供水泵工作, 将供水容器里的水泵送 至制冰槽 , 途中经过水净化器、 灭菌灯。当水充满 一个制冰槽后, 便溢流至邻近的制冰槽, 这样所有 制冰槽通过交叉便相继被充满。水阀便切断供水 泵, 同时制冷系统开启, 制冷剂流进蒸发盘管, 底座 上下摇摆 , 生成无气泡的透明冰块。冷冻板和冷指 ( freezing fingers) 被冷却至冰点以下, 使 得冷指周 围的水逐渐被冻结。 制冰结束后 , 控制部分发出相应信号, 压缩机出 口的热制冷剂直接被引入蒸发盘管, 同时激励马达 驱动底座绕转动轴向下旋转 90 , 使制冰槽内剩余 的未冻结的水流入排水管, 最终流至排水收集器。
[ 16]
图8
电加热脱冰式
1. 进水座 ; 2. 保温腔室; 3. 保温层 ; 4. 蒸发器 ; 5. 门 ; 6. 门轴 ; 7. 制冰器 ; 8. 控制电磁阀 ; 9. 进水管 ; 10. 测冰板
图7
热气脱冰式 ( c)
1. 3
管壳冰制冰机 管壳冰制冰机有数根直立的制冰管, 用不锈钢
制冰过程开始时 , 制冷剂在蒸发盘管内循环 , 制冰腔室被冷却。水被水泵加压供入水盘, 并经过 喷水孔喷入每个制冰腔室 , 在腔室内壁面冻结成薄 片状的冰。未结冰的水经过水盘上的回水孔滴到 导板上, 并向下流动 , 进入循环柜内。 脱冰时, 热的制冷剂气体被导入蒸发管内加热 制冰腔室, 冰块脱离制冰腔落至水盘上端的斜面上, 并向下滑移 , 推开侧壁上的活动门, 进入储冰室。 当冰排出后 , 活动门依靠重力作用返回至初始
冰蓄冷空调系统
冰蓄冷空调系统Prepared on 21 November 2021冰蓄冷空调系统一．简介夏季，普遍使用的空调系统已成为建筑物高峰用电的大户，由于电力用户的用电性质不同，各类用户最大负荷出现的时间不同，这样负荷的累加就形成了用电的高峰和低谷负荷，高峰负荷的大小决定了电网必须投入的发电设备容量（包括发电机组和输配电设备等的容量），如果各类用户最大负荷出现的时间过分集中，为了满足高峰期用户电力需求，电力部门一方面必须建设新电站增加电网容量，一方面必须提高电网的调峰能力，适应用户的负荷变化，用户方面也需采取节电和调荷措施，否则，只能通过拉闸限电的方法减轻电站运行压力。
昼夜蓄冷调荷技术就是针对这种局面提出并得以运用的。
它是让制冷机组在夜间电力负荷低谷时运行，并将产生的冷量储存起来，在次日需要时再将冷量释放出来满足用冷负荷，以实现用户侧冷复合用电的移峰调谷，达到均衡电网负荷的目的。
简单地说，蓄冷调荷技术有以下三方面的社会效益：1）通过移峰调谷，达到均衡电网负荷的目的。
减少国家对新增电站和电网的投资，同时减少调峰调荷的工作，避免限电拉闸。
2）稳定电厂机组负荷水平，改善机组运行效率。
3）减少CO2和烟尘排放量，从而保护环境，减轻温室效应（火力发电机组负荷率低时，CO2和烟尘排放量大）。
4）对用户来说，利用夜间电价低廉时段制冰，在电价高峰时段使用，能大大减少空调系统运行费用。
对用户的作用：1）减少制冷机容量，提高制冷系统运行的可靠性。
2）减少水泵，冷却塔的装机容量3）减少配电容量，从而减少部分投资4）减少运行费用5）可采用低温送风系统，提高工作空间的环境质量6）可作紧急冷源使用7）将计算机控制结合进蓄冰系统中，实现运行模式的优化冰蓄冷中央空调已逐渐成为移峰填谷，均衡电网用电，提高电网经济运行水平的有力手段，它代表了集中空调设计的发展方向。
二．蓄冷技术的分类：1 水蓄冷水蓄冷是利用水的显热（）进行蓄冷，即夜间制出2-5度的低温水供白天使用，供回水温差一般8度。
冰蓄冷技术
冰蓄冷基础知识现代城市的用电状况是，一方面电力负荷急剧增长；另一方面电量增长却相对滞后，电网负荷率不断下降。
一般在白天出现用电高峰，供电能力不足，为满足高峰用电不得不新建电厂，而在夜间的用电低谷时段却又有电送不出、电厂在低负荷下低效率运转。
人们采用各种办法来缓解这一矛盾，例如建抽水蓄能电站等。
由于空调系统用电负荷一般均在白天用电高峰阶段,在电力谷荷段用量甚少,因此空调系统用电量极大加剧了电网的峰谷负荷差。
而在中央空调中,制冷系统的用电量通常占整个空调系统用电量的40 %～50 %[4 ] ,如果能把制冷系统的部分甚至全部用电量转移至夜间电力低谷时段,则对平衡电网负荷,提高电网负荷利用效率将产生十分积极的作用。
因此,“蓄冷空调”就成为电力部门和空调制冷界共同关注的目标,双方遂携手共同推进其应用。
所谓蓄冷(Thermal Storage) ,即是在晚间电力谷荷阶段,利用电动制冷机制冷,把冷量按显热或潜热的形式蓄存在某种介质中,到白天用电高峰期,把储存的冷量释放出来,以满足建筑物空调或生产工艺的需要。
这样,制冷系统的大部分耗电发生在夜间用电低峰期,而在白天高峰期只有部分或辅助设备在运行,从而实现电网负荷的移峰填谷。
蓄冷系统种类较多,按蓄存冷量的方式可分为显热蓄冷和潜热蓄冷;按蓄冷介质分类,可以有水蓄冷、冰蓄冷和共晶盐蓄冷。
冰蓄冷是将水制成冰储存冷量,它是潜热蓄冷的一种方式。
由于水的比热容为4118kJ /kg ,设水蓄冷的供回水平均温差为10 ℃,和水蓄冷相比,蓄冰槽的容积只有水蓄冷的2/ 3～1/ 5。
因此,可大大地减少蓄冰槽的体积,也正是这种特点,极大地促进了冰蓄冷技术的推广和应用。
一、冰蓄冷系统原理和构成冰蓄冷空调系统主要由冷水主机、蓄冰装置、板式换热器、自动控制系统以及泵阀组成。
运常规空调系统相比冰蓄冷系统需要增加的特殊装置有：蓄冰设备，乙二醇管路和水泵，板式换热器(绝大多数系统选用，乙二醇和水管路分隔并换热)。
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直接接触固液相变制冰及冰蓄冷系统的研究进展
刘道平 李瑞阳 陈之航(华东工业大学动力工程学院 上海 200093)
摘 要 综述了直接接触固液相变制冰、强化制冰的方法及冰蓄冷系统的研究进展,考虑到目前对蓄冰技术相关的固液相变传热问题的研究与发展现状,提出了一些有待研究解决的问题.
关键词 直接接触换热;固液相变;冰蓄冷系统中图法分类号 TK124
收稿日期:1996-03-27
利用直接接触的固液相变传热制造冰晶,并以冰水两相流直接输送供冷已成为区域冰蓄冷空调技术的发展方向之一[1].其特点包括[2]:a.采用0℃冰潜热输送可以扩大供冷回水
的温差,减少输送流量,实现供冷设备和末端装置小型化,减少建筑占用空间;在原有设计供冷不足时,不需变更输送配套设备,即可实现送冷容量的增大;b.利用温差的扩大,可以缩小蓄热槽的容量,减少冷量输送耗能;c.随着城市的发展,对集中供冷的需求日益增长,冰水固液两相流潜热直接输送可增大热输送密度,实现长距离输送.
蓄冰器是冰蓄冷空调系统的重要组成部分,充分了解冰蓄冷系统的特性,对于进行蓄冰器的设计优化,改进其蓄冷和供冷特性,指导蓄冷系统的实际运行是十分重要的.
1 直接接触固液相变蓄冰技术的研究进展直接接触传热是一种效率高的传热方式,与常规管壳式传热方式相比,它的传热热阻大大降低,并消除了换热面积垢和腐蚀对传热的影响.应用直接接触相变传热的方式进行蓄冰是近期开展的研究之一,它既可以摆脱管壳式和密封件式蓄冰方式带来的冰层厚度增长,附加热阻增加的问题,又可以通过提高制冷剂蒸发温度,从而提高制冷机组的制冷系数.
在利用直接接触换热进行制冰蓄冷过程中,主要换热方式为带固液相变的气体2液体接触换热和液体2液体接触换热.在蓄冷和供冷循环中,涉及冰晶(或水合物)的制备和融化两个方面.
华东工业大学学报第18卷 第3期J.EastChinaUniversityofTechnologyVol.18No.319961.1 冰晶(或水合物)的制备利用制冷剂与水的直接接触蓄冷是目前研究的主要课题[3～10].在已经研究的制冷剂
中,R211、R212、R2134a和R2141b都可以在稍高于水冰点的温度下形成气体水合物,而R2114和R2123只会形成冰晶,其传热过程包括液态(或汽液两相)制冷剂的蒸发和水与制冷剂接触凝固形成冰晶(或水合物)过程.试验研究的做法均将蓄冰罐结合进制冷系统之中,且为促进制冷剂(或传热液)与水进行充分的接触换热,以及小颗粒冰晶的形成,系统中采用制冷剂(或传热液)喷入蓄冷罐的形式.
附图表示的是液态R212蒸发和水直接接触形成水合物的情况.在水合物形成的过程中存在两个界面,一是水/液体R212界面,水合物呈稠密的浆状;二是上部蒸汽/水界面,水合物为多孔性结构的固体,它会向上快速增长,若不加限制,它会流入制冷循环中.
附图 R212水合物形成状况 为探索描述水合物形成的传热模型,充分了解过程的传热特征,Mori和Isobe[9]根据试验现象,针对单一制冷剂液滴蒸发形成水合物,生成的由水合物膜覆盖的汽液两相气泡在水中自由上升的过程,提出了物理模型.根据水和气泡间传热、蒸发热和水合物形成热之间的热平衡,建立了数学模型.
另外对选用R2114作为制冷剂进行直接接触蓄冰也作了研究[11,12].使用R2114是因为它几乎和水不相容,
且在0℃时R2114的饱和压力为87.78kPa,低于一个大气压,因此可以避免采用R212或R222的高压系统所遇到的泄漏问题.
在数值模拟研究方面,Subbaiyer[12]等人对使用R2114作制冷剂的直接接触式蒸发器作为制冰器和蓄冰罐的蓄冷系统,进行了计算机性能模拟研究,并和管式蒸发器蓄冰罐的性能进行了比较.直接接触蓄冰的传热效果要比间接传热好,减少了很多传热热阻.直接接触制冰器在单位产冷量下的耗电要比管壳式制冰器少30%,而且,同样的制冰量下,制冰时间要比管式制冰器缩短13%.间接冷媒和水的直接接触制冰方式避免了制冷剂和水接触形成水合物的问题,系统中要求冷媒为与水不相容的低凝固点溶液.Clive[3]在介绍英国冰蓄冷技术的进展中也介绍了这种制冰方式的系统构成.渡边裕[4]对利用与水不相容的不冻液(C
8F18)制冰系统进行了研
究,考察了不冻液滴的大小与其在水中下落速度的关系、冰形成时水槽内温度的变化情况和形成冰的状态.
1.2 冰晶的融化在直接接触式蓄冰系统中,冰晶的融化可以是水和冰晶的直接接触融化,也可以采用在冰晶层内设置盘管进行间接融化来供冷.对于间接融化,Yamada[15,16]就单管和多排水平加热管外冰晶的融化问题进行了研究.对于单一加热管,融化交界面与普通的冰层和相变换热
82 华东工业大学学报1996年第18卷材料的融化不同,融化边界是水平发展的.对于多排管,开始时和单一加热管相同,随着时间的推进,融化区域会连接在一起,融化传热率将上升.
对于接触式融化, 田昌志[17]采用分层方法建立了颗粒冰层的能量平衡方程,采用试验手段对水在颗粒状冰层中流动融冰问题进行了研究,考察了初期冰粒直径和质量、冰层高度、水流量和入口水温,还运用能量平衡方程计算了残冰量与时间的关系.
直接接触式制冰对于流动性冰晶的制备及冰水直接供冷提供了有利条件,但冷媒和水的分离,特别是气体2水合物和水的分离及对固体水合物的处理是必须解决的问题.建立有效的接触制冰传热模型,归纳相关传热计算的准则式是推进该方法应用的技术基础.冰晶的融化效果关系到实际供冷负荷的大小.冰水直接供冷涉及到冰水两相流的输送问题,包括冰水两相流的压力损失特性,冰对输送管路堵塞现象的影响;以及冰水分离器,热交换器的换热特性等.这些问题的研究进展将影响到冰水直接供冷方式的成败,一些日本学者在此方面已经进行了某种有益的研究[2,18].
2 对强化制冰方法的研究进展在静态系统中,对于管外蓄冰来讲,强化制冰主要是通过扰动促使水温均匀并迅速降低来加快水的冻结;对于冰球,可以在冰球内加入强化传热元件来进行.
在动态系统中,采用的方式较多,有采用热的、机械刮板的方法将形成的冰除去;也有利用冰的重力和浮力特点而产生自动释放的方法使形成的冰自行脱落.对于后一种方式,要求制冰换热器表面具有拒绝冰贴附的性质.Stewart[19]等人对此进行子总结,采用的措施有:
a.使用有机材料硅铜,氟塑料、碳氢化合物和蜡、油或胶等使换热表面具有疏水性或与水不相容性.
b.选择最佳表面粗糙度促进空气的夹带,在换热表面和水间封闭空气.c.在水中加入添加剂以减少冰和换热表面间的联结强度.d.在水中添加某种促凝剂、或利用磁场和电场效应促进枝状冰晶的形成.研究发现,使水在过冷状况下结冰亦可促使枝状冰晶的形成,加快冰的冻结.稻 英男[20]对过冷却水在圆管内流动连续制冰进行了试验研究,考察维持流动水的过冷状态的情况.平田哲夫和田中邦章[21]通过试验和理论分析检查了过冷却水流在圆管内强迫流动产生冻结的流量和温度条件,结果表明,管表面的温度梯度对冰在强迫流动的水中冻结无显著影响.静止水的过冷凝固有一特殊现象,即一旦在过冷水中一点出现冰,则整个过冷区都会附着于它迅速冻结.利用此原理, 藤彬夫等[22]提出了一种试验方法来确定温度分布均匀的大容积过冷水凝固的可能性,这种试验采用将水分成较小的液滴来完成,并利用统计方法研究了过冷水的凝固问题.武谷健吾[23]对利用过冷却现象进行制冰的技术进行了总结.
3 对蓄冰系统特性的研究进展在实际运行中,把握设计好的蓄冰系统的特性对于考察其传热性能,使其满足冷负荷变化的要求是十分重要的.目前的研究主要是针对三种常用的蓄冰形式进行的,即管外蓄冰,
密封件蓄冰以及动态制冰中的热力融化式蓄冰系统.了解蓄冰系统的性能主要采用两种方式,一是对模化或实际应用的蓄冰器进行试验研究,着重考察蓄冰器蓄冰过程中冰量变化情
92第3期刘道平等:直接接触固液相变制冰及冰蓄冷系统的研究进展况,以及放冷时的供冷特性;二是从整体能量平衡出发,应用数值模拟方法模拟蓄冰器的实际运行过程.
3.1 管外蓄冰系统针对直管排管式蓄冰罐, 藤彬夫[24]对采用9根(3×3)水平布置的顺排管束浸入水槽中的制冰过程进行了试验研究.管排布置横向间距为100mm,垂直间距150mm,测试管外径25.4mm,长600mm.在改变冷管安放位置(上、中、下)、管数和环水初温情况下,测量槽内水温分布和绕管外的冰层变化.试验研究观测到两种冰层形式,其一为冷却过程,冰的形成受自然对流影响,水温迅速降低,且槽内水温分布几乎均匀;其二为冰形成过程,水停滞条件下的冰层稳定增长.
鸟越邦和等[25]对同样的布置形式进行了水流与管外冰直接接触融化过程的试验研究.
管排布置的横向间距为80mm,垂直间距60mm,测试管外径25mm,长50mm.通过测量进出口水温和流量变化,考察不同初期冰层厚度和水流量变化对传热的影响.
另外,Stewart[26]通过试验研究,针对直接蒸发式静态管外蓄冰器,提出了与制冷系统热力性能有关的预测管外冰层厚度的计算式.
直管蓄冰管束在蓄冷罐内放置的位置对其蓄冷过程特性影响的研究结果表明,放置在中心位置最佳.罐内的扰动可促使水温迅速减低,而扰动点位置的影响不大.无扰动时,罐内则出现分层效应[27].
对于螺旋盘管式蓄冰罐,相乐典泰等人[28～30]对用聚乙烯塑料制成的蓄冰罐进行的试验结果表明:在制冰过程中,当水温降低至4℃以下时,蓄冰罐内温度分布均匀.在融冰过程中,储存的冰可以完全融化,出水温度可以达到用于空调的最高温度.蓄冰罐内可有效用于空调的显热量与进入蓄冰罐水的流动状态、温度和进口水管的当量直径以及控制运行的方法有关.针对蓄冰罐的冰融化过程分段建立了初期完全混合模型、边界移动模型和由一维移动扩散区模型与下层完全混合区模型组成的下层区域模型.
山羽基、中原信生等人[31,32]运用相似理论对盘管式蓄冰罐进行了模化试验,对制冰过程和融冰过程空气扰动和回流热水扰动的效应进行了调查.最近,他们又根据分层型蓄水罐的原理发展了盘管式蓄冰罐的数值模拟模型,通过引入完全混合区深度和盘管表面与水之间的换热系数来考察盘管的存在对流动和混合性能的影响.
在系统数值模拟研究方面,主要是利用能量平衡方法建立数值模型[33～36].
对于直接膨胀蒸发器管外静态蓄冰系统,必须考虑管外蓄冰对蒸发器蒸发温度的影响.
在具体建模时,采用了两种方式.a.分解耦合模式:将蒸发器式蓄冰罐分解成共耦的蒸发器部件和蓄冰罐部件,分别建立数值模型.在蒸发器换热模型中,考虑了冰层沿蒸发器管长变化的特征,将蒸发器管分成数个微元段,建立各微元段的制冷剂蒸发、压降和传热计算式.根据蒸发器管入口状态(制冷剂流量、干度)、蒸发温度和蓄冰罐水温,迭代计算各微元段的能量平衡,并由各微元段管外冰层的准静态能量平衡确定冰形成速率.在蓄冰罐部件模型中,