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1、新型流态冰蒸发制冷循环及制冰量性能分析2011年第6期总第184期低温工程CRY0GENICSNO.62011SumNO.184新型流态冰蒸发制冷循环及制冰量性能分析闫俊海张小松(东南大学能源与环境学院南京市210096)摘要:介绍了蒸发过冷水制冰原理及系统流程,分析了相应的蒸发制冷循环,对单位质量(1kg)干空气制冰量性能及影响因素进行了研究并建立了相关数学模型,计算结果显示,水的初始温度越高单位质量干空气制冰量越低,而单位质量干空气制冰量相同时水温越高对应的蒸发水量则越大,同时随着空气出口相对湿度增大,单位质量干空气制冰量也随之增加.另外,在理想工况下单位质量干空气的制冰量理论最大值可达2
2、8.3g.关键词:蒸发过冷水流态冰制冰量中图分类号:TB615文献标识码:AAnovelicecycleand文章编号:1000-6516(2011)06-001105slurryevaporativerefrigerationicemakingpropertyanalysisYanJunhaiZhangXiaosong(SchoolofEnergyandEnvironment,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)Abstract:Theprincipleandsystemprocessoficemakingwithevapora.tivesuper
3、?cooledwatermethodwasdetaileddescription,acorrespondingevaporativefreezingcyclewasanalyzedatsametime.Tostudyiceproductioncapacityperunitmassdryair,arelatedmathematicalmodelwasproposed.Thenumericalresuitsshowthatlowerinitialtemperatureofwatercanincreasetheiceproductioncapacityperunitmassdryair.Howeve
4、r,thehigherinitialtemperatureofwaterwillneedmoreevaporationamountofwaterinordertoobtainthesameiceproductioncapacityperunitmassdryair.Additionally,theiceproductioncapacityperunitmassdryairwillbeimprovedbyincreasingtherelativityhumidityofair,whichisintheoutletpositionoficemakingroom.Numericalresultsal
5、soshowthatthenovelicemakingsystemcanproduce28.3gicewith1kgdryairinidealconditions.Keywords:evaporation;super?cooledwater;iceslurry;iceamount引言在世界能源形势Et益紧张的局面下,冰蓄能作为一种常规,典型的相变潜热蓄能方法,是目前电力“移峰填谷”和解决电力不足的重要方法,同时也是收稿日期:2011一O117;修订日期:20111204基金项目:国家自然科学基金(No.50676018).作者简介:闰俊海,男,31岁,博士研究生.当前最重要的节能手段之一.冰蓄
6、冷系统通常可分为静态冰蓄冷系统:和动态冰蓄冷系统,但静态冰蓄冷蓄能过程中,传热热阻会随着冰层厚度的增加而增加,进而导致制冰效率快速下降,同时制冷系统热力性能也大幅降低,为了克服静态冰蓄冷的缺陷,各种12低温工程动态冰蓄冷方式成为目前研究的热点.流态冰作为动态制冰的一种,它是以水为基础的悬浮冰颗粒的溶液,这使得它与传统的冰槽蓄冷相比在热交换时有较大的换热面积,能更有效地适应冷负荷的变化,同时与其它介质相比,冰浆具有巨大的相变潜热和低温显热,如含冰率5%30%的冰浆,其传热系数为3kW/(m?K),是相同条件下冷冻水冷却能力的56倍.蒸发式过冷水制取流态冰作为一种新型的动态制冰方法,避免了传统过冷
7、水制取流态冰方法中可能出现的管内因冻结而发生冰堵的问题,不仅制冰效率比较高,而且由于可以灵活地利用太阳能或者其它废热,降低了对电能的依赖系统节能效果显着,该新型制冰方式是由张小松,李秀伟.首次提出的,并从宏观上分析了系统的性能,与传统过冷水制取流态冰系统相比,该系统的性能系数在一定的工况下可以提高30%以上.目前国内外对该制冰方法的研究还比较少,本文从系统的构成上入手,分析了系统的制冷循环过程,另外研究了初始水温,水的蒸发量和空气出口相对湿度等因素对单位质量(1kg)干空气制冰量的影响,并建立了相应的数学模型,通过计算获得了不同初始水温以及出口空气相对湿度下单位质量干空气的制冰量大小以及水的蒸
8、发量与单位质量干空气制冰量的变化关系.2制冰原理及蒸发制冷循环从本质上来说,当水与未饱和湿空气自由接触,并且与其它影响因素绝热时,在各自温度差和蒸汽压差的作用下,水与未饱和湿空气之间就会发生热量和质量交换.热量从较高的一侧传向较低的一侧,水蒸气则从蒸气压高的一侧传向蒸气压力低的一侧.蒸发式过冷水制取流态冰的工作原理也就是0的水滴会在水蒸气分压力低于水三相点饱和水蒸气分压力(611.7Pa)的低温低湿的空气环境中蒸发,由于水滴边界层的饱和蒸气压与周围湿空气中水蒸气分压力差,而实现水滴的蒸发,在这一过程中水滴由液态变成气态,水滴自身的显热不断转化为蒸发潜热(0的水的汽化潜热2500kJ/kg)转移
9、到周围湿空气中,从而使未蒸发水的温度不断降低,当下降到一定过冷度时水滴转变为冰晶.图1是蒸发式过冷水制取流态冰的系统示意图.蒸发式过冷水制取流态冰系统有4个子循环构成:(1)水循环,从制冰室出来的有冰和水,经过冰图1蒸发式过冷水制取流态冰的系统示意图Fig.1Schematicdiagramoficeslurrymakingsystembyevaporatingsuper-cooledwater水分离器,冰晶被储存在储冰槽中,而未结为冰的水被循环利用;(2)空气循环,制冰室的低温低湿环境是通过整个空气循环系统来实现的,从制冰室出来的空气含湿量升高,被送人除湿器中除湿,含湿量降低后再通过蒸发器降
10、低温度,然后被重新利用;(3)除湿再生循环,对于溶液除湿来说,由于驱动溶液除湿循环所需热源的温度在6080左右,制冷循环过程中冷凝器所放出的冷凝热可重新利用于驱动溶液除湿循环,如该热量不足的话,可以使用一些废热及太阳能等作为补充热源,因此整个系统节能效果显着;(4)制冷循环,为了满足制冰室空气的低温需求,采用机械制冷的方式对经气体换热器降温后的低湿空气进一步降温达到设计的要求.在整个制冰循环系统中,空气循环作为其中重要一环,主要担负将制冰室中水的热量转移到空气环境中去,以实现水的冻结,图2是蒸发制冰空气循环I.D图.45l图2蒸发制冷空气循环I.D图Fig.2I-Dschemeofevapor
11、ativefreezingaircirculation空气处理过程:12表示空气在制冰室的绝热加湿过程;23表示制冰室排出的空气经气体热交换器与从除湿器出来空气进行换热后的等湿升温过程;34表示湿空气经过除湿器的去湿过程;45表第6期新型流态冰蒸发制冷循环及制冰量性能分析l3示除湿后的空气经气体热交换器与制冰室排出空气进行换热后的等湿降温过程;51表示空气进入蒸发器的进一步等湿降温过程.在理想状况下,状态点1,空气的干球温度取0,每单位质量(1kg)干空气含湿量取0g,状态点2,空气的干球温度取0,相对湿度为100%.在实际工况下,湿空气经除湿器去湿后单位质量空气的含湿量难以处理到0g这种极值
12、情况,空气含湿量处理的越低,除湿循环的能耗也就越高,整个制冰系统的节能效果就会变差,另外对于水与空气的热湿交换,由于水与空气的接触时间比较短,热湿交换不充分,出口空气最终相对湿度最多能达到90%一95%,很难达到饱和,状态点2的空气经气体热交换器后,等湿升温到状态点3,然后气体经除湿器去湿升温到状态点4.状态点4的空气经气体热交换器等湿降温后到状态点5,由于在热交换器中发生的是显热交换所以状态点23的温差和45的温差相等.最后,状态点5的空气经蒸发器等湿降温到状态点1完成整个空气制冷循环.在12的过程中水与空气发生热质交换,蒸发产生的冷量为Q过程34为湿空气的除湿过程,除湿过程放出的热量为Q.
13、3制冰量性能trolvolumescheme首先作如下假设:(1)制冰室及系统管道保温效果良好,不考虑其热损失;(2)忽略空气及水通过风机和水泵的温升;(3)系统严密性良好,无漏风损失.在图3所示的制冰室水雾化蒸发控制体积图中,假定进人制冰室水的质量为m,通过雾化蒸发生成冰的质量为m,水的蒸发质量为m,制冰室入口干空气的质量为m.,含湿量为d,空气的焓值为h,出口干空气的质量为m:,含湿量为h以及空气焓值为h:,循环干空气的质量为m.由质量守恒原理可得:1Tt1=m2=m(1)制冰室水质量守恒:m1dl+m=ma2d2(2)m=m(d一d)(3)对于制冰室空气循环来说,由能量守恒可得:m1h1
14、+m=m2h2(4)式中:表示水的汽化潜热.h2一h1:一v(5),a由式(3),式(5)合并可得进出制冰室空气的焓差为:(h一h)=(d一d)(6)水通过与空气发生热质交换,将自身的热量转移到空气中而过冷结冰,由此产生的制冷量Q.可表示为:Q=m(h一h)=ym(d:一d)(7)由进出制冰室水的质量守恒可得:m=m+mice(8)由水的能量守恒可得:mhl=miceh2+Q.(9)式中:h.为进入制冰室水的焓值;hw2为水的溶解热,一334kJ/kg.由式(8),式(9)合并可得:mice:(10)一lu儿w1一”w2由式(7),式(10)可得制冰所需的蒸发水量为:m:(11)cP,w水的蒸
15、发量分为两部分,m为水从初始温度降低到0oC时所对应的蒸发量,m为水从0oC蒸发过冷到结冰所对应的蒸发量.m=ml+m2(12)根据能量守恒可得:Q.=c?m?(t一0)=ml?(13)mvl:!:!r14)14低温工程在0,110Pa的条件下水的汽化潜热为2500kJ/kg,溶解热为一334kJ/kg,m=2500/334=7.5,由此可看出在理想的情况下,蒸发1kg的水产生的冷量可以使7.5kg的水变成冰.:7.5(15)m2由式(10),式(12),式(14),式(15)合并可得单位质量干空气的制冰量m:vaporQ(d:一d1)(16)3.2.1初始水温对制冰量及蒸发水量的影响假定在理
16、想情况下,进人制冰室的空气干球温度为0,含湿量为0g/(kg干空气),出制冰室空气相对湿度为100%,而实际情况下,进入制冰室的空气干球为1oC,含湿量为1.25g/(kg干空气),在这两种工况下,单位质量干空气的制冰量随初始水温的变化关系如图4所示.图4单位质量干空气的制冰量随水初始温度的变化系Fig.4Iceproductioncapacityofunitmassdryairversusinitialwatertemperature从图4可以看出,在上述两种工况下单位质量干空气的制冰量均随着初始水温的升高而减小,这是因为水的初始温度越高,其所对应的内能就越大,在水滴蒸发产生冷量不变时,单位
17、质量干空气的制冰量必然减少.另外,理想情况下水温在2O时单位质量干空气的制冰量是0c二时制冰量的77.3%,而实际情况下的制冰量是在0时制冰量的77.1%,两种工况下曲线的变化趋湿基本一致.在理想情况下,水初温为0时单位质量(Ikg)干空气的制冰量达到理论最大值28.3g,而在实际情况下,由于受空气除湿效果以及空气与水的热湿交换效率等因素的影响,实际制冰量只有12.4g,是理想情况下的43.8%,所以空气人口含湿量越低,热湿交换效率越高单位质量干空气制冰量越大.图5反映了制取1kg冰所需的蒸发水量随初始水温的变化关系,水的初始温度越高,制冰所需的蒸发水量就越多.制取1kg冰情况下,初始水温为0
18、时所需的蒸发水量是初始水温为20时的77.2%.这是因为初始水温越高其具有的内能也就越大,通过水的蒸发带走汽化潜热使其降温时需要的蒸发水量也就越大,制冰过程中所需的蒸发水量越大也就意味着循环空气吸收的水量增多,这增加了溶液除湿的负荷,降低了溶液除湿蒸发制冰的性能.因此降低水的初始温度,不仅可以提高单位质量干空气的制冰量,而且也降低了溶液的除湿负荷,可以在很大程度上提高整个制冰系统的性能.图5制取1kg冰所需的蒸发水量随初始水温的变化关系Fig.5Evaporationamountofwaterversusinitialwatertemperatureformaking1kgice3.2.2空气
19、出口的相对湿度对制冰量的影响图6是初始水温为0,空气温度为0,空气含湿量为0g/(kg干空气)的条件下,空气出口的相对湿度对制冰量的影响.从图6可以看出,单位质量干空气的制冰量随着空气出口相对湿度的增加而增加,这是因为出口空气的相对湿度越大反映了水与空气的热质交换效率越高,由水蒸发所产生的制冷量也就越大,所以单位质量干空气的制冰量也随着增加.因此,可以通过提高水与空气的热质交换效率来提高系统的制冰性能,影响水与空气的热质交换效率的因素比较多,水与空气的接触面积是其中一个非常重要的因素,可以选择高雾化性能的喷嘴将水雾化成细小“一:2,分鲫;.加加00O00OOO0OO嚣芒第6期新型流态冰蒸发制冷
20、循环及制冰量性能分析15的水滴,提高它们之间的热质交换面积进而提高水与空气的热质交换效率来提高水的制冰效率.图6空气出口的相对湿度对制冰量的影响Fig.6Effectofrelativehumidityofoutletaironiceproductioncapacity4结论溶液除湿蒸发过冷制取流态冰的方法,由于可以利用系统冷凝热及太阳能,废热作为除湿循环的驱动热源,因此整个系统节能效果显着.本文对系统的单位质量干空气制冰量进行了分析,并建立了相应的数学模型,通过数值计算分析了各种因素对单位质量干空气制冰量的影响,结果表明制冰用的初始水温越高制冰量越小,而在单位质量干空气制冰量相同时,初始水温
21、越高所对应的蒸发水量也越大,同时空气出口的相对湿度越大,所对应的制冰量越大.另外人口空气的含湿量越低以及空气与水热湿交换效率越高,单位质量干空气的制冰量则越大,因此在实际制冰过程中为了提高系统制冰效率及性能,可以从以下几个方面来考虑:(1)通过强化空气除湿,尽量降低进入制冰室入口空气的含:湿量;(2)优化制冰室的结构以及选择高性能的水雾化喷嘴;(3)降低进入制冰室水的初始温度;(4)系统各循环的优化匹配.参考文献.1Davies,TW.SlurryiceasaheattransferfluidwithalargenumberofapplicationdomainsJ.International
22、JournalofRefrigeration,2005,28(1):108114.2李秀伟,张小松.蒸发式过冷水制流态冰方法J.东南大学:自然科学版,2009,39(2):269-275.3LiXiuwei,ZhangXiaosong,CaoRongquan,eta1.Anoveliceslurryproducingsystem:ProducingicebyutilizinginnerwasteheatJ.En-ergyConversionandManagement,2009,50(12):2893-2904.4张小松,费秀峰,施明恒,等.蓄能型溶液除湿蒸发冷却空调系统中除湿器研究J.东南大学
23、:自然科学版,2003,24(6):814821.5YunusCerci.AnewidealevaporativefreezingcycleJ.InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2003,46,29672974.(上接第l0页)图6冷阱出口温度变化曲线Fig.6Temperaturevariationcurveofcryo-trapoutlet参考文献1肖福根.低温技术在国外航天领域应用发展情况J.航天器工程,2006,15(1):49-55.2侯予,王瑾,熊联友,等.逆布雷顿(ReverseBrayton)循环空气制冷机系统实验台的建立J.低
24、温工程,2000(2):7-12.3ChenST,HouY,ZhaoHL,eta1.Anumericalmodelofthermalana1)-sisforwovenwirescreenmatrixheatexchangerJ.Cryogenics,2009,49(9):482-489.4KimuraN,TakadaS,GotohS,eta1.DevelopmentofasmallHeIIcryo?starwithopticalwindowsforamierogravityexperimentJ.Cryogenies,2011,51(1):7478.5XieGF,LiXD,WangRS.Studyontheheattransferofhighvacuummuhilayerinsulationtankaftersudden,catastrophiclossofinsulatingvacuumJ.Cryogenics,2010,50(10):682-687.6李静,熊联友,汤建成,等.紧凑式低温热交换器实验台测量系统J.低温与特气,2008,26(6):1620.7陈良,侯予,习兰.铜-康铜热电偶的标定与误差分析J.低温工程,2008(6):l823.,
