新型流態(tài)冰蒸發(fā)制冷循環(huán)及制冰量性能分析

閆俊海 張小松

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 南京市 210096)

1 引言

在世界能源形勢日益緊張的局面下，冰蓄能作為一種常規(guī)、典型的相變潛熱蓄能方法，是目前電力“移峰填谷”和解決電力不足的重要方法，同時也是當(dāng)前最重要的節(jié)能手段之一。冰蓄冷系統(tǒng)通?？煞譃殪o態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)和動態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)，但靜態(tài)冰蓄冷蓄能過程中，傳熱熱阻會隨著冰層厚度的增加而增加，進(jìn)而導(dǎo)致制冰效率快速下降，同時制冷系統(tǒng)熱力性能也大幅降低，為了克服靜態(tài)冰蓄冷的缺陷，各種動態(tài)冰蓄冷方式成為目前研究的熱點。流態(tài)冰作為動態(tài)制冰的一種，它是以水為基礎(chǔ)的懸浮冰顆粒的溶液，這使得它與傳統(tǒng)的冰槽蓄冷相比在熱交換時有較大的換熱面積，能更有效地適應(yīng)冷負(fù)荷的變化，同時與其它介質(zhì)相比，冰漿具有巨大的相變潛熱和低溫顯熱，如含冰率5%—30%的冰漿，其傳熱系數(shù)為3 kW/(m2·K)，是相同條件下冷凍水冷卻能力的5—6 倍［1］。

蒸發(fā)式過冷水制取流態(tài)冰作為一種新型的動態(tài)制冰方法，避免了傳統(tǒng)過冷水制取流態(tài)冰方法中可能出現(xiàn)的管內(nèi)因凍結(jié)而發(fā)生冰堵的問題，不僅制冰效率比較高，而且由于可以靈活地利用太陽能或者其它廢熱，降低了對電能的依賴系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，該新型制冰方式是由張小松、李秀偉［2-3］首次提出的，并從宏觀上分析了系統(tǒng)的性能，與傳統(tǒng)過冷水制取流態(tài)冰系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的性能系數(shù)在一定的工況下可以提高30%以上。目前國內(nèi)外對該制冰方法的研究還比較少，本文從系統(tǒng)的構(gòu)成上入手，分析了系統(tǒng)的制冷循環(huán)過程，另外研究了初始水溫、水的蒸發(fā)量和空氣出口相對濕度等因素對單位質(zhì)量(1 kg)干空氣制冰量的影響，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過計算獲得了不同初始水溫以及出口空氣相對濕度下單位質(zhì)量干空氣的制冰量大小以及水的蒸發(fā)量與單位質(zhì)量干空氣制冰量的變化關(guān)系。

2 制冰原理及蒸發(fā)制冷循環(huán)

從本質(zhì)上來說，當(dāng)水與未飽和濕空氣自由接觸，并且與其它影響因素絕熱時，在各自溫度差和蒸汽壓差的作用下，水與未飽和濕空氣之間就會發(fā)生熱量和質(zhì)量交換。熱量從較高的一側(cè)傳向較低的一側(cè)，水蒸氣則從蒸氣壓高的一側(cè)傳向蒸氣壓力低的一側(cè)。蒸發(fā)式過冷水制取流態(tài)冰的工作原理也就是0℃的水滴會在水蒸氣分壓力低于水三相點飽和水蒸氣分壓力(611.7 Pa)的低溫低濕的空氣環(huán)境中蒸發(fā)，由于水滴邊界層的飽和蒸氣壓與周圍濕空氣中水蒸氣分壓力差，而實現(xiàn)水滴的蒸發(fā)，在這一過程中水滴由液態(tài)變成氣態(tài)，水滴自身的顯熱不斷轉(zhuǎn)化為蒸發(fā)潛熱(0℃的水的汽化潛熱2 500 kJ/kg)轉(zhuǎn)移到周圍濕空氣中，從而使未蒸發(fā)水的溫度不斷降低，當(dāng)下降到一定過冷度時水滴轉(zhuǎn)變?yōu)楸?。圖1是蒸發(fā)式過冷水制取流態(tài)冰的系統(tǒng)示意圖。

圖1 蒸發(fā)式過冷水制取流態(tài)冰的系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of ice slurry making system by evaporating super-cooled water

蒸發(fā)式過冷水制取流態(tài)冰系統(tǒng)有4個子循環(huán)構(gòu)成［2］:(1)水循環(huán)，從制冰室出來的有冰和水，經(jīng)過冰水分離器，冰晶被儲存在儲冰槽中，而未結(jié)為冰的水被循環(huán)利用;(2)空氣循環(huán)，制冰室的低溫低濕環(huán)境是通過整個空氣循環(huán)系統(tǒng)來實現(xiàn)的，從制冰室出來的空氣含濕量升高，被送入除濕器中除濕，含濕量降低后再通過蒸發(fā)器降低溫度，然后被重新利用;(3)除濕再生循環(huán)，對于溶液除濕來說，由于驅(qū)動溶液除濕循環(huán)所需熱源的溫度在60—80℃左右［4］，制冷循環(huán)過程中冷凝器所放出的冷凝熱可重新利用于驅(qū)動溶液除濕循環(huán)，如該熱量不足的話，可以使用一些廢熱及太陽能等作為補充熱源，因此整個系統(tǒng)節(jié)能效果顯著;(4)制冷循環(huán)，為了滿足制冰室空氣的低溫需求，采用機(jī)械制冷的方式對經(jīng)氣體換熱器降溫后的低濕空氣進(jìn)一步降溫達(dá)到設(shè)計的要求。在整個制冰循環(huán)系統(tǒng)中，空氣循環(huán)作為其中重要一環(huán)，主要擔(dān)負(fù)將制冰室中水的熱量轉(zhuǎn)移到空氣環(huán)境中去，以實現(xiàn)水的凍結(jié)，圖2是蒸發(fā)制冰空氣循環(huán)I-D圖。

圖2 蒸發(fā)制冷空氣循環(huán)I-D圖Fig.2 I-D scheme of evaporative freezing air circulation

空氣處理過程:1→2表示空氣在制冰室的絕熱加濕過程;2→3表示制冰室排出的空氣經(jīng)氣體熱交換器與從除濕器出來空氣進(jìn)行換熱后的等濕升溫過程;3→4表示濕空氣經(jīng)過除濕器的去濕過程;4→5表示除濕后的空氣經(jīng)氣體熱交換器與制冰室排出空氣進(jìn)行換熱后的等濕降溫過程;5→1表示空氣進(jìn)入蒸發(fā)器的進(jìn)一步等濕降溫過程。

在理想狀況下，狀態(tài)點1，空氣的干球溫度取0℃、每單位質(zhì)量(1 kg)干空氣含濕量取0 g，狀態(tài)點2，空氣的干球溫度取0℃、相對濕度為100%［5］。在實際工況下，濕空氣經(jīng)除濕器去濕后單位質(zhì)量空氣的含濕量難以處理到0 g這種極值情況，空氣含濕量處理的越低，除濕循環(huán)的能耗也就越高，整個制冰系統(tǒng)的節(jié)能效果就會變差，另外對于水與空氣的熱濕交換，由于水與空氣的接觸時間比較短，熱濕交換不充分，出口空氣最終相對濕度最多能達(dá)到90%—95%，很難達(dá)到飽和，狀態(tài)點2的空氣經(jīng)氣體熱交換器后，等濕升溫到狀態(tài)點3，然后氣體經(jīng)除濕器去濕升溫到狀態(tài)點4。狀態(tài)點4的空氣經(jīng)氣體熱交換器等濕降溫后到狀態(tài)點5，由于在熱交換器中發(fā)生的是顯熱交換所以狀態(tài)點2→3的溫差和4→5的溫差相等。最后，狀態(tài)點5的空氣經(jīng)蒸發(fā)器等濕降溫到狀態(tài)點1完成整個空氣制冷循環(huán)。在1→2的過程中水與空氣發(fā)生熱質(zhì)交換，蒸發(fā)產(chǎn)生的冷量為Qvapor，過程3→4為濕空氣的除濕過程，除濕過程放出的熱量為Qg。

3 制冰量性能分析

3.1 計算方法

對于蒸發(fā)式過冷水制取流態(tài)冰系統(tǒng)來說，制冰室中經(jīng)噴嘴霧化的水滴在常壓低含濕量空氣環(huán)境里通過一小部分水滴的汽化蒸發(fā)將水的汽化潛熱轉(zhuǎn)移到空氣中，而降溫過冷后形成冰晶，空氣同時也由低濕空氣變成高濕空氣，對于系統(tǒng)的制冰效率，可以通過單位質(zhì)量干空氣的制冰量作為一個衡量指標(biāo)。圖3是制冰室水霧化蒸發(fā)控制體積示意圖。

圖3 水蒸發(fā)控制體積示意圖Fig.3 Water evaporative control volume scheme

首先作如下假設(shè):(1)制冰室及系統(tǒng)管道保溫效果良好，不考慮其熱損失;(2)忽略空氣及水通過風(fēng)機(jī)和水泵的溫升;(3)系統(tǒng)嚴(yán)密性良好，無漏風(fēng)損失。

在圖3所示的制冰室水霧化蒸發(fā)控制體積圖中，假定進(jìn)入制冰室水的質(zhì)量為mw，通過霧化蒸發(fā)生成冰的質(zhì)量為mice，水的蒸發(fā)質(zhì)量為mv，制冰室入口干空氣的質(zhì)量為ma1、含濕量為d1、空氣的焓值為h1，出口干空氣的質(zhì)量為ma2、含濕量為h2以及空氣焓值為h2，循環(huán)干空氣的質(zhì)量為ma。

由質(zhì)量守恒原理可得:

制冰室水質(zhì)量守恒:

對于制冰室空氣循環(huán)來說，由能量守恒可得:

式中:γ表示水的汽化潛熱。

由式(3)、式(5)合并可得進(jìn)出制冰室空氣的焓差為:

水通過與空氣發(fā)生熱質(zhì)交換，將自身的熱量轉(zhuǎn)移到空氣中而過冷結(jié)冰，由此產(chǎn)生的制冷量Qvapor可表示為:

由進(jìn)出制冰室水的質(zhì)量守恒可得:

由水的能量守恒可得:

式中:hw1為進(jìn)入制冰室水的焓值;hw2為水的溶解熱，-334 kJ/kg。由式(8)、式(9)合并可得:

由式(7)、式(10)可得制冰所需的蒸發(fā)水量為:

水的蒸發(fā)量分為兩部分，mv1為水從初始溫度降低到0℃時所對應(yīng)的蒸發(fā)量，mv2為水從0℃蒸發(fā)過冷到結(jié)冰所對應(yīng)的蒸發(fā)量。

根據(jù)能量守恒可得:

在0℃、1×105Pa的條件下水的汽化潛熱為2 500 kJ/kg，溶解熱為 -334 kJ/kg，m=2 500/334=7.5，由此可看出在理想的情況下，蒸發(fā)1 kg的水產(chǎn)生的冷量可以使7.5 kg的水變成冰。

由式(10)、式(12)、式(14)、式(15)合并可得單位質(zhì)量干空氣的制冰量mice:

3.2 計算結(jié)果與分析

3.2.1 初始水溫對制冰量及蒸發(fā)水量的影響

假定在理想情況下，進(jìn)入制冰室的空氣干球溫度為0℃、含濕量為0 g/(kg干空氣)，出制冰室空氣相對濕度為100%，而實際情況下，進(jìn)入制冰室的空氣干球為1℃，含濕量為1.25 g/(kg干空氣)，在這兩種工況下，單位質(zhì)量干空氣的制冰量隨初始水溫的變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 單位質(zhì)量干空氣的制冰量隨水初始溫度的變化系Fig.4 Ice production capacity of unit mass dry air versus initial water temperature

從圖4可以看出，在上述兩種工況下單位質(zhì)量干空氣的制冰量均隨著初始水溫的升高而減小，這是因為水的初始溫度越高，其所對應(yīng)的內(nèi)能就越大，在水滴蒸發(fā)產(chǎn)生冷量不變時，單位質(zhì)量干空氣的制冰量必然減少。另外，理想情況下水溫在20℃時單位質(zhì)量干空氣的制冰量是0℃時制冰量的77.3%，而實際情況下的制冰量是在0℃時制冰量的77.1%，兩種工況下曲線的變化趨濕基本一致。在理想情況下，水初溫為0℃時單位質(zhì)量(1 kg)干空氣的制冰量達(dá)到理論最大值28.3 g，而在實際情況下，由于受空氣除濕效果以及空氣與水的熱濕交換效率等因素的影響，實際制冰量只有12.4 g，是理想情況下的43.8%，所以空氣入口含濕量越低、熱濕交換效率越高單位質(zhì)量干空氣制冰量越大。

圖5反映了制取1 kg冰所需的蒸發(fā)水量隨初始水溫的變化關(guān)系，水的初始溫度越高，制冰所需的蒸發(fā)水量就越多。制取1 kg冰情況下，初始水溫為0℃時所需的蒸發(fā)水量是初始水溫為20℃時的77.2%。這是因為初始水溫越高其具有的內(nèi)能也就越大，通過水的蒸發(fā)帶走汽化潛熱使其降溫時需要的蒸發(fā)水量也就越大，制冰過程中所需的蒸發(fā)水量越大也就意味著循環(huán)空氣吸收的水量增多，這增加了溶液除濕的負(fù)荷，降低了溶液除濕蒸發(fā)制冰的性能。因此降低水的初始溫度，不僅可以提高單位質(zhì)量干空氣的制冰量，而且也降低了溶液的除濕負(fù)荷，可以在很大程度上提高整個制冰系統(tǒng)的性能。

圖5 制取1 kg冰所需的蒸發(fā)水量隨初始水溫的變化關(guān)系Fig.5 Evaporation amount of water versus initial water temperature for making 1 kg ice

3.2.2 空氣出口的相對濕度對制冰量的影響

圖6是初始水溫為0℃、空氣溫度為0℃、空氣含濕量為0 g/(kg干空氣)的條件下，空氣出口的相對濕度對制冰量的影響。從圖6可以看出，單位質(zhì)量干空氣的制冰量隨著空氣出口相對濕度的增加而增加，這是因為出口空氣的相對濕度越大反映了水與空氣的熱質(zhì)交換效率越高，由水蒸發(fā)所產(chǎn)生的制冷量也就越大，所以單位質(zhì)量干空氣的制冰量也隨著增加。因此，可以通過提高水與空氣的熱質(zhì)交換效率來提高系統(tǒng)的制冰性能，影響水與空氣的熱質(zhì)交換效率的因素比較多，水與空氣的接觸面積是其中一個非常重要的因素，可以選擇高霧化性能的噴嘴將水霧化成細(xì)小的水滴，提高它們之間的熱質(zhì)交換面積進(jìn)而提高水與空氣的熱質(zhì)交換效率來提高水的制冰效率。

圖6 空氣出口的相對濕度對制冰量的影響Fig.6 Effect of relative humidity of outlet air on ice production capacity

4 結(jié)論

溶液除濕蒸發(fā)過冷制取流態(tài)冰的方法，由于可以利用系統(tǒng)冷凝熱及太陽能、廢熱作為除濕循環(huán)的驅(qū)動熱源，因此整個系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。本文對系統(tǒng)的單位質(zhì)量干空氣制冰量進(jìn)行了分析，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值計算分析了各種因素對單位質(zhì)量干空氣制冰量的影響，結(jié)果表明制冰用的初始水溫越高制冰量越小，而在單位質(zhì)量干空氣制冰量相同時，初始水溫越高所對應(yīng)的蒸發(fā)水量也越大，同時空氣出口的相對濕度越大，所對應(yīng)的制冰量越大。另外入口空氣的含濕量越低以及空氣與水熱濕交換效率越高，單位質(zhì)量干空氣的制冰量則越大，因此在實際制冰過程中為了提高系統(tǒng)制冰效率及性能，可以從以下幾個方面來考慮:(1)通過強化空氣除濕，盡量降低進(jìn)入制冰室入口空氣的含濕量;(2)優(yōu)化制冰室的結(jié)構(gòu)以及選擇高性能的水霧化噴嘴;(3)降低進(jìn)入制冰室水的初始溫度;(4)系統(tǒng)各循環(huán)的優(yōu)化匹配。

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4 張小松，費秀峰，施明恒，等.蓄能型溶液除濕蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)中除濕器研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2003，24(6):814-821.

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