蓄冷板凍結(jié)與釋冷的實(shí)驗(yàn)研究

張 哲 王颯颯 李立民 李 曼 田津津 郭永剛

(天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134)

1 引言

蓄冷板制冷方式的原理是:將在冷庫冷凍間凍結(jié)后的冷板移至冷藏裝置中，然后在貯藏或運(yùn)輸途中利用冷板中的共晶冰融化吸收外部熱量［1］，使冷藏裝置內(nèi)部溫度保持在貨物適宜的低溫，從而實(shí)現(xiàn)冷藏運(yùn)輸。隨著制冷技術(shù)的不斷進(jìn)步，冷板制冷技術(shù)已在中國得到了廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)外科研工作者都對冷板制冷方式進(jìn)行了研究。冷板制冷能夠減少運(yùn)輸費(fèi)用，平衡電網(wǎng)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)“移峰填谷”新［2］，可以說在經(jīng)濟(jì)成本、環(huán)境污染與安全性等諸多方面都超過了冷藏車車載制冷機(jī)組。

在蓄冷板的實(shí)際應(yīng)用中，蓄冷板與外界的換熱性能，對蓄冷板制冷系統(tǒng)的制冷性能有著非常大的影響。對在冷板換熱與外界換熱時，環(huán)境溫度、冷板大小，共晶液種類、蓄冷劑質(zhì)量以及蓄冷板形狀等條件，都會對其換熱過程產(chǎn)生不同程度的影響［3］。定量的研究蓄冷板換熱過程中各種影響因素的影響程度，對于進(jìn)一步認(rèn)識蓄冷板的蓄冷過程，優(yōu)化蓄冷板的性能，拓展蓄冷板的應(yīng)用范圍，都有著很重要的意義。

這次實(shí)驗(yàn)過程中對不同環(huán)境中NaCl蓄冷板的凍結(jié)過程以及釋冷過程進(jìn)行了研究，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，定量分析了外界環(huán)境對二者的影響程度，對于蓄冷板制冷系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的時間調(diào)控具有積極的意義。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 NaCl共晶液的物理性質(zhì)

本文研究對象是共晶液為NaCl水溶液的蓄冷板。共晶鹽溶液在共晶點(diǎn)溫度下凍結(jié)時，跟純凈物質(zhì)一樣釋放固化潛熱［4］。同樣，共晶冰融化時，要吸收相變潛熱。在制冷溫度比冰低的場合，可以用融化溫度較低的共晶冰來蓄冷［5］。NaCl共晶液的物性如表1 所示［6］。

表1 NaCl共晶液物理性質(zhì)Table 1 Physical property of eutectic liquid-NaCl

2.2 實(shí)驗(yàn)過程中的溫度測定

在本次實(shí)驗(yàn)中，選取尺寸為0.8 m×0.4 m×0.04 m(長×寬×厚)的蓄冷板進(jìn)行研究。為便于研究冷板凍結(jié)時的凍結(jié)情況及溫度變化，選取冷板中換熱效果最的點(diǎn)A作為溫度測點(diǎn)［7-9］，用其溫度值來代表整個蓄冷板的溫度狀況。A點(diǎn)位于蓄冷板的中心斷面上，其與蓄冷板底面及左側(cè)壁面的距離分別為0.02 m 和0.1 m，如圖1 所示。

圖1 冷板示意圖Fig.1 Schematic diagram of cold plate

2.3 蓄冷板凍結(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在蓄冷板凍結(jié)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料有:NaCl蓄冷板、T型熱電偶、計算機(jī)及MX100型數(shù)據(jù)采集器。冷板的凍結(jié)過程在速凍機(jī)實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行，熱電偶一端連接溫度測點(diǎn)A，另一端連接數(shù)據(jù)采集器，而MX100型數(shù)據(jù)采集器還與計算機(jī)相連接，可以實(shí)現(xiàn)溫度的測量，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)過程中，在冷板上將A定為溫度測點(diǎn)，如圖1所示。溫度巡檢儀每記錄一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的時間間隔是1 min，選擇實(shí)驗(yàn)過程中測得的A點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。將初始溫度為30℃的冷板分別置于-25、-35和-40℃的環(huán)境中進(jìn)行測定。

圖2 速凍機(jī)實(shí)驗(yàn)臺Fig.2 Freezer laboratory bench

2.4 蓄冷板釋冷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

蓄冷板釋冷過實(shí)驗(yàn)所需實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備有:NaCl蓄冷板、銅-鎳熱電偶、MX100型數(shù)據(jù)采集器和計算機(jī)。

冷板的釋冷過程在焓差實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，焓差實(shí)驗(yàn)室如圖3所示。實(shí)驗(yàn)過程中，在蓄冷板中取A點(diǎn)作為溫度測點(diǎn)，測點(diǎn)的布置如圖1所示。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，熱電偶測溫端布于測點(diǎn)A處，另外一端接入MX100型數(shù)據(jù)采集器，MX100型數(shù)據(jù)采集器同時與計算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)溫度的測量。因?yàn)檎麄€釋冷實(shí)驗(yàn)過程中整個蓄冷板的溫度狀況用點(diǎn)溫度來表示，所以當(dāng)測點(diǎn)A的溫度大于共晶溫度-21.2℃時，則認(rèn)為冷板的釋冷過程結(jié)束。同樣的，溫度巡檢儀每隔1 min會記錄1次數(shù)據(jù)，對冷板整個釋冷過程的點(diǎn)A的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。將初始溫度為-25℃的冷板分別放在-10、-5和0℃的環(huán)境中進(jìn)行測定。

圖3 焓差實(shí)驗(yàn)室Fig.3 Enthalpy potential method laboratory

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 冷板凍結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

通過實(shí)驗(yàn)，得到了初始溫度為30℃的蓄冷板在-25、-35和-40℃3種環(huán)境中的溫度隨時間的變化情況，分別如圖4、圖5和圖6所示。

圖4給出了在-25℃環(huán)境中，蓄冷板溫度隨時間的變化情況。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，從實(shí)驗(yàn)開始到最后完全凍結(jié)的過程中，蓄冷板的溫度隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行而逐漸降低。冷板在-25℃的環(huán)境中經(jīng)過5 h的冷凍后溫度接近共晶液的共晶點(diǎn)，溫度變化趨于平緩，說明冷板開始出現(xiàn)共晶冰。冷板冷凍約8 h后，溫度下降至-21.2℃以下，冷板內(nèi)共晶液已凍結(jié)為共晶冰。

圖4 環(huán)境溫度為－25℃時冷板溫度隨時間的變化情況Fig.4 Cold plate temperature change with time under temperature of－25℃

圖5給出了冷板在-35℃環(huán)境中，蓄冷板溫度隨時間的變化規(guī)律。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，蓄冷板在-35℃的環(huán)境中經(jīng)過4 h的冷凍過程后，溫度已經(jīng)接近共晶液的共晶溫度，溫度隨時間的變化趨于平緩，說明蓄冷板內(nèi)開始出現(xiàn)共晶冰。蓄冷板冷凍大約6.5 h后，板內(nèi)溫度下降至共晶液的共晶溫度以下，說明冷板共晶液已完全凍結(jié)成了共晶冰。

圖5 環(huán)境溫度為－35℃時冷板溫度隨時間的變化情況Fig.5 Cold plate temperature change with time under temperature of－35℃

圖6給出了在-40℃環(huán)境中，蓄冷板溫度隨時間的變化規(guī)律。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，冷板在-40℃的環(huán)境中經(jīng)過3 h左右的冷凍過程后，溫度差不多達(dá)到了共晶液的共晶溫度，板內(nèi)溫度隨時間的變化趨于平緩，意味著冷板開始出現(xiàn)共晶冰。蓄冷板在-40℃環(huán)境中冷凍大約5.5 h后，溫度下降至-21.2℃以下，冷板共晶液已全部凍結(jié)。

圖6 環(huán)境溫度為－40℃時冷板溫度隨時間的變化情況Fig.6 Cold plate temperature change with time under temperature of－40℃

3.2 冷板釋冷實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

通過實(shí)驗(yàn)，得到了初溫為-25℃的冷板在-10、-5和0℃3種環(huán)境中溫度隨時間的變化情況，結(jié)果如圖7、圖8和圖9所示。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境溫度為0℃時，蓄冷板的溫度隨時間的變化規(guī)律:隨著釋冷過程的進(jìn)行，開始時冷板溫度呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，這個過程持續(xù)56 h左右;當(dāng)釋冷到56 h左右時，蓄冷板溫度上升到了板內(nèi)共晶液的共晶溫度-21.2℃，共晶冰開始融化;57 h以后，冷板內(nèi)共晶冰逐漸融化，直到70 h左右時釋冷過程完成。

圖7 環(huán)境溫度為0℃時冷板溫度隨時間的變化情況Fig.7 Cold plate temperature change with time under the temperature of 0℃

由圖8可以看出，當(dāng)蓄冷板處在-5℃的環(huán)境中時，在釋冷過程的前63 h內(nèi)，冷板的溫度隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行平滑上升，冷板溫度逐漸接近共晶液的共晶溫度;而在63 h左右時，冷板溫度的上升幅度開始出現(xiàn)變化，說明此時蓄冷板的溫度已經(jīng)達(dá)到了共晶溫度，冷板內(nèi)共晶冰開始融化;63 h后，冷板內(nèi)的釋冷進(jìn)程緩慢進(jìn)行，直到80 h時冷板釋冷完畢。

圖8 環(huán)境溫度為－5℃時冷板溫度隨時間的變化情況Fig.8 Cold plate temperature change with time under the temperature of－5℃

由圖9可以看出在-10℃的環(huán)境中蓄冷板溫度隨時間的變化趨勢。在-10℃的環(huán)境中，經(jīng)過75 h的釋冷過程，冷板溫度平緩的上升到了其共晶溫度-21.2℃;而在75 h左右時，冷板溫度上升的趨勢開始出現(xiàn)變化，說明冷板內(nèi)共晶冰已經(jīng)開始融化;在75 h以后，冷板溫度的上升速度逐漸加快，說明冷板內(nèi)共晶冰的融化過程正在進(jìn)行，直至95 h左右時釋冷結(jié)束。

圖9 環(huán)境溫度為－10℃時冷板溫度隨時間的變化情況Fig.9 Cold plate temperature change with time under the temperature of－10℃

4 結(jié)論

(1)蓄冷板凍結(jié)時，外界環(huán)境對共晶液開始凍結(jié)所需時間有較大影響，在-25℃和-40℃兩種環(huán)境中，共晶液開始凍結(jié)所需時間相差2 h。

(2)蓄冷板凍結(jié)過程中，共晶液開始出現(xiàn)結(jié)晶至完全凍結(jié)所需時間受環(huán)境影響較小，-25、-35和-40℃3種低溫環(huán)境中，共晶液開始凍結(jié)到完全凍結(jié)所需時間均在3 h左右。

(3)釋冷過程中，環(huán)境溫度高于共晶溫度時，環(huán)境溫度越高，冷板釋冷速度越快，反之，環(huán)境溫度越低，冷板釋冷速度越慢。

(4)蓄冷板釋冷時，冷板內(nèi)共晶冰開始融化到完全融化的過程受環(huán)境影響較大，在-10、-5和0℃的環(huán)境中，該過程歷時分別為20、17和13 h。

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