過冷水制冰系統(tǒng)新型融冰方法的實(shí)驗(yàn)研究

楊 昭，陳明鋒，陳愛強(qiáng)，張 娜，趙松松

（天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072）

過冷水制冰系統(tǒng)新型融冰方法的實(shí)驗(yàn)研究

楊 昭，陳明鋒，陳愛強(qiáng)，張 娜，趙松松

（天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072）

針對(duì)過冷水制冰系統(tǒng)極易發(fā)生冰堵以及傳統(tǒng)融冰方式效率低、能耗高等缺點(diǎn)，基于載冷劑管路旁通并利用熱泵冷凝熱作為熱源，研發(fā)出一種新型高效節(jié)能的融冰方法．對(duì)新型融冰方法的融冰效率、工作性能及能耗進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，將3種采用不同加熱和循環(huán)方式的融冰方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：利用熱泵機(jī)組加熱管道內(nèi)載冷劑的新型融冰方法效果最佳，其融冰效率為47.7%，；相比電加熱管路內(nèi)載冷劑和熱泵機(jī)組加熱全部載冷劑的融冰方法，新型融冰方法的融冰時(shí)間分別縮短了72.3%，和38.1%，復(fù)溫時(shí)間分別縮短了19.2%，和61.8%，水溫波動(dòng)分別減少0.47，℃和1.56，℃，融冰總能耗分別節(jié)約了37.4%，和55.7%，．

過冷水；過冷器；冰堵；冷凝熱；融冰方法

冰蓄冷具有平衡電力負(fù)荷和減少機(jī)組裝機(jī)容量等優(yōu)點(diǎn)，近年來成為制冷空調(diào)領(lǐng)域發(fā)展新趨勢(shì)［1］．動(dòng)態(tài)冰漿又稱流態(tài)冰，因其具有良好的流動(dòng)和傳熱特性［2］，在果蔬保鮮、建筑空調(diào)、工業(yè)冷卻和醫(yī)療等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用［3-4］．其中過冷法制冰漿是目前研究最為廣泛的一種基于水過冷結(jié)晶原理制取流態(tài)冰的方法，水在過冷器中被冷卻至冰點(diǎn)以下，維持過冷態(tài)流至蓄冰槽，過冷態(tài)解除生成冰水混合物［5］．水在過冷器中處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，極易在表面結(jié)冰發(fā)生冰堵，隨著冰層不斷增厚致使換熱效果和水流量下降，無法保證冰漿制取的連續(xù)性，甚至?xí)档蜋C(jī)組壽命周期，冰堵成為過冷法制冰最大的瓶頸［6-7］．

為有效降低過冷水制冰系統(tǒng)發(fā)生冰堵的概率，國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究．曲凱陽等［8］探究了過冷器表面粗糙度程度、表面材料、結(jié)冰基體面積和過冷水的磁化這些因素對(duì)過冷水結(jié)冰的影響，發(fā)現(xiàn)不同材料表面的過冷水結(jié)冰概率各有不同，并且磁化后的過冷水不易結(jié)冰．Wang等［9-10］通過在過冷器表面使用氟碳涂層來預(yù)防和減少冰堵的發(fā)生，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可以提高制冰效率，達(dá)到節(jié)能的目的. Teraoka等［11］對(duì)冰晶在乙二醇水溶液中生長過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明過冷度和溶液的濃度決定了樹枝狀晶體的生長速度和曲率半徑．

雖然國內(nèi)外學(xué)者對(duì)過冷水制冰系統(tǒng)結(jié)冰過程展開了廣泛研究，提出各種有效減少過冷器冰堵的方法，但還未能完全避免冰堵的發(fā)生．目前的研究多側(cè)重于如何減少冰堵概率和提高制冰效率方面，對(duì)融冰方法的研究鮮見報(bào)道．目前多采用電加熱器直接加熱過冷器或蓄冷槽內(nèi)的載冷劑來達(dá)到融冰的目的［12］，這種傳統(tǒng)融冰方式存在耗時(shí)長、效率低和能耗高等缺點(diǎn)．因此，針對(duì)過冷水制冰系統(tǒng)極易發(fā)生冰堵的缺點(diǎn)，本文基于載冷劑管路旁通和利用熱泵冷凝熱作為熱源，研發(fā)出一種新型高效節(jié)能的融冰方法，融冰方法的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)冰堵的解除具有指導(dǎo)意義．

1　實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of experimental system

如圖1所示，過冷水制冰系統(tǒng)主要由制冷/熱泵系統(tǒng)、載冷劑循環(huán)系統(tǒng)和過冷水循環(huán)系統(tǒng)組成．在制冷/熱泵系統(tǒng)中，通過四通換向閥實(shí)現(xiàn)制冷和制熱模式的切換，壓縮機(jī)額定輸入功率為2，kW．以乙二醇水溶液（水和乙二醇質(zhì)量比為3∶1）作為載冷劑，在板式換熱器中與制冷劑進(jìn)行熱量交換，通過制冷機(jī)組的啟停來實(shí)現(xiàn)乙二醇溶液溫度的精準(zhǔn)控制，溶液最低溫度可降至-10，℃．通過泵的循環(huán)使載冷劑和水在過冷器中實(shí)現(xiàn)熱量交換，水槽中水溫的調(diào)節(jié)范圍為-1～50，℃．過冷解除器如圖2（b）所示，利用頻率為0～40，kHz范圍內(nèi)變化的超聲波振動(dòng)使過冷器出口處的過冷水解除過冷態(tài)形成冰晶．在水槽中利用過濾網(wǎng)使冰水分離，為防止水槽出口處水溫過低進(jìn)入過冷器結(jié)冰，在過冷器前通過電加熱器來調(diào)節(jié)水溫．通過西門子S7-200和Wincc6.0軟件對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的精準(zhǔn)控制和數(shù)據(jù)采集．

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental apparatus

1.2新型融冰方法

制冰漿過程中，控制系統(tǒng)通過過冷器內(nèi)水循環(huán)流量和水進(jìn)出口溫度變化來自動(dòng)判斷是否冰堵．發(fā)生冰堵后，及時(shí)停機(jī)進(jìn)行融冰．如圖3所示，新型融冰方法利用熱泵機(jī)組的冷凝熱作為熱源，載冷劑在旁通管路內(nèi)以循環(huán)的方式進(jìn)行融冰．在融冰階段，切換到制熱模式，利用熱泵冷凝換熱器的熱量對(duì)部分管道內(nèi)的載冷劑進(jìn)行加熱，高溫載冷劑在管道內(nèi)循環(huán)，使過冷器表面的冰層逐漸溶解．在復(fù)溫階段，將制冷/熱泵系統(tǒng)切換到制冷模式，對(duì)管道內(nèi)的載冷劑和水槽內(nèi)的水進(jìn)行降溫，使系統(tǒng)恢復(fù)到融冰前的狀態(tài)．為防止旁通管路內(nèi)出現(xiàn)氣液兩相流而影響泵的循環(huán)性能，通過在乙二醇槽下端與管道連接處安裝單向閥門，可及時(shí)補(bǔ)充管路中的載冷劑形成滿液流，同時(shí)防止載冷劑回流到槽內(nèi)．如表1所示，新型融冰方法（Case1）與電加熱管路內(nèi)載冷劑的融冰方法（Case2）相比較，熱泵機(jī)組能夠利用空氣熱能和電能進(jìn)行加熱融冰，提高能源利用率，充分快速地進(jìn)行融冰和復(fù)溫；與熱泵機(jī)組直接加熱全部載冷劑的融冰方法（Case3）相比，新型融冰方法以管路旁通的形式能夠減少冷熱相抵，降低能耗，提高融冰效率．

圖3 新型融冰方法原理示意Fig.3 Schematic diagram of the novel de-icing method

表1 不同融冰方式的比較Tab.1 Comparison of different de-icing methods

1.3測(cè)試方法

為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可比性，每次開始融冰前，使過冷器完全堵塞（水流量為0）來保證過冷器內(nèi)結(jié)冰程度一致．在結(jié)冰過程，外界環(huán)境溫度為20，℃左右，水溫設(shè)定值為0±0.2，℃，槽內(nèi)載冷劑溫度設(shè)定值為-2±0.2，℃，制冷系統(tǒng)采用電子膨脹閥進(jìn)行節(jié)流，過熱度設(shè)置為5，℃，正常水循環(huán)流量為2.5，m3/h，當(dāng)水流量急速下降接近0時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生冰堵，結(jié)冰過程結(jié)束．在各融冰實(shí)驗(yàn)中，通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)來界定最佳融冰時(shí)間．實(shí)驗(yàn)各測(cè)量儀器及精度如表2所示，測(cè)量的溫度參數(shù)有水槽內(nèi)水溫、過冷器內(nèi)乙二醇進(jìn)出口溫度和水出口溫度等，其中溫度和水流量的自動(dòng)采集周期均為1，s．

表2 測(cè)量儀器及精度Tab.2 Measuring instrument and its accuracy

2　融冰過程分析

2.1能量分析

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，過冷水制冰系統(tǒng)在融冰過程中，熱源僅有部分熱量通過載冷劑間接傳遞到過冷器表面，再以導(dǎo)熱的方式進(jìn)行融冰，大部分熱量散失到水、環(huán)境空氣、硬件設(shè)備和載冷劑中，其能量關(guān)系為

式中：Qh為融冰熱源熱流量，W；Qm為有效融冰熱流量，W；Ql為散失熱流量，W；Qc為過冷器和冰之間的導(dǎo)熱流量，W；Qw為散失到水中的熱流量，W；Qa為散失到空氣中的熱流量，W；Qe為散失到硬件設(shè)備中的熱流量，W；Qr為散失到載冷劑中的熱流量，W．

從式（1）～（3）分析可得，減少散失熱流量Ql和增加熱源熱流量Qh，可提高融冰效率，達(dá)到節(jié)能的目的．與新型融冰方式相比，在電加熱管道載冷劑的融冰方法下，電加熱器功率受到限制，從而使融冰時(shí)間加長和效率降低；在熱泵機(jī)組加熱全部載冷劑的方法下，熱量大量散失到載冷劑中，大幅增加融冰能耗和降低效率，復(fù)溫能耗和時(shí)間也將增加．

在系統(tǒng)融冰階段，壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)是利用熱泵冷凝熱作為熱源融冰的主要耗電設(shè)備，而在電加熱融冰方式中提供熱源的耗能設(shè)備僅為電加熱器．在復(fù)溫階段，降溫能耗包括制冷機(jī)組和循環(huán)泵的能耗．

采用熱泵機(jī)組融冰的方法中融冰階段能耗為

采用電加熱融冰的方法中融冰階段能耗為

復(fù)溫階段能耗為

式中：Wmelti為融冰階段能耗（i=1，2），kW·h；Qcom為壓縮機(jī)功率，kW；Qfan為風(fēng)機(jī)功率，kW；Qpump為循環(huán)水泵功率，kW；Qheater為電加熱器功率，kW；tm為融冰時(shí)間，s；ttr為復(fù)溫時(shí)間，s.

2.2性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

融冰效率是評(píng)價(jià)融冰性能的一種有效方法，一般定義為用于融冰的熱量與融冰能耗的比值，融冰熱量通過冰的質(zhì)量和液化潛熱進(jìn)行估算［13］．在過冷水制冰系統(tǒng)，融冰效率為

式中：ME為融冰效率，%，；mice為結(jié)冰質(zhì)量，kg；γ為冰的液化潛熱，kJ/kg．

3　結(jié)果與討論

3.1冰堵的特性

如圖4所示，系統(tǒng)在制取冰漿過程中，水溫呈現(xiàn)周期性變化，平均周期為7，min，在換熱過程中過冷器的水進(jìn)出口平均溫差為0.78，℃，運(yùn)行一段時(shí)間后，水流量突降在過冷器表面結(jié)冰造成冰堵．如圖5所示，不完全融冰后再次制取冰漿時(shí)，一段時(shí)間后過冷器內(nèi)的水流量突然從2.40，m3/h下降到0.06，m3/h，之后又逐漸恢復(fù)正常．水流量突變瞬間水出口溫度上升，一段時(shí)間后水進(jìn)出口溫度分別維持在1.41，℃和1.01，℃左右．若融冰不完全將致使過冷器表面有薄冰殘留，隨著水溫不斷下降，冰層厚度不斷增加發(fā)生冰堵，疏松的冰晶在水泵壓力作用下被水沖刷流走形成新通道，從而使水流量逐漸恢復(fù)正常．但過冷器表面依然有冰層附著，直接影響到載冷劑和水之間的換熱效果．

圖4 過冷器內(nèi)水溫及流量變化曲線Fig.4 Variation of water temperature and flux in subcooler

圖5 不完全融冰過冷器內(nèi)水溫及流量變化曲線Fig.5 Variation of water temperature and flux in subcooler after incomplete de-icing process

3.2融冰時(shí)間和復(fù)溫時(shí)間

如圖6所示，Case1的融冰時(shí)間相比Case2和Case3分別縮短了72.3%，和38.1%，．在Case1和Case3中利用熱泵機(jī)組冷凝熱作為融冰熱源，熱泵機(jī)組的制熱量大約為電加熱器功率的2.8倍，因此Case1和Case3的融冰速度大于Case2．Case1采用管路旁通法進(jìn)行循環(huán)，只需加熱部分載冷劑，而Case3中需加熱系統(tǒng)中全部載冷劑，因此Case3比Case1的融冰時(shí)間更長．

復(fù)溫時(shí)間是指在融冰后將系統(tǒng)載冷劑和水的溫度恢復(fù)到融冰前的狀態(tài)所花費(fèi)的時(shí)間，其中Case1的復(fù)溫時(shí)間相比Case2和Case3分別縮短了19.2%，和61.8%，．Case1和Case2采用相同的復(fù)溫方式，但由于Case2在融冰階段耗時(shí)較長，導(dǎo)致水溫波動(dòng)變大，使其復(fù)溫時(shí)間略有增加；在Case3中需要對(duì)全部載冷劑進(jìn)行降溫，且在降溫過程中水溫還在不斷升高，從而使其復(fù)溫時(shí)間遠(yuǎn)大于其他兩種方式．

圖6 不同融冰方法的融冰時(shí)間和復(fù)溫時(shí)間Fig.6De-icing time and temperature recovery time of different de-icing methods

3.3載冷劑和水溫度的波動(dòng)

如圖7所示，融冰階段3種融冰方式的乙二醇出口溫度最大值分別為23.1，℃、17.8，℃和11.5，℃．載冷劑的加熱速率決定了其循環(huán)時(shí)間的長短，融冰時(shí)間短，需將載冷劑溫度升至更高才能保證冰完全融化．在復(fù)溫階段，載冷劑溫度逐漸下降，Case3的降溫速率明顯低于Case1和Case2．3種融冰模式下，當(dāng)水溫高于乙二醇出口溫度時(shí)，循環(huán)水泵開啟，乙二醇和水在過冷器中進(jìn)行熱交換，此刻的降溫速率突然變緩．

圖7 融冰過程中過冷器乙二醇出口溫度變化曲線Fig.7Variation of ethylene glycol solution temperature in subcooler outlet during de-icing process

如圖8所示，水與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換使水槽內(nèi)水溫緩慢上升，水在降溫前循環(huán)水泵開啟致使管道中積蓄的高溫水流入水槽，導(dǎo)致水溫迅速上升到最高點(diǎn)，3種融冰方式中水溫波動(dòng)值分別為0.96，℃、1.43，℃和2.52，℃．Case1融冰時(shí)間短使水與外界環(huán)境的散熱減少，水溫波動(dòng)也最?。籆ase3中熱量散失到管道內(nèi)水的熱量較多，同時(shí)需對(duì)全部載冷劑和水降溫，導(dǎo)致水溫波動(dòng)最大和降溫時(shí)間最長．

圖8 融冰過程中水槽內(nèi)水溫變化曲線Fig.8 Variation of water temperature in water tank during de-icing process

3.4融冰能耗和效率

如圖9所示，3種融冰方式的融冰能耗與復(fù)溫能耗的比值分別為0.55、1.30和0.27，Case1的融冰階段能耗相比Case2和Case3分別節(jié)約了60.8%，、25.6%，融冰全過程總能耗相比Case2和Case3分別節(jié)約了37.4%，、55.7%，．如圖10所示，3種融冰方式的融冰效率分別為47.7%，、19.1%，和36.3%，新型融冰方法融冰效率最高．在實(shí)驗(yàn)工況下，熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)平均為2.1，采用熱泵機(jī)組加熱載冷劑的能效明顯高于電加熱器，提高了能源的利用效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的．此外電加熱融冰時(shí)間過長使得熱量更多散失到外界環(huán)境中去，造成能源浪費(fèi)，降低了融冰效率．在Case3融冰階段需要加熱全部載冷劑，在復(fù)溫階段又需對(duì)全部載冷劑進(jìn)行降溫，造成對(duì)能源的不合理利用．新型融冰方法利用熱泵系統(tǒng)能夠從空氣中獲取低品位能源進(jìn)行融冰，同時(shí)采用管路旁通方式減少了能源的不合理利用，大幅提高了融冰效率和能源利用率．

圖9 不同融冰方式設(shè)備的能耗Fig.9 Energy consumption of different de-icing methods

圖10 不同融冰方法的融冰效率Fig.10 De-icing efficiency of different de-icing methods

4　結(jié) 論

本文基于載冷劑管路旁通并利用熱泵冷凝熱研發(fā)出一種新型融冰方法，從融冰效率和節(jié)能的角度對(duì)新型融冰方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并與兩種采用不同加熱和循環(huán)方式的融冰方法進(jìn)行對(duì)比．在環(huán)境溫度為20，℃工況下，對(duì)過冷水制冰裝置進(jìn)行融冰實(shí)驗(yàn)，可得出以下結(jié)論.

（1） 過冷器融冰不完全將致使過冷器表面還殘留一層薄冰，恢復(fù)運(yùn)行后將增大再次冰堵的概率或者無法正常制取冰漿．

（2） 新型融冰方法與電加熱管路內(nèi)載冷劑和熱泵機(jī)組加熱全部載冷劑的融冰方法相比，融冰時(shí)間分別縮短了72.3%，和38.1%，，復(fù)溫時(shí)間分別縮短了19.2%，和61.8%，．

（3） 新型融冰方法的最大水溫波動(dòng)值為0.96，℃，水溫波動(dòng)值較電加熱管路內(nèi)載冷劑和熱泵機(jī)組加熱全部載冷劑的融冰方法分別減少了0.47，℃和1.56，℃.

（4） 新型融冰方法融冰效率為47.7%，相比電加熱管路內(nèi)載冷劑和熱泵機(jī)組加熱全部載冷劑的融冰方法，融冰效率分別提高了28.6%，和11.4%，融冰全過程總能耗分別節(jié)約了37.4%，和55.7%，大幅提高了融冰效率和能源利用率．

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（責(zé)任編輯：金順愛）

Experimental Research on a Novel De-Icing Method in Ice Slurry Generation System with Supercooling Water

Yang Zhao，Chen Mingfeng，Chen Aiqiang，Zhang Na，Zhao Songsong
（School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

The subcooler is extremely easy to freeze in ice slurry generation system with supercooling water，which could lead to ice blockage．To avoid the problem and overcome the defects like high energy consumption and low efficiency of traditional de-icing technology，a novel de-icing method was investigated．The novel de-icing method was based on refrigerating medium bypass circulation and condensing heat of heat pump was used as heat source．Experiments on de-icing efficiency，operating performance and energy consumption of the novel de-icing method were conducted，and three practical de-icing methods with different heaters and air circulation modes were comparatively studied．The experimental results show that the novel de-icing method has an efficiency of 47.7%，which is the optimum de-icing efficiency among all three methods．Compared with the electric heat de-icing method which heats refrigerating medium of pipeline and the heat pump de-icing method which heats all refrigerating medium，the de-icing time of this novel method is shortened by 72.3%，and 38.1%，respectively，temperature recovery time is shortened by 19.2%，and 61.8%，respectively，water temperature fluctuation is decreased by 0.47，℃and 1.56，℃ respectively，and de-icing energy consumption is reduced by 37.4%，and 55.7%，respectively.

supercooling water；subcooler；ice blockage；condensing heat；de-icing method

TK02

A

0493-2137（2016）07-0728-06

10.11784/tdxbz201508069

2015-08-31；

2015-09-21.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51476111，51276124）；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目（20130032130006）.

楊 昭（1960— ），女，教授.

楊 昭，zhaoyang@tju．edu．cn.

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-09-22. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20150922.1508.004.html.