改進(jìn)型真空制冰系統(tǒng)的性能研究

時(shí)競(jìng)競(jìng) 劉道平 余守杰 彭富裕

(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093)

冰漿是由水溶液和冰晶粒子組成的泥漿狀懸濁液，具有蓄冷能力大、流動(dòng)性強(qiáng)、較快的供冷速率和較好的溫度調(diào)解特性等特點(diǎn)。由于冰漿良好的傳熱與冷卻特性，使得換熱器的流量、水泵的能耗及相應(yīng)的管道、設(shè)備尺寸等大大減小，從而降低了初投資與運(yùn)行費(fèi)用。冰漿可以廣泛用于蓄冷空調(diào)、工業(yè)生產(chǎn)、食品的加工保存、換熱器和管道的內(nèi)部清洗、手術(shù)醫(yī)療和撲滅火災(zāi)等領(lǐng)域[1-3]，并具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

當(dāng)前，制備冰漿的方式主要有過冷水式動(dòng)態(tài)制冰、刮削式制冰、下降液膜式制冰、直接接觸式制冰、流化床式制冰、真空制冰等[4-7]。其中，大多制冰方式主要依靠熱傳導(dǎo)的方式，而真空制冰主要通過液體閃蒸帶走自身熱量，達(dá)到凍結(jié)的效果，克服了傳統(tǒng)制冰方式易結(jié)冰或冰堵、換熱效率低、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)溫度控制要求高、載冷劑的選擇范圍狹窄和容易老化等問題，具有巨大優(yōu)勢(shì)，是目前生產(chǎn)冰漿的理想方法之一。

由于冰漿在日常生產(chǎn)生活當(dāng)中的重要作用，以及真空制冰方式的相對(duì)優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)真空冰漿制備的研究受到了國(guó)內(nèi)外的重視。B S Kim等[8]說明了水噴射蒸發(fā)真空冰漿制備的原理，重點(diǎn)研究單個(gè)液滴的蒸發(fā)特性。Isao Satoh等[9]研究了水滴的真空蒸發(fā)特性與初溫、直徑大小、真空度的關(guān)系。陳光明、張紹志等[10-11]先后建立了水滴的閃蒸降溫?cái)?shù)學(xué)模型，對(duì)真空冰漿制備過程的理論方程分別進(jìn)行了無(wú)因次化。劉偉民等[12]研究了水滴在不同絕對(duì)壓力(p=200～800Pa)下的閃發(fā)過程，同時(shí)測(cè)定了水滴內(nèi)部不同位置的降溫過程。章學(xué)來(lái)等[13]采用數(shù)值計(jì)算軟件處理數(shù)據(jù)得出經(jīng)驗(yàn)公式。但是現(xiàn)有的真空冰漿制備系統(tǒng)依然存在運(yùn)行真空度較高的問題，因此這里引入了中介物質(zhì)對(duì)真空制冰系統(tǒng)加以改進(jìn)，進(jìn)行了真空蒸發(fā)性能研究實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選型、搭建，研究加入代表性中介物質(zhì)氨后，水溶液真空蒸發(fā)降溫特性的變化，旨在找出降低對(duì)真空制冰系統(tǒng)運(yùn)行真空度的要求的方法，降低真空泵的負(fù)荷及真空室的承壓，改善系統(tǒng)的運(yùn)行性能，從而在探索和完善真空制冰方面，提出改進(jìn)的措施及方向。

1 工作原理及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 運(yùn)行原理

改進(jìn)型真空制冰系統(tǒng)[4]主要采用中介物質(zhì)來(lái)改善真空制冰系統(tǒng)的性能。作為冰漿制備的中介物質(zhì)，在水中的溶解性要好，且具有較大的溶解潛熱。在相同壓力下中介物質(zhì)的氣化溫度要低于水，在低真空壓力下中介物質(zhì)會(huì)先于水發(fā)生閃發(fā)。

原理介紹：在高于水的三相點(diǎn)壓力下，中介物質(zhì)水溶液發(fā)生閃發(fā)，這時(shí)的閃發(fā)氣體主要是低沸點(diǎn)組分中介物質(zhì)，由于中介物質(zhì)溶液整體處于過熱狀態(tài)，閃發(fā)會(huì)在液滴內(nèi)部和外部同時(shí)進(jìn)行，有效的強(qiáng)化了液滴的閃蒸強(qiáng)度，傳熱傳質(zhì)效率大幅提高。中介物質(zhì)閃蒸帶走大量的熱量，使水溶液的溫度降低，有效的強(qiáng)化了預(yù)冷作用，甚至有部分水會(huì)結(jié)晶成冰。該閃發(fā)過程的真空壓力高于水的三相點(diǎn)壓力，即降低了系統(tǒng)運(yùn)行真空度，減小了對(duì)真空泵的負(fù)荷要求；該壓力下閃發(fā)氣體的比體積相對(duì)較小，相應(yīng)也提高了真空泵的抽氣效率。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

自行設(shè)計(jì)搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，該實(shí)驗(yàn)裝置主要由真空發(fā)生系統(tǒng)、溫度和壓力測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。

圖1 真空蒸發(fā)性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖Fig.1 Vacuum evaporation experimental system

真空發(fā)生系統(tǒng)包括真空室和真空泵。真空室用于制冰，頂部采用鋼化玻璃材料做透明視窗，便于觀察實(shí)驗(yàn)過程；殼體材料為奧氏體型不銹鋼，內(nèi)部直徑304mm，真空室桶壁下端焊接三塊角鐵放上開有透氣孔的平板用以放置容器。為了調(diào)節(jié)抽氣速率，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩個(gè)抽氣口，分別連接兩臺(tái)抽速不同的真空泵。真空泵是型號(hào)為2XZ-4和2XZ-1的直連旋片式真空泵，采用KF16真空擋板閥防止真空泵油倒流；通過開停抽速不同的真空泵和真空閥來(lái)對(duì)真空室壓力進(jìn)行控制，從而控制真空度。

測(cè)壓裝置選用上海天沐自動(dòng)化儀表有限公司生產(chǎn)的NS-F型壓力變送器，絕對(duì)壓力范圍0～10kPa，綜合精度0.05%，輸出信號(hào)4～20mA；溫度傳感器采用PT100鉑電阻，精度1%，耐腐蝕，靈敏度高，布置在真空室的壁面上，用來(lái)測(cè)量真空室內(nèi)氣體溫度和水溫的變化。數(shù)據(jù)采集設(shè)備選取Agilent安捷倫34970A數(shù)據(jù)采集器，可配置成20～120個(gè)通道，可測(cè)量交直流電流、電阻、頻率和周期，以及由熱電偶、熱電阻和熱敏電阻提供的溫度直流和交流電壓，標(biāo)準(zhǔn)HP-IB和RS232接口；數(shù)據(jù)采集通過接口與電腦連接，通過儀器自帶的程序形成圖表，功能滿足實(shí)驗(yàn)要求，方便快捷。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

選用濃度為26%的氨水作為中介物質(zhì)溶液，氨水和蒸餾水的起始溫度設(shè)定為15℃，進(jìn)行如下三組實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)一：分別取15mL的蒸餾水和濃度為26%的氨水，初溫分別為15℃。將氨水和蒸餾水同時(shí)放入真空室內(nèi)的平板上，固定好鉑電阻，蓋上玻璃罩，開啟真空泵，保持真空室內(nèi)的壓力不低于1.5kPa。

實(shí)驗(yàn)二：做一組蒸餾水的真空蒸發(fā)降溫實(shí)驗(yàn)，作為參照對(duì)象。

a.取150mL初始溫度為15℃的蒸餾水，測(cè)量其在絕對(duì)壓力不低于1kPa條件下的降溫特性。

b.取150mL初始溫度為15℃的蒸餾水，測(cè)量其有冰晶生成時(shí)的最低壓力。

實(shí)驗(yàn)三：研究不同的真空度壓力下氨水的蒸發(fā)溫度特性。取初始溫度為15℃、濃度為26%的氨水溶液，測(cè)量其在絕對(duì)壓力不低于1kPa、5kPa、10kPa的壓力下的蒸發(fā)特性。

2 結(jié)果與分析

2.1 氨水和蒸餾水的蒸發(fā)特性比較

實(shí)驗(yàn)一過程中氨水和蒸餾水的溫度變化如圖2所示。在相同真空壓力下，氨水的降溫速率明顯大于蒸餾水。在壓力維持在絕對(duì)壓力1.5kPa以上時(shí)，蒸餾水溫度最低降至11.4℃，氨水溫度最低降至-20.6℃，并且氨水中有冰晶形成，如圖3所示。蒸餾水的溫度遠(yuǎn)高于冰點(diǎn)0℃，沒有冰晶生成。

圖2 蒸餾水和氨水在不低于1.5kPa絕對(duì)壓力下的蒸發(fā)溫度特性Fig.2 Evaporation temperature’s characteristics of distilled water and ammonia water above the absolute pressure 1.5kPa

圖3 氨水在不低于1.5kPa絕對(duì)壓力下閃發(fā)形成的冰漿Fig.3 Ice slurry formed with ammonia water fl ashed above the absolute pressure 1.5kPa

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在真空冰漿制備系統(tǒng)中加入氨后，大大增強(qiáng)了真空制冰系統(tǒng)閃發(fā)強(qiáng)度，在高于水的三相點(diǎn)壓力(611Pa)的條件下，有冰晶形成。可見在真空冰漿制備系統(tǒng)中加入氨后，降低了真空冰漿制備系統(tǒng)對(duì)真空度的要求，并且溫度達(dá)到-20.6℃，遠(yuǎn)低于純水的冰漿溫度0℃。

2.2 蒸餾水的真空蒸發(fā)特性

實(shí)驗(yàn)二中方案a的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。實(shí)驗(yàn)過程中蒸餾水的最低溫度為6.6℃，隨著抽氣時(shí)間的增加，水溫基本不變，實(shí)驗(yàn)過程中沒有冰晶生成。

方案b的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。實(shí)驗(yàn)過程中真空室內(nèi)的絕對(duì)壓力降至600Pa左右，此時(shí)(如圖5所示，在第1290s時(shí)刻)水開始大量閃發(fā)，蒸餾水的溫度迅速降低，蒸餾水表面有冰層生成。該現(xiàn)象符合水的三相點(diǎn)理論(水的三相點(diǎn)壓力611Pa)。

由此可見，純水的大量閃發(fā)需要較高的真空度條件。

圖4 蒸餾水在不低于1kPa絕對(duì)壓力下的蒸發(fā)溫度特性Fig.4 Evaporation temperature’s characteristics of distilled water above the absolute pressure 1kPa

圖5 蒸餾水中有冰晶生成的蒸發(fā)溫度特性及壓力曲線Fig.5 Evaporation temperature’s characteristics and pressure of distilled water with ice crystal formed

2.3 氨水的真空蒸發(fā)特性

實(shí)驗(yàn)三中，當(dāng)絕對(duì)壓力不低于1kPa的壓力下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示。實(shí)驗(yàn)過程中，氨水溫度在第440s時(shí)降至-20℃，降溫速率明顯比水快。氨水的溫度最低降至-23℃，并且有冰晶生成。

圖6 濃度為26%的氨水在不低于1kPa絕對(duì)壓力下的蒸發(fā)溫度特性Fig.6 Evaporation temperature’s characteristics of ammonia water with concentration of 26% above the absolute pressure 1kPa

在絕對(duì)壓力不低于5kPa的壓力下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。實(shí)驗(yàn)過程中，氨水的最低溫度為-12.2℃，氨水中沒有冰晶生成。

圖7 濃度為26%的氨水在不低于5kPa絕對(duì)壓力下的蒸發(fā)溫度特性Fig.7 Evaporation temperature’s characteristics of ammonia water with concentration of 26% above the absolute pressure 5kPa

在絕對(duì)壓力不低于10kPa的壓力下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示。實(shí)驗(yàn)過程中氨水的最低溫度為-5.9℃，氨水中沒有冰晶生成。

圖8 濃度為26%的氨水在不低于10kPa絕對(duì)壓力下的蒸發(fā)溫度特性Fig.8 Evaporation temperature’s characteristics of ammonia water with concentration of 26% above the absolute pressure 10kPa

對(duì)比可知氨水的真空蒸發(fā)溫度跟真空壓力關(guān)系緊密，真空度越高，氨水的降溫速率和降溫幅度越明顯。真空度不夠高時(shí)，氨水中不會(huì)有冰晶生成。濃度為26%的氨水即使在10kPa的低真空壓力下，也可以降至-5.9℃，低于純水的三相點(diǎn)溫度0℃，可見同等真空條件下氨水的真空蒸發(fā)降溫效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于蒸餾水。另一方面，要降低到相同的蒸發(fā)溫度，氨水對(duì)真空度的要求遠(yuǎn)低于蒸餾水。所以在純水中加入中介物質(zhì)氨后對(duì)真空冰漿制備系統(tǒng)的真空度要求大大降低，有效的減小了真空泵的負(fù)荷，和對(duì)真空泵極限壓力的要求。較低的真空度壓力下，閃發(fā)蒸汽的比體積較小，真空泵在相同的抽速下，閃發(fā)蒸汽的實(shí)際質(zhì)量抽速大大提高，對(duì)真空冰漿制備系統(tǒng)的能效比的提高有重要的促進(jìn)作用。

3 結(jié)論

針對(duì)真空冰漿制備系統(tǒng)中加入中介物質(zhì)氨進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一套真空蒸發(fā)性能研究實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論。

1)加入中介物質(zhì)氨后，在相同的真空度壓力下，氨水的降溫速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蒸餾水的降溫速率。

2)要達(dá)到相同的蒸發(fā)溫度，氨水對(duì)真空度的要求遠(yuǎn)低于蒸餾水。

實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明改進(jìn)型真空制冰系統(tǒng)減小了對(duì)真空度的要求，但加入中介物質(zhì)后，可能存在水溶液凝固點(diǎn)降低，不利于冰晶的形成和中介物質(zhì)的腐蝕性問題，對(duì)其進(jìn)一步的深入研究將推進(jìn)真空制冰的實(shí)用化，提高冰漿的生產(chǎn)效率與能效比。如何選取恰當(dāng)?shù)闹薪槲镔|(zhì)，揚(yáng)其長(zhǎng)避其短，是今后研究的重要方向。

本文受上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(S30503)資助。(The project was supported by Shanghai Key Discipline Construction(No.S30503).)

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