過(guò)冷法海水冰漿制備系統(tǒng)能耗特性分析*

宋文吉，黎福超3，陳明彪，馮自平,2

過(guò)冷法海水冰漿制備系統(tǒng)能耗特性分析*

宋文吉1,2,?，黎福超1,2,3，陳明彪1，馮自平1,2

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 能源科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣州 510640；3. 華南理工大學(xué)，廣州 510641）

海水制冰漿技術(shù)可應(yīng)用于海島及海上風(fēng)電的負(fù)荷轉(zhuǎn)移和削峰以及冷凍保存海產(chǎn)品等，具有廣闊應(yīng)用前景。此外，海水制冰的原料近乎免費(fèi)，并且利用海水作為冷卻介質(zhì)可以降低冷凝溫度，進(jìn)而提高系統(tǒng)能效，具有明顯優(yōu)勢(shì)。通過(guò)建立雙回路單級(jí)壓縮循環(huán)制冰系統(tǒng)模型，分析利用過(guò)冷法制取海水冰漿的經(jīng)濟(jì)性和可行性，為海水制冰漿技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在計(jì)算條件下冬季循環(huán)性能系數(shù)平均值為4.76，夏季平均值為3.61，在蒸發(fā)器內(nèi)較寬的海水流速范圍內(nèi)可維持較長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行。系統(tǒng)采用板式水冷冷凝器，并與空氣源機(jī)組進(jìn)行定量對(duì)比，結(jié)果表明循環(huán)機(jī)組采用水冷冷凝器在各指定工況點(diǎn)下的效益均高于采用空冷器，在設(shè)計(jì)工況下水冷機(jī)組單位投資蓄冷量為2.85 kW?h/元，對(duì)應(yīng)的空冷機(jī)組僅為1.37 kW?h/元。

冰漿；海水；過(guò)冷法；雙回路單級(jí)壓縮制冷循環(huán)；板式換熱器；效率

0 引 言

冰漿因具有較高的能量?jī)?chǔ)存密度（334 kJ/kg）和良好的換熱特性，是極佳的冷量存儲(chǔ)介質(zhì)。利用海水制冰漿具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，一方面海水制冰的原料豐富而且?guī)缀趺赓M(fèi)，另一方面利用海水作為冷卻介質(zhì)可以降低冷凝溫度，可以達(dá)到提高系統(tǒng)能效的目的。此外，儲(chǔ)冷的成本約為儲(chǔ)電成本的10%[1]，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯。

海水制冰漿應(yīng)用前景廣闊。海上風(fēng)電與海島產(chǎn)電不易儲(chǔ)存，可以用多余的電量制取冰漿，將電能以冷量的形式存儲(chǔ)起來(lái)。例如夜晚電量需求小，此時(shí)利用海水制冰漿存儲(chǔ)起來(lái)，白天用電高峰期時(shí)又可以融化冰漿快速釋放冷量，供給建筑物的空調(diào)裝置。除此之外，冰漿還可用于冷凍保存海產(chǎn)品，其保鮮效果比傳統(tǒng)的冰塊冷凍更好，是一種良好的保存介質(zhì)[2]。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不少學(xué)者對(duì)海水制冰漿相應(yīng)技術(shù)進(jìn)行了研究。王振等[3]就超聲波對(duì)海水流化冰制取過(guò)程中的作用效果和作用機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在33.0 kHz的實(shí)驗(yàn)工況下海水過(guò)冷度可以被完全消除，制冰速度得到明顯提升，此外，相對(duì)于無(wú)超聲波工況，冰晶粒徑更小、更綿柔，不易造成冰堵。CHEN等[4]評(píng)估了使用過(guò)冷水動(dòng)態(tài)制冰法來(lái)淡化海水的可行性和經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果表明該方法比現(xiàn)有的間接接觸冷凍法淡化海水更加快速有效，且由于動(dòng)態(tài)冰漿換熱性能更好等原因，理論能耗僅為間接接觸冷凍法的58%。袁久峰等[5]針對(duì)目前海水流化冰機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行出現(xiàn)冰堵和能耗升高的問(wèn)題，選型設(shè)計(jì)了一種海水流化冰機(jī)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的制取海水流化冰，但未進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。HEKMATSYAR等[6]對(duì)涂有聚四氟乙烯的刮刀式海水冰漿發(fā)生器的生產(chǎn)速度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在海水鹽度較高的情況下提高泵或刮刀的轉(zhuǎn)速都會(huì)降低冰漿的生產(chǎn)速度，且能耗升高。KONG等[7]對(duì)使用鈦合金雙管蒸發(fā)器的制冰系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示在名義條件下制冰機(jī)的性能系數(shù)（coefficient of performance, COP）為1.66，而隨著海水進(jìn)口溫度的降低，冰漿含冰率和冰漿產(chǎn)率都大大增加。綜上，不少文獻(xiàn)對(duì)海水制取冰漿技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用做出了理論指導(dǎo)，但目前國(guó)內(nèi)外研究大多關(guān)注制冷蒸發(fā)側(cè)海水制成冰漿的循環(huán)過(guò)程，而對(duì)于冷凝側(cè)將海水同時(shí)作為冷卻介質(zhì)以及相關(guān)的系統(tǒng)優(yōu)化研究仍較少。

為此，本文利用海水制冰時(shí)既利用海水作為原材料且同時(shí)作為冷卻介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，采用直接蒸發(fā)式的過(guò)冷法冰漿制備系統(tǒng)，建立海水制冰的系統(tǒng)模型，分析其在不同運(yùn)行條件下的能耗特性以及經(jīng)濟(jì)性，以期為海水制取冰漿技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 計(jì)算模型與數(shù)據(jù)處理方法

1.1 計(jì)算模型

擬設(shè)計(jì)的海水制冰漿裝置如圖1所示，采用單級(jí)壓縮制冷雙回路循環(huán)，制冷劑為R22，循環(huán)設(shè)計(jì)了3?℃的過(guò)熱度和2?℃的過(guò)冷度，相較于一般的三回路循環(huán)效率更高。冷凝器和蒸發(fā)器均采用板式換熱器，冷凝器板片數(shù)為25片，換熱面積12 m2。蒸發(fā)器板片數(shù)為57片，換熱面積28.6 m2。板片參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 海水制冰漿裝置簡(jiǎn)圖

表1 水平波紋形式板式換熱器板片參數(shù)

海水制冰漿裝置設(shè)置了蓄冰池，池內(nèi)維持在凝固點(diǎn)溫度，即?1.83?℃。為避免池內(nèi)的冰晶在循環(huán)過(guò)程中進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)而引發(fā)冰堵，海水在進(jìn)入蒸發(fā)器之前經(jīng)加熱器加熱，使其溫度升高到0.1?℃，加熱可通過(guò)與高溫的海水換熱實(shí)現(xiàn)，故不計(jì)算加熱電耗。在蒸發(fā)器內(nèi)，海水會(huì)獲得一定的過(guò)冷度，過(guò)冷度過(guò)低會(huì)降低產(chǎn)冰率，過(guò)高易使蒸發(fā)器內(nèi)形成冰堵，影響裝置正常運(yùn)作。為此將過(guò)冷度控制為1.5?℃[8]，過(guò)冷的海水在促晶器中結(jié)晶，進(jìn)入蓄冰池，未形成冰晶的海水過(guò)濾后再次進(jìn)入循環(huán)。由于循環(huán)過(guò)程中池內(nèi)海水鹽度會(huì)上升，需要及時(shí)更換海水，更換海水損失的冷量可通過(guò)回?zé)崞骰厥?，這里不做討論。

冷凝器側(cè)也使用海水水冷，假設(shè)海水經(jīng)過(guò)冷凝器后溫升為5?℃。

選取夏季（6、7、8月）以及冬季（12、1、2月）東海海水?dāng)?shù)據(jù)作為計(jì)算數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 東海夏季和冬季海水、空氣數(shù)據(jù)

1.2 系統(tǒng)主要性能計(jì)算方法

板式換熱器海水側(cè)換熱系數(shù)采用準(zhǔn)則關(guān)系式描述[9]：

板式換熱器制冷劑沸騰換熱系數(shù)[10]：

板式換熱器制冷劑冷凝換熱系數(shù)[11]：

總的傳熱系數(shù)由下式計(jì)算：

沸騰換熱量可通過(guò)水側(cè)計(jì)算得到：

冷凝器散熱量可由下式計(jì)算：

換熱器所需換熱面積計(jì)算式：

制冰量可由下式計(jì)算：

空氣冷卻器制冷劑水平微內(nèi)肋管冷凝換熱系數(shù)[12]：

空氣冷卻器空氣側(cè)換熱系數(shù)[9]：

?效率計(jì)算式：

蒸發(fā)器海水側(cè)出口段壁溫計(jì)算式：

系統(tǒng)循環(huán)性能系數(shù)計(jì)算式：

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 制冷循環(huán)效率分析

在保持過(guò)冷度為?1.5?℃的條件下，改變蒸發(fā)器內(nèi)海水流速以控制制冷量變化。低海水流速時(shí)換熱系數(shù)低，冰漿產(chǎn)量少，不能充分利用換熱設(shè)施；增大海水流速，在保持相同過(guò)冷度的情況下，則會(huì)增大產(chǎn)生冰堵的可能性[8]。因此計(jì)算中控制海水流速在0.05 ～ 0.6 m/s之間變化。計(jì)算出的系統(tǒng)整體循環(huán)COP和循環(huán)?效率、制冰量如圖2所示。

冬季循環(huán)COP平均值為4.76，夏季平均值為3.61。低海水流速下COP和循環(huán)?效率最高，COP可達(dá)5.6，?效率可達(dá)0.5；且冬季COP比夏季高1以上，這是由于冬季海水溫度較低，制冷劑冷凝溫度下降，經(jīng)濟(jì)性提高。雖然夏季冷凝溫度較冬季高，單位制冷劑壓縮耗功也更高，但夏季循環(huán)?效率反而比冬季高0.1以上，主要原因是夏季環(huán)境溫度也較冬季升高，且是主要的影響因素，此時(shí)制造同樣的冷量放出的冷量?更大，冷量的品質(zhì)更高。高海水流速時(shí)制冰量較低流速時(shí)成倍增長(zhǎng)，制冰漿的效率大大提高，但此時(shí)經(jīng)濟(jì)性下降。相應(yīng)的每小時(shí)冰漿蓄冷量與系統(tǒng)耗電量關(guān)系曲線如圖3所示，很顯然斜率越大代表經(jīng)濟(jì)性越好。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)應(yīng)該綜合考慮，選擇適中的海水流速，保證制冰量的同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)性，減少冰堵的發(fā)生。

圖3 夏、冬季蓄冷量與耗電量關(guān)系曲線

海水出口段的壁溫如圖4所示。出口段（對(duì)應(yīng)制冷劑干度為0.99的部分）的壁溫最低，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)該控制這部分的壁溫，壁溫過(guò)低會(huì)直接導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)冰晶的生成，造成頻繁冰堵進(jìn)而影響設(shè)施正常工作。在本例中，認(rèn)為壁面溫度高于?5?℃即可[14]，因此海水流速在0.05 ～ 0.6 m/s范圍內(nèi)變化設(shè)備可保持較長(zhǎng)時(shí)間正常工作，最高流速可達(dá)1.1 m/s。若要進(jìn)一步提高海水流速并降低冰堵的可能性，可在海水側(cè)換熱表面涂抹抑制冰晶生成的涂層[15]。

圖4 出口段壁溫隨海水流速變化規(guī)律

2.2 與空氣冷卻器對(duì)比

為進(jìn)一步探究該采用水冷板式冷凝器的海水制冰漿循環(huán)裝置經(jīng)濟(jì)性，將其與等換熱面積的空冷器進(jìn)行定量對(duì)比?？绽淦鲹Q熱管參數(shù)如表3所示。

表3 空氣冷卻器水平式低翅片換熱管參數(shù)

保持蒸發(fā)器側(cè)換熱器、參數(shù)不變，將冷凝器側(cè)換為空氣冷卻器，且保持換熱面積與板式冷凝器一致，為12 m2。此外假設(shè)空氣經(jīng)過(guò)空冷器后溫升為10?℃。計(jì)算制冷量變化時(shí)的系統(tǒng)循環(huán)COP和循環(huán)?效率如圖5所示。

由圖5可知，在每個(gè)工況點(diǎn)下水冷的經(jīng)濟(jì)性都要高于空冷。夏季水冷系統(tǒng)循環(huán)COP均值與風(fēng)冷差值為1.30，高出56.3%，冬季時(shí)差值為1.15，高出31.9%。在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，空冷與水冷的COP值和循環(huán)?效率較為接近，但負(fù)荷越高，空冷的這兩個(gè)性能指標(biāo)與水冷相差就越大，這一點(diǎn)在冬季環(huán)境下最為明顯，最高負(fù)荷時(shí)COP差值達(dá)到了2.2。這是由于水冷板式換熱器整體換熱系數(shù)要比空氣冷卻器高出許多，在高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)該趨勢(shì)更加明顯，經(jīng)濟(jì)性更高。而且在高溫或高負(fù)荷下，使用板式水冷冷凝器經(jīng)濟(jì)性比使用空冷器高得多，特別是在夏季高負(fù)荷時(shí)，COP和?效率的差值分別達(dá)到了2.1、0.21，水冷經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)高于空冷。與之相對(duì)應(yīng)的每小時(shí)蓄冷量與耗電量關(guān)系曲線如圖6所示，圖中能更直觀地看出高負(fù)荷下空冷耗電量遠(yuǎn)大于水冷，而低負(fù)荷時(shí)兩者相差不大。

圖6 夏冬季水冷、空冷蓄冷量與耗電量關(guān)系曲線

分析采用水冷冷凝器和空冷冷凝器時(shí)整體機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，考慮投資成本和運(yùn)營(yíng)成本，通過(guò)文獻(xiàn)以及調(diào)研可知：①海上風(fēng)電電價(jià)按0.8元/(kW?h)計(jì)算；②機(jī)組設(shè)備費(fèi)按照制冷量計(jì)算，空冷機(jī)組為0.8元/W，水冷機(jī)組按照0.9元/W計(jì)算[16]；③安裝費(fèi)用按照設(shè)備費(fèi)的10%計(jì)算。

以200 kW制冷量作為機(jī)組的額定制冷量，得出空冷與水冷機(jī)組的初投資成本如表4所示。年運(yùn)營(yíng)成本是將夏季與冬季的功耗特性綜合平均而計(jì)算得出，其中包括水泵、壓縮機(jī)及空冷器風(fēng)機(jī)電耗，不同制冷功率下運(yùn)行年費(fèi)用如表5所示。

表4 兩種機(jī)組初投資成本明細(xì)

表5 不同制冷量條件下兩種機(jī)組的運(yùn)營(yíng)成本

由表4和表5可知，水冷機(jī)組初投資成本稍高于空冷機(jī)組，但空冷機(jī)組年運(yùn)營(yíng)成本要高于水冷機(jī)組，且在制冷功率較大時(shí)特別明顯。綜合投資成本與運(yùn)營(yíng)成本，首年單位投資蓄冷量數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 不同制冷量條件下兩種機(jī)組的首年單位投資蓄冷量

水冷機(jī)組在設(shè)計(jì)工況即200 kW制冷功率下具有最高的單位投資蓄冷量，為2.85 kW?h/元，對(duì)應(yīng)的空冷機(jī)組僅為1.37 kW?h/元。且空冷機(jī)組的單位投資蓄冷量隨著制冷功率上升呈先增大再減小的趨勢(shì)，因此在設(shè)計(jì)工況下達(dá)不到最佳經(jīng)濟(jì)性，再次說(shuō)明高負(fù)荷采取水冷機(jī)組具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

為探究海水鹽度變化時(shí)裝置運(yùn)行的功耗情況，在夏季和冬季的氣溫、水溫條件下，令蒸發(fā)器側(cè)海水流速為0.25 m/s，并保持過(guò)冷度為1.5?℃，海水鹽度在5‰ ～ 50‰之間，因此海水的出口溫度在?4.55 ～?1.78?℃之間變化。計(jì)算出各鹽度下的系統(tǒng)循環(huán)COP和功耗如圖7所示，與之相對(duì)應(yīng)的每小時(shí)蓄冷量與耗電量關(guān)系曲線如圖8所示。

隨著鹽度的增大，蒸發(fā)器側(cè)海水出口溫度降低，蒸發(fā)溫度也隨著降低，因此COP曲線隨著下降。但采用水冷的循環(huán)COP穩(wěn)定地大于空冷COP，隨著鹽度增大，COP差值稍有增大。鹽度增大時(shí)由于制冷量的增大，蒸發(fā)溫度的下降，壓縮功持續(xù)增加，且鹽度越大增速越快，在高鹽度時(shí)采用空冷循環(huán)的壓縮功耗明顯大于采用水冷循環(huán)時(shí)的功耗，該趨勢(shì)可從圖8上直觀看出。

圖8 夏冬季變鹽度條件下水冷、空冷蓄冷量與耗電量關(guān)系曲線

為比較板式水冷冷凝器和空冷器在不同氣溫情況下的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，令蒸發(fā)溫度為?5℃，冷凝器側(cè)入口水溫與入口氣溫相等，溫度設(shè)置在10 ～ 35℃之間，換熱面積相同，計(jì)算出不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)循環(huán)COP和循環(huán)?效率如圖9所示。

圖9 水冷、空冷的系統(tǒng)COP值、?效率隨冷凝器入口溫度變化規(guī)律

顯而易見(jiàn)，隨著冷凝器入口水溫、氣溫的升高，水冷與空冷的循環(huán)COP都呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，但是水冷循環(huán)的COP總是大于空冷，并且溫度越低，二者之間的差值越大，在10?℃時(shí)差值達(dá)到了2.1。即使在35?℃條件下，水冷COP仍比空冷大82%，差值為1.18。此外，水冷循環(huán)?效率也總是大于空冷的?效率，差值恒保持在0.1以上。與之相對(duì)應(yīng)的每小時(shí)蓄冷量與耗電量關(guān)系曲線如圖10所示，與圖9中COP不同的是，在高溫時(shí)制冷負(fù)荷更高的情況下，空冷耗電量遠(yuǎn)大于水冷耗電量。

圖10 變冷凝器入口溫度條件下水冷、空冷蓄冷量與耗電量關(guān)系曲線

與COP變化趨勢(shì)不同的是，隨著溫度的升高循環(huán)?效率先上升后下降，該結(jié)果由式（11）分析可知。由于蒸發(fā)溫度不變，影響循環(huán)?效率的因素可歸結(jié)為環(huán)境溫度和COP，前半部分?效率上升是環(huán)境溫度上升的結(jié)果，此時(shí)環(huán)境溫度是主要影響因素，后半段溫度影響減弱，COP下降并且其影響占據(jù)主導(dǎo)地位。

3 結(jié) 論

采用海水水冷的海水制冰漿裝置具有較高的經(jīng)濟(jì)性和可行性，整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)COP最高可達(dá)5.6，系統(tǒng)循環(huán)?效率最高可達(dá)0.5，冬季循環(huán)COP平均為4.76，夏季平均為3.61。在較寬的海水流速范圍內(nèi)可維持較長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行。

采用水冷冷凝器整體傳熱系數(shù)高，可降低制冷劑冷凝溫度，使其在各個(gè)指定工況點(diǎn)下效益都要高于采用空冷冷凝器，夏季時(shí)水冷平均COP比空冷高56.3%，平均?效率高37.4%，冬季時(shí)水冷平均COP比空冷高31.9%，水冷平均?效率比空冷高24.2%。蓄冷量與耗電量關(guān)系曲線表明，低制冷負(fù)荷下兩者耗電量相差不大，負(fù)荷升高時(shí)空冷耗電量遠(yuǎn)大于水冷耗電量。經(jīng)濟(jì)性分析也表明在設(shè)計(jì)工況下水冷機(jī)組單位投資蓄冷量為2.85 kW?h/元，對(duì)應(yīng)的空冷機(jī)組僅為1.37 kW?h/元。在水溫、氣溫相等的情況下，水冷的經(jīng)濟(jì)性也總是高于空冷，且溫度越低水冷越顯示出優(yōu)越性。但海水具有一定的腐蝕性，在使用時(shí)需要注意進(jìn)行防腐處理。

努塞爾數(shù)

雷諾數(shù)

普朗特?cái)?shù)

常數(shù)，流體被加熱時(shí)為0.4，被冷卻時(shí)為0.3

換熱系數(shù)，W/(m2·℃)

放大系數(shù)，取1

l液相導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)

h水力直徑，m

eq等效雷諾數(shù)

質(zhì)量流率，kg/(m2·s)

eq等效質(zhì)量流率，kg/(m2·s)

l、g液、汽相動(dòng)力黏度，Pa·s

m平均干度

l、g液、汽相密度，kg/m3

h重力驅(qū)動(dòng)冷凝換熱系數(shù)，W/(m2·℃)

shear剪切力驅(qū)動(dòng)冷凝換熱系數(shù)，W/(m2·℃)

s蒸汽飽和溫度，℃

w壁面溫度，℃

重力加速度，m/s2

汽化潛熱，J/kg

板片長(zhǎng)度，m

l液相對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)

總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)

I、II兩側(cè)換熱面換熱系數(shù)，W/(m2·℃)

板片厚度，m

污垢熱阻，取1.7 × 10?5m2·℃/W

0制冷量，W

w水流量，kg/s

c,w水定壓比熱容，J/(kg·℃)

w,i、w,o進(jìn)、出口水溫度，℃

k冷凝散熱量，W

f制冷劑流量，kg/s

c,s壓縮機(jī)絕熱效率，取0.8

1壓縮機(jī)入口的制冷劑比焓值，kJ/kg

2理想狀態(tài)下壓縮機(jī)出口的制冷劑比焓值，kJ/kg

4蒸發(fā)器入口的制冷劑比焓值，kJ/kg

換熱面積，m2

換熱量，W

Δlm對(duì)數(shù)換熱溫差，℃

w,s凝固點(diǎn)溫度，℃

w,f給水溫度，℃

相變潛熱，kJ/kg

熱流密度，W/m2

i管內(nèi)徑，m

NF迎風(fēng)面風(fēng)速，m/s

校正系數(shù)，取0.946

0環(huán)境溫度，℃

1蒸發(fā)溫度，℃

0單位制冷劑制冷量，kJ/kg

net單位制冷劑循環(huán)實(shí)際耗功量，kJ/kg

el壓縮機(jī)電效率，取值參考文獻(xiàn)?[17]

m出口段熱流密度，W/m2

m出口段水側(cè)換熱系數(shù)，W/(m2·℃)

m出口段壁溫，℃

m出口段局部總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)

l,eq兩相流中僅液相部分的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)

干度，取0.99

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Energy Consumption Characteristics Analysis of Seawater Ice Slurry Generation System Using Supercooling Method

SONG Wenji1,2,?, LI Fuchao1,2,3, CHEN Mingbiao1, FENG Ziping1,2

(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. School of Energy Science and Engineering, University of Science and Technology of China, Guangzhou 510640, China; 3. South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

Technology for producing ice slurry from seawater can be applied to the load shifting and peak shaving for island and offshore wind power, as well as to freeze and preserve seafood, which has broad application prospects. In addition, the source material for producing ice slurry from seawater is virtually cost-free, and its use as a cooling medium enables reduce condensation temperatures, thereby increasing system energy efficiency, so there are distinct advantages. The economy and feasibility of using the supercooling method to produce seawater ice slurry are analyzed by modeling a single-stage compression cycle ice production system with a double loop, which provides theoretical guidance for the practical application of technology for producing ice slurry from seawater. The results suggest that under the calculated conditions the average coefficient of performance of the system is 4.76 in winter and 3.61 in summer, which can maintain normal operation for a long time in a wide range of flow speeds. The system uses a plate-type water-cooled condenser, and the quantitative comparison with air source system suggests that the efficiency of water-cooled system is higher than that of air-cooled system at the concerning operating point, and the cool-storage capacity per unit investment is 2.85 kW?h/yuan for water-cooled units at design conditions, corresponding to only 1.37 kW?h/yuan for air-cooled units.

ice slurry; seawater; supercooling method; double-loop single-stage compression refrigeration cycle; plate heat exchanger; efficiency

2095-560X（2023）06-0491-08

TK02

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.06.001

2023-01-23

2023-03-15

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFE0112500）

宋文吉，E-mail：songwj@ms.giec.ac.cn

宋文吉, 黎福超, 陳明彪, 等. 過(guò)冷法海水冰漿制備系統(tǒng)能耗特性分析[J]. 新能源進(jìn)展, 2023, 11(6): 491-498.

： SONG Wenji, LI Fuchao, CHEN Mingbiao, et al. Energy consumption characteristics analysis of seawater ice slurry generation system using supercooling method[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(6): 491-498.

宋文吉（1978-），男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事冰漿技術(shù)及創(chuàng)新應(yīng)用、大規(guī)模儲(chǔ)電及控制技術(shù)研究。