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新型流态冰蒸发制冷循环及制冰量性能分析

文章出处:未知 人气:发表时间:2021-08-10
引言
在世界能源形势日益紧张的局面下,冰蓄能作为 一种常规、典型的相变潜热蓄能方法,是目前电力 “移峰填谷”和解决电力不足的重要方法,同时也是当前最重要的节能手段之一。冰蓄冷系统通常可分 为静态冰蓄冷系统和动态冰蓄冷系统,但静态冰蓄冷 蓄能过程中,传热热阻会随着冰层厚度的增加而增 加,进而导致制冰效率快速下降,同时制冷系统热力 性能也大幅降低,为了克服静态冰蓄冷的缺陷,各种动态冰蓄冷方式成为目前研究的热点。流态冰作为 动态制冰的一种,它是以水为基础的悬浮冰颗粒的溶 液,这使得它与传统的冰槽蓄冷相比在热交换时有较 大的换热面积,能更有效地适应冷负荷的变化,同时 与其它介质相比,冰浆具有巨大的相变潜热和低温显 热,如含冰率5%—30%的冰浆,其传热系数为3 kW/(m2 • K),是相同条件下冷冻水冷却能力的5— 6倍⑴。
蒸发式过冷水制取流态冰作为一种新型的动态 制冰方法,避免了传统过冷水制取流态冰方法中可能 出现的管内因冻结而发生冰堵的问题,不仅制冰效率 比较高,而且由于可以灵活地利用太阳能或者其它废 热,降低了对电能的依赖系统节能效果显著,该新型 制冰方式是由张小松、李秀伟“句首次提出的,并从宏 观上分析了系统的性能,与传统过冷水制取流态冰系 统相比,该系统的性能系数在一定的工况下可以提高 30%以上。目前国内外对该制冰方法的研究还比较 少,本文从系统的构成上入手,分析了系统的制冷循 环过程,另外研究了初始水温、水的蒸发量和空气出 口相对湿度等因素对单位质量(1 kg)干空气制冰量 的影响,并建立了相应的数学模型,通过计算获得了 不同初始水温以及出口空气相对湿度下单位质量干 空气的制冰量大小以及水的蒸发量与单位质量干空 气制冰量的变化关系。
2制冰原理及蒸发制冷循环
从本质上来说,当水与未饱和湿空气自由接触, 并且与其它影响因素绝热时,在各自温度差和蒸汽压 差的作用下,水与未饱和湿空气之间就会发生热量和 质量交换。热量从较高的一侧传向较低的一侧,水蒸 气则从蒸气压高的一侧传向蒸气压力低的一侧。蒸 发式过冷水制取流态冰的工作原理也就是0无的水 滴会在水蒸气分压力低于水三相点饱和水蒸气分压 力(611.7 Pa)的低温低湿的空气环境中蒸发,由于水 滴边界层的饱和蒸气压与周围湿空气中水蒸气分压 力差,而实现水滴的蒸发,在这一过程中水滴由液态 变成气态,水滴自身的显热不断转化为蒸发潜热 (0 Y的水的汽化潜热2 500 kj/kg)转移到周围湿空 气中,从而使未蒸发水的温度不断降低,当下降到一 定过冷度时水滴转变为冰晶。图1是蒸发式过冷水 制取流态冰的系统示意图。
蒸发式过冷水制取流态冰系统有4个子循环构 成[2]:(1)水循环,从制冰室出来的有冰和水,经过冰

图1蒸发式过冷水制取流态冰的系统示意图
 
水分离器,冰晶被储存在储冰槽中,而未结为冰的水 被循环利用;(2)空气循环,制冰室的低温低湿环境 是通过整个空气循环系统来实现的,从制冰室出来的 空气含湿量升高,被送入除湿器中除湿,含湿量降低 后再通过蒸发器降低温度,然后被重新利用;(3)除 湿再生循环,对于溶液除湿来说,由于驱动溶液除湿 循环所需热源的温度在60-80龙左右⑴,制冷循环 过程中冷凝器所放出的冷凝热可重新利用于驱动溶 液除湿循环,如该热量不足的话,可以使用一些废热 及太阳能等作为补充热源,因此整个系统节能效果显 著;(4)制冷循环,为了满足制冰室空气的低温需求, 采用机械制冷的方式对经气体换热器降温后的低湿 空气进一步降温达到设计的要求。在整个制冰循环 系统中,空气循环作为其中重要一环,主要担负将制 冰室中水的热量转移到空气环境中去,以实现水的冻 结,图2是蒸发制冰空气循环I-D图。

图2蒸发制冷空气循环I-D图
 
空气处理过程:l—2表示空气在制冰室的绝热 加湿过程;2—3表示制冰室排出的空气经气体热交 换器与从除湿器出来空气进行换热后的等湿升温过 程;3-4表示湿空气经过除湿器的去湿过程;4-5表
 
示除湿后的空气经气体热交换器与制冰室排出空气 进行换热后的等湿降温过程;5 —1表示空气进入蒸 发器的进一步等湿降温过程。
在理想状况下,状态点1,空气的干球温度取 0无、每单位质量(1 kg)干空气含湿量取0 g,状态点 2,空气的干球温度取0无、相对湿度为100%⑴。在 实际工况下,湿空气经除湿器去湿后单位质量空气的 含湿量难以处理到0 g这种极值情况,空气含湿量处 理的越低,除湿循环的能耗也就越高,整个制冰系统 的节能效果就会变差,另外对于水与空气的热湿交 换,由于水与空气的接触时间比较短,热湿交换不充 分,出口空气最终相对湿度最多能达到90%—95% , 很难达到饱和,状态点2的空气经气体热交换器后, 等湿升温到状态点3,然后气体经除湿器去湿升温到 状态点4。状态点4的空气经气体热交换器等湿降 温后到状态点5,由于在热交换器中发生的是显热交 换所以状态点2—3的温差和4—5的温差相等。最 后,状态点5的空气经蒸发器等湿降温到状态点1完 成整个空气制冷循环。在1-2的过程中水与空气发 生热质交换,蒸发产生的冷量为(?vapor,过程3t4为 湿空气的除湿过程,除湿过程放出的热量为Qto
 
3制冰量性能分析
 
3.1 计算方法
对于蒸发式过冷水制取流态冰系统来说,制冰室 中经喷嘴雾化的水滴在常压低含湿量空气环境里通 过一小部分水滴的汽化蒸发将水的汽化潜热转移到 空气中,而降温过冷后形成冰晶,空气同时也由低湿 空气变成高湿空气,对于系统的制冰效率,可以通过单位质量干空气的制冰量作为一个衡量指标。图3是制冰室水雾化蒸发控制体积示意图。
 
 
图3水蒸发控制体积示意图
 
 
首先作如下假设:(1)制冰室及系统管道保温效
果良好,不考虑其热损失;(2)忽略空气及水通过风 机和水泵的温升;(3)系统严密性良好,无漏风损失。
在图3所示的制冰室水雾化蒸发控制体积图中, 假定进入制冰室水的质量为巩“通过雾化蒸发生成 冰的质量为叫“,水的蒸发质量为m,,制冰室入口干 空气的质量为、含湿量为&、空气的焙值为h,,出 口干空气的质量为me、含湿量为h2以及空气焙值为 儿2,循环干空气的质量为
由质量守恒原理可得:
m.i = (1 )
制冰室水质量守恒:
mal dt + my = (2)
= m^d2 - ) (3)
对于制冰室空气循环来说,由能量守恒可得:
m,xhx + znvy = (4)
式中”表示水的汽化潜热。
 
由式(3)、式(5)合并可得进出制冰室空气的焙差为:
(h2 - ht ) = y(d2 - dt) (6)
水通过与空气发生热质交换,将自身的热量转移 到空气中而过冷结冰,由此产生的制冷量Q沖“可表 示为:
Cv.por = m,(h2 - - ) (7)
由进出制冰室水的质量守恒可得:
+ mice (8)
由水的能量守恒可得:
m“砧=miceh,2 + Qg (9)
式中:、为进入制冰室水的炫值;妃2为水的溶解 热,-334 kj/kgo由式(8)、式(9)合并可得:
 
3.2、计算结果与分析
 
假定在理想情况下,进入制冰室的空气干球温度 为0龙、含湿量为0 g/(kg干空气),出制冰室空气相 对湿度为100% ,而实际情况下,进入制冰室的空气 干球为1龙,含湿量为1.25 g/(kg干空气),在这两 种工况下,单位质量干空气的制冰量随初始水温的变 化关系如图4所示。
从图4可以看出,在上述两种工况下单位质量干 空气的制冰量均随着初始水温的升高而减小,这是因 为水的初始温度越高,其所对应的内能就越大,在水 滴蒸发产生冷量不变时,单位质量干空气的制冰量必 然减少。另外,理想情况下水温在20乜时单位质量 干空气的制冰量是0无时制冰量的77.3%,而实际 情况下的制冰量是在0 Y时制冰量的77.1%,两种 工况下曲线的变化趋湿基本一致。在理想情况下,水 初温为0龙时单位质量(1 kg)干空气的制冰量达到 理论最大值28. 3 g,而在实际情况下,由于受空气除 湿效果以及空气与水的热湿交换效率等因素的影响, 实际制冰量只有12.4 g,是理想情况下的43. 8%,所 以空气入口含湿量越低、热湿交换效率越高单位质量 干空气制冰量越大。
图4单位质量干空气的制冰量随水初始温度的变化系


 
空气的制冰量必 然减少。另外,理想情况下水温在20乜时单位质量 干空气的制冰量是0无时制冰量的77.3%,而实际 情况下的制冰量是在0 Y时制冰量的77.1%,两种 工况下曲线的变化趋湿基本一致。在理想情况下,水 初温为0龙时单位质量(1 kg)干空气的制冰量达到 理论最大值28. 3 g,而在实际情况下,由于受空气除 湿效果以及空气与水的热湿交换效率等因素的影响, 实际制冰量只有12.4 g,是理想情况下的43. 8%,所 以空气入口含湿量越低、热湿交换效率越高单位质量 干空气制冰量越大。
图5反映了制取1 kg冰所需的蒸发水量随初始 水温的变化关系,水的初始温度越高,制冰所需的蒸 发水量就越多。制取1 kg冰情况下,初始水温为0龙 时所需的蒸发水量是初始水温为20无时的77. 2%。 这是因为初始水温越高其具有的内能也就越大,通过 水的蒸发带走汽化潜热使其降温时需要的蒸发水量 也就越大,制冰过程中所需的蒸发水量越大也就意味 着循环空气吸收的水量增多,这增加了溶液除湿的负 荷,降低了溶液除湿蒸发制冰的性能。因此降低水的 初始温度,不仅可以提高单位质量干空气的制冰量, 而且也降低了溶液的除湿负荷,可以在很大程度上提 高整个制冰系统的性能。
3.2.2空气出口的相对湿度对制冰量的影响
图6是初始水温为0龙、空气温度为0无、空气 含湿量为0 g/(kg干空气)的条件下,空气出口的相 对湿度对制冰量的影响。从图6可以看出,单位质量 干空气的制冰量随着空气出口相对湿度的增加而增 加,这是因为出口空气的相对湿度越大反映了水与空 气的热质交换效率越高,由水蒸发所产生的制冷量也 就越大,所以单位质量干空气的制冰量也随着增加。 因此,可以通过提高水与空气的热质交换效率来提高 系统的制冰性能,影响水与空气的热质交换效率的因 素比较多,水与空气的接触面积是其中一个非常重要 的因素,可以选择高雾化性能的喷嘴将水雾化成细小的水滴,提高它们之间的热质交换面积进而提高水与 空气的热质交换效率来提高水的制冰效率。
 
4结论
溶液除湿蒸发过冷制取流态冰的方法,由于可以 利用系统冷凝热及太阳能、废热作为除湿循环的驱动 热源,因此整个系统节能效果显著。本文对系统的单 位质量干空气制冰量进行了分析,并建立了相应的数 学模型,通过数值计算分析了各种因素对单位质量干 空气制冰量的影响,结果表明制冰用的初始水温越高制冰量越小,而在单位质量干空气制冰量相同时,初 始水温越高所对应的蒸发水量也越大,同时空气出口 的相对湿度越大,所对应的制冰量越大。另外入口空 气的含湿量越低以及空气与水热湿交换效率越高,单 位质量干空气的制冰量则越大,因此在实际制冰过程 中为了提高系统制冰效率及性能,可以从以下几个方 面来考虑:(1)通过强化空气除湿,尽量降低进入制 冰室入口空气的含湿量;2)优化制冰室的结构以及 选择高性能的水雾化喷嘴;3)降低进入制冰室水的 初始温度;4)系统各循环的优化匹配。
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