新型流態冰蒸發制冷循環及制冰量性能分析

閆俊海 張小松

(東南大學能源與環境學院 南京市 210096)

1 引言

在世界能源形勢日益緊張的局面下，冰蓄能作為一種常規、典型的相變潛熱蓄能方法，是目前電力“移峰填谷”和解決電力不足的重要方法，同時也是當前最重要的節能手段之一。冰蓄冷系統通常可分為靜態冰蓄冷系統和動態冰蓄冷系統，但靜態冰蓄冷蓄能過程中，傳熱熱阻會隨著冰層厚度的增加而增加，進而導致制冰效率快速下降，同時制冷系統熱力性能也大幅降低，為了克服靜態冰蓄冷的缺陷，各種動態冰蓄冷方式成為目前研究的熱點。流態冰作為動態制冰的一種，它是以水為基礎的懸浮冰顆粒的溶液，這使得它與傳統的冰槽蓄冷相比在熱交換時有較大的換熱面積，能更有效地適應冷負荷的變化，同時與其它介質相比，冰漿具有巨大的相變潛熱和低溫顯熱，如含冰率5%—30%的冰漿，其傳熱系數為3 kW/(m2·K)，是相同條件下冷凍水冷卻能力的5—6 倍［1］。

蒸發式過冷水制取流態冰作為一種新型的動態制冰方法，避免了傳統過冷水制取流態冰方法中可能出現的管內因凍結而發生冰堵的問題，不僅制冰效率比較高，而且由于可以靈活地利用太陽能或者其它廢熱，降低了對電能的依賴系統節能效果顯著，該新型制冰方式是由張小松、李秀偉［2-3］首次提出的，并從宏觀上分析了系統的性能，與傳統過冷水制取流態冰系統相比，該系統的性能系數在一定的工況下可以提高30%以上。目前國內外對該制冰方法的研究還比較少，本文從系統的構成上入手，分析了系統的制冷循環過程，另外研究了初始水溫、水的蒸發量和空氣出口相對濕度等因素對單位質量(1 kg)干空氣制冰量的影響，并建立了相應的數學模型，通過計算獲得了不同初始水溫以及出口空氣相對濕度下單位質量干空氣的制冰量大小以及水的蒸發量與單位質量干空氣制冰量的變化關系。

2 制冰原理及蒸發制冷循環

從本質上來說，當水與未飽和濕空氣自由接觸，并且與其它影響因素絕熱時，在各自溫度差和蒸汽壓差的作用下，水與未飽和濕空氣之間就會發生熱量和質量交換。熱量從較高的一側傳向較低的一側，水蒸氣則從蒸氣壓高的一側傳向蒸氣壓力低的一側。蒸發式過冷水制取流態冰的工作原理也就是0℃的水滴會在水蒸氣分壓力低于水三相點飽和水蒸氣分壓力(611.7 Pa)的低溫低濕的空氣環境中蒸發，由于水滴邊界層的飽和蒸氣壓與周圍濕空氣中水蒸氣分壓力差，而實現水滴的蒸發，在這一過程中水滴由液態變成氣態，水滴自身的顯熱不斷轉化為蒸發潛熱(0℃的水的汽化潛熱2 500 kJ/kg)轉移到周圍濕空氣中，從而使未蒸發水的溫度不斷降低，當下降到一定過冷度時水滴轉變為冰晶。圖1是蒸發式過冷水制取流態冰的系統示意圖。

圖1 蒸發式過冷水制取流態冰的系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of ice slurry making system by evaporating super-cooled water

蒸發式過冷水制取流態冰系統有4個子循環構成［2］:(1)水循環，從制冰室出來的有冰和水，經過冰水分離器，冰晶被儲存在儲冰槽中，而未結為冰的水被循環利用;(2)空氣循環，制冰室的低溫低濕環境是通過整個空氣循環系統來實現的，從制冰室出來的空氣含濕量升高，被送入除濕器中除濕，含濕量降低后再通過蒸發器降低溫度，然后被重新利用;(3)除濕再生循環，對于溶液除濕來說，由于驅動溶液除濕循環所需熱源的溫度在60—80℃左右［4］，制冷循環過程中冷凝器所放出的冷凝熱可重新利用于驅動溶液除濕循環，如該熱量不足的話，可以使用一些廢熱及太陽能等作為補充熱源，因此整個系統節能效果顯著;(4)制冷循環，為了滿足制冰室空氣的低溫需求，采用機械制冷的方式對經氣體換熱器降溫后的低濕空氣進一步降溫達到設計的要求。在整個制冰循環系統中，空氣循環作為其中重要一環，主要擔負將制冰室中水的熱量轉移到空氣環境中去，以實現水的凍結，圖2是蒸發制冰空氣循環I-D圖。

圖2 蒸發制冷空氣循環I-D圖Fig.2 I-D scheme of evaporative freezing air circulation

空氣處理過程:1→2表示空氣在制冰室的絕熱加濕過程;2→3表示制冰室排出的空氣經氣體熱交換器與從除濕器出來空氣進行換熱后的等濕升溫過程;3→4表示濕空氣經過除濕器的去濕過程;4→5表示除濕后的空氣經氣體熱交換器與制冰室排出空氣進行換熱后的等濕降溫過程;5→1表示空氣進入蒸發器的進一步等濕降溫過程。

在理想狀況下，狀態點1，空氣的干球溫度取0℃、每單位質量(1 kg)干空氣含濕量取0 g，狀態點2，空氣的干球溫度取0℃、相對濕度為100%［5］。在實際工況下，濕空氣經除濕器去濕后單位質量空氣的含濕量難以處理到0 g這種極值情況，空氣含濕量處理的越低，除濕循環的能耗也就越高，整個制冰系統的節能效果就會變差，另外對于水與空氣的熱濕交換，由于水與空氣的接觸時間比較短，熱濕交換不充分，出口空氣最終相對濕度最多能達到90%—95%，很難達到飽和，狀態點2的空氣經氣體熱交換器后，等濕升溫到狀態點3，然后氣體經除濕器去濕升溫到狀態點4。狀態點4的空氣經氣體熱交換器等濕降溫后到狀態點5，由于在熱交換器中發生的是顯熱交換所以狀態點2→3的溫差和4→5的溫差相等。最后，狀態點5的空氣經蒸發器等濕降溫到狀態點1完成整個空氣制冷循環。在1→2的過程中水與空氣發生熱質交換，蒸發產生的冷量為Qvapor，過程3→4為濕空氣的除濕過程，除濕過程放出的熱量為Qg。

3 制冰量性能分析

3.1 計算方法

對于蒸發式過冷水制取流態冰系統來說，制冰室中經噴嘴霧化的水滴在常壓低含濕量空氣環境里通過一小部分水滴的汽化蒸發將水的汽化潛熱轉移到空氣中，而降溫過冷后形成冰晶，空氣同時也由低濕空氣變成高濕空氣，對于系統的制冰效率，可以通過單位質量干空氣的制冰量作為一個衡量指標。圖3是制冰室水霧化蒸發控制體積示意圖。

圖3 水蒸發控制體積示意圖Fig.3 Water evaporative control volume scheme

首先作如下假設:(1)制冰室及系統管道保溫效果良好，不考慮其熱損失;(2)忽略空氣及水通過風機和水泵的溫升;(3)系統嚴密性良好，無漏風損失。

在圖3所示的制冰室水霧化蒸發控制體積圖中，假定進入制冰室水的質量為mw，通過霧化蒸發生成冰的質量為mice，水的蒸發質量為mv，制冰室入口干空氣的質量為ma1、含濕量為d1、空氣的焓值為h1，出口干空氣的質量為ma2、含濕量為h2以及空氣焓值為h2，循環干空氣的質量為ma。

由質量守恒原理可得:

制冰室水質量守恒:

對于制冰室空氣循環來說，由能量守恒可得:

式中:γ表示水的汽化潛熱。

由式(3)、式(5)合并可得進出制冰室空氣的焓差為:

水通過與空氣發生熱質交換，將自身的熱量轉移到空氣中而過冷結冰，由此產生的制冷量Qvapor可表示為:

由進出制冰室水的質量守恒可得:

由水的能量守恒可得:

式中:hw1為進入制冰室水的焓值;hw2為水的溶解熱，-334 kJ/kg。由式(8)、式(9)合并可得:

由式(7)、式(10)可得制冰所需的蒸發水量為:

水的蒸發量分為兩部分，mv1為水從初始溫度降低到0℃時所對應的蒸發量，mv2為水從0℃蒸發過冷到結冰所對應的蒸發量。

根據能量守恒可得:

在0℃、1×105Pa的條件下水的汽化潛熱為2 500 kJ/kg，溶解熱為 -334 kJ/kg，m=2 500/334=7.5，由此可看出在理想的情況下，蒸發1 kg的水產生的冷量可以使7.5 kg的水變成冰。

由式(10)、式(12)、式(14)、式(15)合并可得單位質量干空氣的制冰量mice:

3.2 計算結果與分析

3.2.1 初始水溫對制冰量及蒸發水量的影響

假定在理想情況下，進入制冰室的空氣干球溫度為0℃、含濕量為0 g/(kg干空氣)，出制冰室空氣相對濕度為100%，而實際情況下，進入制冰室的空氣干球為1℃，含濕量為1.25 g/(kg干空氣)，在這兩種工況下，單位質量干空氣的制冰量隨初始水溫的變化關系如圖4所示。

圖4 單位質量干空氣的制冰量隨水初始溫度的變化系Fig.4 Ice production capacity of unit mass dry air versus initial water temperature

從圖4可以看出，在上述兩種工況下單位質量干空氣的制冰量均隨著初始水溫的升高而減小，這是因為水的初始溫度越高，其所對應的內能就越大，在水滴蒸發產生冷量不變時，單位質量干空氣的制冰量必然減少。另外，理想情況下水溫在20℃時單位質量干空氣的制冰量是0℃時制冰量的77.3%，而實際情況下的制冰量是在0℃時制冰量的77.1%，兩種工況下曲線的變化趨濕基本一致。在理想情況下，水初溫為0℃時單位質量(1 kg)干空氣的制冰量達到理論最大值28.3 g，而在實際情況下，由于受空氣除濕效果以及空氣與水的熱濕交換效率等因素的影響，實際制冰量只有12.4 g，是理想情況下的43.8%，所以空氣入口含濕量越低、熱濕交換效率越高單位質量干空氣制冰量越大。

圖5反映了制取1 kg冰所需的蒸發水量隨初始水溫的變化關系，水的初始溫度越高，制冰所需的蒸發水量就越多。制取1 kg冰情況下，初始水溫為0℃時所需的蒸發水量是初始水溫為20℃時的77.2%。這是因為初始水溫越高其具有的內能也就越大，通過水的蒸發帶走汽化潛熱使其降溫時需要的蒸發水量也就越大，制冰過程中所需的蒸發水量越大也就意味著循環空氣吸收的水量增多，這增加了溶液除濕的負荷，降低了溶液除濕蒸發制冰的性能。因此降低水的初始溫度，不僅可以提高單位質量干空氣的制冰量，而且也降低了溶液的除濕負荷，可以在很大程度上提高整個制冰系統的性能。

圖5 制取1 kg冰所需的蒸發水量隨初始水溫的變化關系Fig.5 Evaporation amount of water versus initial water temperature for making 1 kg ice

3.2.2 空氣出口的相對濕度對制冰量的影響

圖6是初始水溫為0℃、空氣溫度為0℃、空氣含濕量為0 g/(kg干空氣)的條件下，空氣出口的相對濕度對制冰量的影響。從圖6可以看出，單位質量干空氣的制冰量隨著空氣出口相對濕度的增加而增加，這是因為出口空氣的相對濕度越大反映了水與空氣的熱質交換效率越高，由水蒸發所產生的制冷量也就越大，所以單位質量干空氣的制冰量也隨著增加。因此，可以通過提高水與空氣的熱質交換效率來提高系統的制冰性能，影響水與空氣的熱質交換效率的因素比較多，水與空氣的接觸面積是其中一個非常重要的因素，可以選擇高霧化性能的噴嘴將水霧化成細小的水滴，提高它們之間的熱質交換面積進而提高水與空氣的熱質交換效率來提高水的制冰效率。

圖6 空氣出口的相對濕度對制冰量的影響Fig.6 Effect of relative humidity of outlet air on ice production capacity

4 結論

溶液除濕蒸發過冷制取流態冰的方法，由于可以利用系統冷凝熱及太陽能、廢熱作為除濕循環的驅動熱源，因此整個系統節能效果顯著。本文對系統的單位質量干空氣制冰量進行了分析，并建立了相應的數學模型，通過數值計算分析了各種因素對單位質量干空氣制冰量的影響，結果表明制冰用的初始水溫越高制冰量越小，而在單位質量干空氣制冰量相同時，初始水溫越高所對應的蒸發水量也越大，同時空氣出口的相對濕度越大，所對應的制冰量越大。另外入口空氣的含濕量越低以及空氣與水熱濕交換效率越高，單位質量干空氣的制冰量則越大，因此在實際制冰過程中為了提高系統制冰效率及性能，可以從以下幾個方面來考慮:(1)通過強化空氣除濕，盡量降低進入制冰室入口空氣的含濕量;(2)優化制冰室的結構以及選擇高性能的水霧化噴嘴;(3)降低進入制冰室水的初始溫度;(4)系統各循環的優化匹配。

1 Davies，T W.Slurry ice as a heat transfer fluid with a large number of application domains［J］.International Journal of Refrigeration，2005，28(1):108-114.

2 李秀偉，張小松.蒸發式過冷水制流態冰方法［J］.東南大學學報:自然科學版，2009，39(2):269-275.

3 Li Xiuwei，Zhang Xiaosong，Cao Rongquan，et al.A novel ice slurry producing system:Producing ice by utilizing inner waste heat［J］.Energy Conversion and Management，2009，50(12):2893-2904.

4 張小松，費秀峰，施明恒，等.蓄能型溶液除濕蒸發冷卻空調系統中除濕器研究［J］.東南大學學報:自然科學版，2003，24(6):814-821.

5 Yunus Cerci.A new ideal evaporative freezing cycle［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2003，46，2967-2974.