[DOC]新型流態(tài)冰蒸發(fā)制冷循環(huán)及制冰量性能分析

1、新型流態(tài)冰蒸發(fā)制冷循環(huán)及制冰量性能分析2011年第6期總第184期低溫工程cry0genicsno.62011sumno.184新型流態(tài)冰蒸發(fā)制冷循環(huán)及制冰量性能分析閆俊海張小松(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院南京市210096)摘要:介紹了蒸發(fā)過冷水制冰原理及系統(tǒng)流程,分析了相應(yīng)的蒸發(fā)制冷循環(huán),對單位質(zhì)量(1kg)干空氣制冰量性能及影響因素進(jìn)行了研究并建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型,計(jì)算結(jié)果顯示,水的初始溫度越高單位質(zhì)量干空氣制冰量越低,而單位質(zhì)量干空氣制冰量相同時(shí)水溫越高對應(yīng)的蒸發(fā)水量則越大,同時(shí)隨著空氣出口相對濕度增大,單位質(zhì)量干空氣制冰量也隨之增加.另外,在理想工況下單位質(zhì)量干空氣的制冰量理論最大值可達(dá)2

2、8.3g.關(guān)鍵詞:蒸發(fā)過冷水流態(tài)冰制冰量中圖分類號:tb615文獻(xiàn)標(biāo)識碼:aanovelicecycleand文章編號:1000-6516(2011)06-001105slurryevaporativerefrigerationicemakingpropertyanalysisyanjunhaizhangxiaosong(schoolofenergyandenvironment,southeastuniversity,nanjing210096,china)abstract:theprincipleandsystemprocessoficemakingwithevapora.tivesuper

3、?cooledwatermethodwasdetaileddescription,acorrespondingevaporativefreezingcyclewasanalyzedatsametime.tostudyiceproductioncapacityperunitmassdryair,arelatedmathematicalmodelwasproposed.thenumericalresuitsshowthatlowerinitialtemperatureofwatercanincreasetheiceproductioncapacityperunitmassdryair.howeve

4、r,thehigherinitialtemperatureofwaterwillneedmoreevaporationamountofwaterinordertoobtainthesameiceproductioncapacityperunitmassdryair.additionally,theiceproductioncapacityperunitmassdryairwillbeimprovedbyincreasingtherelativityhumidityofair,whichisintheoutletpositionoficemakingroom.numericalresultsal

5、soshowthatthenovelicemakingsystemcanproduce28.3gicewith1kgdryairinidealconditions.keywords:evaporation;super?cooledwater;iceslurry;iceamount引言在世界能源形勢et益緊張的局面下,冰蓄能作為一種常規(guī),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(shí)也是收稿日期:2011一o117;修訂日期:20111204基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(no.50676018).作者簡介:閏俊海,男,31歲,博士研究生.當(dāng)前最重要的節(jié)能手段之一.冰蓄

6、冷系統(tǒng)通?？煞譃殪o態(tài)冰蓄冷系統(tǒng):和動態(tài)冰蓄冷系統(tǒng),但靜態(tài)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(jìn)而導(dǎo)致制冰效率快速下降,同時(shí)制冷系統(tǒng)熱力性能也大幅降低,為了克服靜態(tài)冰蓄冷的缺陷,各種12低溫工程動態(tài)冰蓄冷方式成為目前研究的熱點(diǎn).流態(tài)冰作為動態(tài)制冰的一種,它是以水為基礎(chǔ)的懸浮冰顆粒的溶液,這使得它與傳統(tǒng)的冰槽蓄冷相比在熱交換時(shí)有較大的換熱面積,能更有效地適應(yīng)冷負(fù)荷的變化,同時(shí)與其它介質(zhì)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(shù)為3kw/(m?k),是相同條件下冷凍水冷卻能力的56倍.蒸發(fā)式過冷水制取流態(tài)冰作為一種新型的動態(tài)制冰方法,避免了傳統(tǒng)過冷

7、水制取流態(tài)冰方法中可能出現(xiàn)的管內(nèi)因凍結(jié)而發(fā)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(tǒng)節(jié)能效果顯著,該新型制冰方式是由張小松,李秀偉.首次提出的,并從宏觀上分析了系統(tǒng)的性能,與傳統(tǒng)過冷水制取流態(tài)冰系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)的性能系數(shù)在一定的工況下可以提高30%以上.目前國內(nèi)外對該制冰方法的研究還比較少,本文從系統(tǒng)的構(gòu)成上入手,分析了系統(tǒng)的制冷循環(huán)過程,另外研究了初始水溫,水的蒸發(fā)量和空氣出口相對濕度等因素對單位質(zhì)量(1kg)干空氣制冰量的影響,并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,通過計(jì)算獲得了不同初始水溫以及出口空氣相對濕度下單位質(zhì)量干空氣的制冰量大小以及水的蒸

8、發(fā)量與單位質(zhì)量干空氣制冰量的變化關(guān)系.2制冰原理及蒸發(fā)制冷循環(huán)從本質(zhì)上來說,當(dāng)水與未飽和濕空氣自由接觸,并且與其它影響因素絕熱時(shí),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(fā)生熱量和質(zhì)量交換.熱量從較高的一側(cè)傳向較低的一側(cè),水蒸氣則從蒸氣壓高的一側(cè)傳向蒸氣壓力低的一側(cè).蒸發(fā)式過冷水制取流態(tài)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(diǎn)飽和水蒸氣分壓力(611.7pa)的低溫低濕的空氣環(huán)境中蒸發(fā),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(shí)現(xiàn)水滴的蒸發(fā),在這一過程中水滴由液態(tài)變成氣態(tài),水滴自身的顯熱不斷轉(zhuǎn)化為蒸發(fā)潛熱(0的水的汽化潛熱2500kj/kg)轉(zhuǎn)移

9、到周圍濕空氣中,從而使未蒸發(fā)水的溫度不斷降低,當(dāng)下降到一定過冷度時(shí)水滴轉(zhuǎn)變?yōu)楸?圖1是蒸發(fā)式過冷水制取流態(tài)冰的系統(tǒng)示意圖.蒸發(fā)式過冷水制取流態(tài)冰系統(tǒng)有4個(gè)子循環(huán)構(gòu)成:(1)水循環(huán),從制冰室出來的有冰和水,經(jīng)過冰圖1蒸發(fā)式過冷水制取流態(tài)冰的系統(tǒng)示意圖fig.1schematicdiagramoficeslurrymakingsystembyevaporatingsuper-cooledwater水分離器,冰晶被儲存在儲冰槽中,而未結(jié)為冰的水被循環(huán)利用;(2)空氣循環(huán),制冰室的低溫低濕環(huán)境是通過整個(gè)空氣循環(huán)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的,從制冰室出來的空氣含濕量升高,被送人除濕器中除濕,含濕量降低后再通過蒸發(fā)器降

10、低溫度,然后被重新利用;(3)除濕再生循環(huán),對于溶液除濕來說,由于驅(qū)動溶液除濕循環(huán)所需熱源的溫度在6080左右,制冷循環(huán)過程中冷凝器所放出的冷凝熱可重新利用于驅(qū)動溶液除濕循環(huán),如該熱量不足的話,可以使用一些廢熱及太陽能等作為補(bǔ)充熱源,因此整個(gè)系統(tǒng)節(jié)能效果顯著;(4)制冷循環(huán),為了滿足制冰室空氣的低溫需求,采用機(jī)械制冷的方式對經(jīng)氣體換熱器降溫后的低濕空氣進(jìn)一步降溫達(dá)到設(shè)計(jì)的要求.在整個(gè)制冰循環(huán)系統(tǒng)中,空氣循環(huán)作為其中重要一環(huán),主要擔(dān)負(fù)將制冰室中水的熱量轉(zhuǎn)移到空氣環(huán)境中去,以實(shí)現(xiàn)水的凍結(jié),圖2是蒸發(fā)制冰空氣循環(huán)i.d圖.45l圖2蒸發(fā)制冷空氣循環(huán)i.d圖fig.2i-dschemeofevapor

11、ativefreezingaircirculation空氣處理過程:12表示空氣在制冰室的絕熱加濕過程;23表示制冰室排出的空氣經(jīng)氣體熱交換器與從除濕器出來空氣進(jìn)行換熱后的等濕升溫過程;34表示濕空氣經(jīng)過除濕器的去濕過程;45表第6期新型流態(tài)冰蒸發(fā)制冷循環(huán)及制冰量性能分析l3示除濕后的空氣經(jīng)氣體熱交換器與制冰室排出空氣進(jìn)行換熱后的等濕降溫過程;51表示空氣進(jìn)入蒸發(fā)器的進(jìn)一步等濕降溫過程.在理想狀況下,狀態(tài)點(diǎn)1,空氣的干球溫度取0,每單位質(zhì)量(1kg)干空氣含濕量取0g,狀態(tài)點(diǎn)2,空氣的干球溫度取0,相對濕度為100%.在實(shí)際工況下,濕空氣經(jīng)除濕器去濕后單位質(zhì)量空氣的含濕量難以處理到0g這種極值

12、情況,空氣含濕量處理的越低,除濕循環(huán)的能耗也就越高,整個(gè)制冰系統(tǒng)的節(jié)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(shí)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(dá)到90%一95%,很難達(dá)到飽和,狀態(tài)點(diǎn)2的空氣經(jīng)氣體熱交換器后,等濕升溫到狀態(tài)點(diǎn)3,然后氣體經(jīng)除濕器去濕升溫到狀態(tài)點(diǎn)4.狀態(tài)點(diǎn)4的空氣經(jīng)氣體熱交換器等濕降溫后到狀態(tài)點(diǎn)5,由于在熱交換器中發(fā)生的是顯熱交換所以狀態(tài)點(diǎn)23的溫差和45的溫差相等.最后,狀態(tài)點(diǎn)5的空氣經(jīng)蒸發(fā)器等濕降溫到狀態(tài)點(diǎn)1完成整個(gè)空氣制冷循環(huán).在12的過程中水與空氣發(fā)生熱質(zhì)交換,蒸發(fā)產(chǎn)生的冷量為q過程34為濕空氣的除濕過程,除濕過程放出的熱量為q.

13、3制冰量性能trolvolumescheme首先作如下假設(shè):(1)制冰室及系統(tǒng)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(fēng)機(jī)和水泵的溫升;(3)系統(tǒng)嚴(yán)密性良好,無漏風(fēng)損失.在圖3所示的制冰室水霧化蒸發(fā)控制體積圖中,假定進(jìn)人制冰室水的質(zhì)量為m,通過霧化蒸發(fā)生成冰的質(zhì)量為m,水的蒸發(fā)質(zhì)量為m,制冰室入口干空氣的質(zhì)量為m.,含濕量為d,空氣的焓值為h,出口干空氣的質(zhì)量為m:,含濕量為h以及空氣焓值為h:,循環(huán)干空氣的質(zhì)量為m.由質(zhì)量守恒原理可得:1tt1=m2=m(1)制冰室水質(zhì)量守恒:m1dl+m=ma2d2(2)m=m(d一d)(3)對于制冰室空氣循環(huán)來說,由能量守恒可得:m1h1

14、+m=m2h2(4)式中:表示水的汽化潛熱.h2一h1:一v(5),a由式(3),式(5)合并可得進(jìn)出制冰室空氣的焓差為:(h一h)=(d一d)(6)水通過與空氣發(fā)生熱質(zhì)交換,將自身的熱量轉(zhuǎn)移到空氣中而過冷結(jié)冰,由此產(chǎn)生的制冷量q.可表示為:q=m(h一h)=ym(d:一d)(7)由進(jìn)出制冰室水的質(zhì)量守恒可得:m=m+mice(8)由水的能量守恒可得:mhl=miceh2+q.(9)式中:h.為進(jìn)入制冰室水的焓值;hw2為水的溶解熱,一334kj/kg.由式(8),式(9)合并可得:mice:(10)一lu兒w1一”w2由式(7),式(10)可得制冰所需的蒸發(fā)水量為:m:(11)cp,w水的蒸

15、發(fā)量分為兩部分,m為水從初始溫度降低到0oc時(shí)所對應(yīng)的蒸發(fā)量,m為水從0oc蒸發(fā)過冷到結(jié)冰所對應(yīng)的蒸發(fā)量.m=ml+m2(12)根據(jù)能量守恒可得:q.=c?m?(t一0)=ml?(13)mvl:!:!r14)14低溫工程在0,110pa的條件下水的汽化潛熱為2500kj/kg,溶解熱為一334kj/kg,m=2500/334=7.5,由此可看出在理想的情況下,蒸發(fā)1kg的水產(chǎn)生的冷量可以使7.5kg的水變成冰.:7.5(15)m2由式(10),式(12),式(14),式(15)合并可得單位質(zhì)量干空氣的制冰量m:vaporq(d:一d1)(16)3.2.1初始水溫對制冰量及蒸發(fā)水量的影響假定在理

16、想情況下,進(jìn)人制冰室的空氣干球溫度為0,含濕量為0g/(kg干空氣),出制冰室空氣相對濕度為100%,而實(shí)際情況下,進(jìn)入制冰室的空氣干球?yàn)?oc,含濕量為1.25g/(kg干空氣),在這兩種工況下,單位質(zhì)量干空氣的制冰量隨初始水溫的變化關(guān)系如圖4所示.圖4單位質(zhì)量干空氣的制冰量隨水初始溫度的變化系fig.4iceproductioncapacityofunitmassdryairversusinitialwatertemperature從圖4可以看出,在上述兩種工況下單位質(zhì)量干空氣的制冰量均隨著初始水溫的升高而減小,這是因?yàn)樗某跏紲囟仍礁?其所對應(yīng)的內(nèi)能就越大,在水滴蒸發(fā)產(chǎn)生冷量不變時(shí),單位

17、質(zhì)量干空氣的制冰量必然減少.另外,理想情況下水溫在2o時(shí)單位質(zhì)量干空氣的制冰量是0c二時(shí)制冰量的77.3%,而實(shí)際情況下的制冰量是在0時(shí)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(shí)單位質(zhì)量(ikg)干空氣的制冰量達(dá)到理論最大值28.3g,而在實(shí)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(shí)際制冰量只有12.4g,是理想情況下的43.8%,所以空氣人口含濕量越低,熱濕交換效率越高單位質(zhì)量干空氣制冰量越大.圖5反映了制取1kg冰所需的蒸發(fā)水量隨初始水溫的變化關(guān)系,水的初始溫度越高,制冰所需的蒸發(fā)水量就越多.制取1kg冰情況下,初始水溫為0

18、時(shí)所需的蒸發(fā)水量是初始水溫為20時(shí)的77.2%.這是因?yàn)槌跏妓疁卦礁咂渚哂械膬?nèi)能也就越大,通過水的蒸發(fā)帶走汽化潛熱使其降溫時(shí)需要的蒸發(fā)水量也就越大,制冰過程中所需的蒸發(fā)水量越大也就意味著循環(huán)空氣吸收的水量增多,這增加了溶液除濕的負(fù)荷,降低了溶液除濕蒸發(fā)制冰的性能.因此降低水的初始溫度,不僅可以提高單位質(zhì)量干空氣的制冰量,而且也降低了溶液的除濕負(fù)荷,可以在很大程度上提高整個(gè)制冰系統(tǒng)的性能.圖5制取1kg冰所需的蒸發(fā)水量隨初始水溫的變化關(guān)系fig.5evaporationamountofwaterversusinitialwatertemperatureformaking1kgice3.2.2空氣

19、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0g/(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(zhì)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?yàn)槌隹诳諝獾南鄬穸仍酱蠓从沉怂c空氣的熱質(zhì)交換效率越高,由水蒸發(fā)所產(chǎn)生的制冷量也就越大,所以單位質(zhì)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(zhì)交換效率來提高系統(tǒng)的制冰性能,影響水與空氣的熱質(zhì)交換效率的因素比較多,水與空氣的接觸面積是其中一個(gè)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(xì)小“一:2,分鯽;.加加00o00ooo0oo囂芒第6期新型流態(tài)冰蒸發(fā)制冷

20、循環(huán)及制冰量性能分析15的水滴,提高它們之間的熱質(zhì)交換面積進(jìn)而提高水與空氣的熱質(zhì)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.6effectofrelativehumidityofoutletaironiceproductioncapacity4結(jié)論溶液除濕蒸發(fā)過冷制取流態(tài)冰的方法,由于可以利用系統(tǒng)冷凝熱及太陽能,廢熱作為除濕循環(huán)的驅(qū)動熱源,因此整個(gè)系統(tǒng)節(jié)能效果顯著.本文對系統(tǒng)的單位質(zhì)量干空氣制冰量進(jìn)行了分析,并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,通過數(shù)值計(jì)算分析了各種因素對單位質(zhì)量干空氣制冰量的影響,結(jié)果表明制冰用的初始水溫越高制冰量越小,而在單位質(zhì)量干空氣制冰量相同時(shí),初始水溫

21、越高所對應(yīng)的蒸發(fā)水量也越大,同時(shí)空氣出口的相對濕度越大,所對應(yīng)的制冰量越大.另外人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(zhì)量干空氣的制冰量則越大,因此在實(shí)際制冰過程中為了提高系統(tǒng)制冰效率及性能,可以從以下幾個(gè)方面來考慮:(1)通過強(qiáng)化空氣除濕,盡量降低進(jìn)入制冰室入口空氣的含:濕量;(2)優(yōu)化制冰室的結(jié)構(gòu)以及選擇高性能的水霧化噴嘴;(3)降低進(jìn)入制冰室水的初始溫度;(4)系統(tǒng)各循環(huán)的優(yōu)化匹配.參考文獻(xiàn).1davies,tw.slurryiceasaheattransferfluidwithalargenumberofapplicationdomainsj.international

22、journalofrefrigeration,2005,28(1):108114.2李秀偉,張小松.蒸發(fā)式過冷水制流態(tài)冰方法j.東南大學(xué):自然科學(xué)版,2009,39(2):269-275.3lixiuwei,zhangxiaosong,caorongquan,eta1.anoveliceslurryproducingsystem:producingicebyutilizinginnerwasteheatj.en-ergyconversionandmanagement,2009,50(12):2893-2904.4張小松,費(fèi)秀峰,施明恒,等.蓄能型溶液除濕蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)中除濕器研究j.東南大學(xué):自然科學(xué)版,2003,24(6):814821.5yunuscerci.anewidealevaporativefreezingcyclej.internationaljourn