新型流态冰蒸发制冷循环及制冰量性能分析

闫俊海 张小松

(东南大学能源与环境学院 南京市 210096)

1 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［1］。

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［2-3］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℃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℃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。

图1 蒸发式过冷水制取流态冰的系统示意图Fig.1 Schematic diagram of ice slurry making system by evaporating super-cooled water

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℃左右［4］，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Fig.2 I-D scheme of evaporative freezing air circulation

空气处理过程:1→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℃、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℃、相对湿度为100%［5］。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Qvapor，过程3→4为湿空气的除湿过程，除湿过程放出的热量为Qg。

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Fig.3 Water evaporative control volume scheme

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mw，通过雾化蒸发生成冰的质量为mice，水的蒸发质量为mv，制冰室入口干空气的质量为ma1、含湿量为d1、空气的焓值为h1，出口干空气的质量为ma2、含湿量为h2以及空气焓值为h2，循环干空气的质量为ma。

由质量守恒原理可得:

制冰室水质量守恒:

对于制冰室空气循环来说，由能量守恒可得:

式中:γ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焓差为:

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Qvapor可表示为:

由进出制冰室水的质量守恒可得:

由水的能量守恒可得:

式中:hw1为进入制冰室水的焓值;hw2为水的溶解热，-334 kJ/kg。由式(8)、式(9)合并可得:

由式(7)、式(10)可得制冰所需的蒸发水量为:

水的蒸发量分为两部分，mv1为水从初始温度降低到0℃时所对应的蒸发量，mv2为水从0℃蒸发过冷到结冰所对应的蒸发量。

根据能量守恒可得:

在0℃、1×105Pa的条件下水的汽化潜热为2 500 kJ/kg，溶解热为 -334 kJ/kg，m=2 500/334=7.5，由此可看出在理想的情况下，蒸发1 kg的水产生的冷量可以使7.5 kg的水变成冰。

由式(10)、式(12)、式(14)、式(15)合并可得单位质量干空气的制冰量mice:

3.2 计算结果与分析

3.2.1 初始水温对制冰量及蒸发水量的影响

假定在理想情况下，进入制冰室的空气干球温度为0℃、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℃，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。

图4 单位质量干空气的制冰量随水初始温度的变化系Fig.4 Ice production capacity of unit mass dry air versus initial water temperature

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℃时单位质量干空气的制冰量是0℃时制冰量的77.3%，而实际情况下的制冰量是在0℃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℃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℃时所需的蒸发水量是初始水温为20℃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。

图5 制取1 kg冰所需的蒸发水量随初始水温的变化关系Fig.5 Evaporation amount of water versus initial water temperature for making 1 kg ice

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℃、空气温度为0℃、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。

图6 空气出口的相对湿度对制冰量的影响Fig.6 Effect of relative humidity of outlet air on ice production capacity

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。

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 李秀伟，张小松.蒸发式过冷水制流态冰方法［J］.东南大学学报:自然科学版，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 张小松，费秀峰，施明恒，等.蓄能型溶液除湿蒸发冷却空调系统中除湿器研究［J］.东南大学学报:自然科学版，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.