蓄冷板冻结与释冷的实验研究

张 哲 王飒飒 李立民 李 曼 田津津 郭永刚

(天津商业大学天津市制冷技术重点实验室 天津 300134)

1 引言

蓄冷板制冷方式的原理是:将在冷库冷冻间冻结后的冷板移至冷藏装置中，然后在贮藏或运输途中利用冷板中的共晶冰融化吸收外部热量［1］，使冷藏装置内部温度保持在货物适宜的低温，从而实现冷藏运输。随着制冷技术的不断进步，冷板制冷技术已在中国得到了广泛的应用，国内外科研工作者都对冷板制冷方式进行了研究。冷板制冷能够减少运输费用，平衡电网负荷，实现“移峰填谷”新［2］，可以说在经济成本、环境污染与安全性等诸多方面都超过了冷藏车车载制冷机组。

在蓄冷板的实际应用中，蓄冷板与外界的换热性能，对蓄冷板制冷系统的制冷性能有着非常大的影响。对在冷板换热与外界换热时，环境温度、冷板大小，共晶液种类、蓄冷剂质量以及蓄冷板形状等条件，都会对其换热过程产生不同程度的影响［3］。定量的研究蓄冷板换热过程中各种影响因素的影响程度，对于进一步认识蓄冷板的蓄冷过程，优化蓄冷板的性能，拓展蓄冷板的应用范围，都有着很重要的意义。

这次实验过程中对不同环境中NaCl蓄冷板的冻结过程以及释冷过程进行了研究，通过对实验数据的分析，定量分析了外界环境对二者的影响程度，对于蓄冷板制冷系统各个环节的时间调控具有积极的意义。

2 实验系统

2.1 NaCl共晶液的物理性质

本文研究对象是共晶液为NaCl水溶液的蓄冷板。共晶盐溶液在共晶点温度下冻结时，跟纯净物质一样释放固化潜热［4］。同样，共晶冰融化时，要吸收相变潜热。在制冷温度比冰低的场合，可以用融化温度较低的共晶冰来蓄冷［5］。NaCl共晶液的物性如表1 所示［6］。

表1 NaCl共晶液物理性质Table 1 Physical property of eutectic liquid-NaCl

2.2 实验过程中的温度测定

在本次实验中，选取尺寸为0.8 m×0.4 m×0.04 m(长×宽×厚)的蓄冷板进行研究。为便于研究冷板冻结时的冻结情况及温度变化，选取冷板中换热效果最的点A作为温度测点［7-9］，用其温度值来代表整个蓄冷板的温度状况。A点位于蓄冷板的中心断面上，其与蓄冷板底面及左侧壁面的距离分别为0.02 m 和0.1 m，如图1 所示。

图1 冷板示意图Fig.1 Schematic diagram of cold plate

2.3 蓄冷板冻结实验系统

在蓄冷板冻结实验中，实验设备及材料有:NaCl蓄冷板、T型热电偶、计算机及MX100型数据采集器。冷板的冻结过程在速冻机实验台上进行，热电偶一端连接温度测点A，另一端连接数据采集器，而MX100型数据采集器还与计算机相连接，可以实现温度的测量，如图2所示。实验过程中，在冷板上将A定为温度测点，如图1所示。温度巡检仪每记录一次实验数据的时间间隔是1 min，选择实验过程中测得的A点温度数据进行分析。将初始温度为30℃的冷板分别置于-25、-35和-40℃的环境中进行测定。

图2 速冻机实验台Fig.2 Freezer laboratory bench

2.4 蓄冷板释冷实验系统

蓄冷板释冷过实验所需实验材料和设备有:NaCl蓄冷板、铜-镍热电偶、MX100型数据采集器和计算机。

冷板的释冷过程在焓差实验室中进行，焓差实验室如图3所示。实验过程中，在蓄冷板中取A点作为温度测点，测点的布置如图1所示。进行实验时，热电偶测温端布于测点A处，另外一端接入MX100型数据采集器，MX100型数据采集器同时与计算机连接，实现温度的测量。因为整个释冷实验过程中整个蓄冷板的温度状况用点温度来表示，所以当测点A的温度大于共晶温度-21.2℃时，则认为冷板的释冷过程结束。同样的，温度巡检仪每隔1 min会记录1次数据，对冷板整个释冷过程的点A的温度数据进行分析。将初始温度为-25℃的冷板分别放在-10、-5和0℃的环境中进行测定。

图3 焓差实验室Fig.3 Enthalpy potential method laboratory

3 实验结果及分析

3.1 冷板冻结实验结果及其分析

通过实验，得到了初始温度为30℃的蓄冷板在-25、-35和-40℃3种环境中的温度随时间的变化情况，分别如图4、图5和图6所示。

图4给出了在-25℃环境中，蓄冷板温度随时间的变化情况。由实验结果可看出，从实验开始到最后完全冻结的过程中，蓄冷板的温度随着实验的进行而逐渐降低。冷板在-25℃的环境中经过5 h的冷冻后温度接近共晶液的共晶点，温度变化趋于平缓，说明冷板开始出现共晶冰。冷板冷冻约8 h后，温度下降至-21.2℃以下，冷板内共晶液已冻结为共晶冰。

图4 环境温度为－25℃时冷板温度随时间的变化情况Fig.4 Cold plate temperature change with time under temperature of－25℃

图5给出了冷板在-35℃环境中，蓄冷板温度随时间的变化规律。从实验结果可以看出，蓄冷板在-35℃的环境中经过4 h的冷冻过程后，温度已经接近共晶液的共晶温度，温度随时间的变化趋于平缓，说明蓄冷板内开始出现共晶冰。蓄冷板冷冻大约6.5 h后，板内温度下降至共晶液的共晶温度以下，说明冷板共晶液已完全冻结成了共晶冰。

图5 环境温度为－35℃时冷板温度随时间的变化情况Fig.5 Cold plate temperature change with time under temperature of－35℃

图6给出了在-40℃环境中，蓄冷板温度随时间的变化规律。从实验结果中可以看出，冷板在-40℃的环境中经过3 h左右的冷冻过程后，温度差不多达到了共晶液的共晶温度，板内温度随时间的变化趋于平缓，意味着冷板开始出现共晶冰。蓄冷板在-40℃环境中冷冻大约5.5 h后，温度下降至-21.2℃以下，冷板共晶液已全部冻结。

图6 环境温度为－40℃时冷板温度随时间的变化情况Fig.6 Cold plate temperature change with time under temperature of－40℃

3.2 冷板释冷实验结果及其分析

通过实验，得到了初温为-25℃的冷板在-10、-5和0℃3种环境中温度随时间的变化情况，结果如图7、图8和图9所示。

由图7可以发现当环境温度为0℃时，蓄冷板的温度随时间的变化规律:随着释冷过程的进行，开始时冷板温度呈现逐渐上升的趋势，这个过程持续56 h左右;当释冷到56 h左右时，蓄冷板温度上升到了板内共晶液的共晶温度-21.2℃，共晶冰开始融化;57 h以后，冷板内共晶冰逐渐融化，直到70 h左右时释冷过程完成。

图7 环境温度为0℃时冷板温度随时间的变化情况Fig.7 Cold plate temperature change with time under the temperature of 0℃

由图8可以看出，当蓄冷板处在-5℃的环境中时，在释冷过程的前63 h内，冷板的温度随着实验的进行平滑上升，冷板温度逐渐接近共晶液的共晶温度;而在63 h左右时，冷板温度的上升幅度开始出现变化，说明此时蓄冷板的温度已经达到了共晶温度，冷板内共晶冰开始融化;63 h后，冷板内的释冷进程缓慢进行，直到80 h时冷板释冷完毕。

图8 环境温度为－5℃时冷板温度随时间的变化情况Fig.8 Cold plate temperature change with time under the temperature of－5℃

由图9可以看出在-10℃的环境中蓄冷板温度随时间的变化趋势。在-10℃的环境中，经过75 h的释冷过程，冷板温度平缓的上升到了其共晶温度-21.2℃;而在75 h左右时，冷板温度上升的趋势开始出现变化，说明冷板内共晶冰已经开始融化;在75 h以后，冷板温度的上升速度逐渐加快，说明冷板内共晶冰的融化过程正在进行，直至95 h左右时释冷结束。

图9 环境温度为－10℃时冷板温度随时间的变化情况Fig.9 Cold plate temperature change with time under the temperature of－10℃

4 结论

(1)蓄冷板冻结时，外界环境对共晶液开始冻结所需时间有较大影响，在-25℃和-40℃两种环境中，共晶液开始冻结所需时间相差2 h。

(2)蓄冷板冻结过程中，共晶液开始出现结晶至完全冻结所需时间受环境影响较小，-25、-35和-40℃3种低温环境中，共晶液开始冻结到完全冻结所需时间均在3 h左右。

(3)释冷过程中，环境温度高于共晶温度时，环境温度越高，冷板释冷速度越快，反之，环境温度越低，冷板释冷速度越慢。

(4)蓄冷板释冷时，冷板内共晶冰开始融化到完全融化的过程受环境影响较大，在-10、-5和0℃的环境中，该过程历时分别为20、17和13 h。

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