第七章 载冷和蓄冷

7.1.3 传统的蓄冷剂（共晶冰） 对相变蓄冷材料性能的要求：
7.1 传统载冷剂与蓄冷剂
⑦ 具有较大的比热，以提供额外的显热效果。 ⑧ 相变过程体积变化小，以使盛装容器结构简 化。 ⑨ 满足一定的化学标准：相变蓄冷材料应该具 有高稳定性，不发生分解，对构件材料无腐蚀作 用，无毒性、不燃、无爆炸性。 ⑩ 成本低廉，量大易得。 实际上，获取满足全部要求的相变蓄冷材料是非 常困难的。因此，工程领域中应首先考虑具有合 适的相变温度和较大的相变潜热的蓄冷材料，然 后再采取一定措施改善其他热物理性能。
7.2 环保要求下载冷技术的新发展
7.2.1 流态冰 载冷剂水或盐水利用液体的显热载冷，而流态冰载冷还可以利 用冰的潜能载冷。因而，与水或盐水相比，流态冰载冷有以下 优点： (1)单位载冷能力大，故可以减少载冷剂的循环量，使载冷 剂循环泵的容量和耗功明显减小。流态冰既可载冷又可蓄冷。 蓄冷时，同样蓄冷能力所需的蓄冷器尺寸小。 (2)流态冰载冷剂的输送管道尺寸明显减小，所以管道和隔 热设施费用少。 (3)用冷场所的冷却器用流态冰循环，其进出口温差小，冷 却温度分布均匀。 (4)冷却器内流态冰相变(融化)换热，表面传热系数大，可以 减小冷却器的尺寸。实用情况表明：它与制冷剂直接蒸发的热 交换器尺寸相近。
水、无机盐水溶液、有 机液或有机液的水溶液
7.1 传统载冷剂与蓄冷剂
盐水溶液的相图
溶液区 冰+溶液区 晶体盐+饱和溶液区 固体区(冰+晶体盐)
T
A G
B
F
析冰线A-B-E 析盐线E-F-G 共晶浓度 wE
共晶温度 TE 共晶点 E
TE
E
wE
w
7.1 传统载冷剂与蓄冷剂
7.1.2 常用的传统载冷剂
(4)腐蚀性小。 (5)价格便宜。
7.1 传统载冷剂与蓄冷剂
7.1.2 常用的传统载冷剂
(1)水 集中式空气调节中，水是最适宜的载冷剂。机房的冷水机 组中产生出7℃左右的冷水，送到建筑物房间的末端冷却 设备(风机盘管)中，供房间空调降温使用。冷水还可以直 接喷入空气，实现温度和湿度调节。水的冰点为0℃，所 以只适用于载冷温度在0℃以上的使用场合。 (2)无机盐水溶液（ Brine ） 无机盐水溶液有较低的凝固点温度，适合在中、低温制冷 装置中载冷。最广泛使用的是： 氯化钙(CaCl2)水溶液 氯化钠(NaCI)水溶液：可用于直接接触食品冷藏 氯化镁(MgCI2)水溶液 无机盐水溶液对金属有较强腐蚀性
图7-4 DTI研究的商业制冷装置
7.2 环保要求下载冷技术的新发展
载冷系统
7.3 蓄冷
蓄冷目的：
(1)解决供求双方在时间、强度和地点上不同步的矛盾 例如铁路冷藏车上：用盐水冰蓄冷，公路冷藏车：用共晶冰冷板蓄冷， 缺点是：增加车的自重；温度控制精度难以保证；蓄冷使用时间受到限 制，或冷量不足或冷量浪费，使用有诸多不便。 (2)移峰填谷 建筑空调是最大的用电设备之一。高峰季节(夏季)其用电量占到建筑物总 用电量的一半以上。空调蓄冷是实现用电移峰填谷、平衡城市供电、减 小制冷机的装机容量和节省运行费用的重要手段。 (3)享受分时电价政策，节省运行费用 随着现代化高层建筑的发展和空调应用的普及，空调制冷用电急剧增加， 同时不同季节之间、昼夜之间的用电量差异越来越大，使得电业部门承 受的供电压力日益繁重。为了削减昼夜之间电网供电的峰谷差，改善供 电状况，很多国家和地区都实行了分时电价政策，以鼓励多使用夜间(用 电低谷期)的电力，为业主降低运行费用。峰谷电价比可以达到6：1，美 国有的地区甚至20：1，重庆为4.5：1。
现在，用流态冰载冷的间接冷却 产品正在获得推广。国外的这类 产品，载冷温度从-4℃至-40℃， 容量从3 kw到MW级范围，已成 功地应用于空气调节、冷冻冷藏 柜、食品加工、工业、渔业等领 域。鱼类、蔬菜、水果等可以通 过在流态冰中浸冷实现快速保质 处理。此外，流态冰载冷在医学、 化工、科研等领域也有专门的应 用。
7.2 环保要求下载冷技术的新发展
7.2.1 流态冰
流态冰(Flo-Ice) 是具有流动性的冰。它由微小的冰晶组成，每粒冰晶的尺 寸很小。流态冰用专门设备—流态冰生成器—制取。冰晶在流态冰生成器 的冷却表面形成，并且可以脱落。脱落的冰晶再与一定量的水及不冻液混 合，用该混合物作为载冷流体。它可以用泵输送。流态冰看上去有如浆状， 因而也称为浆状冰（ice-slurry ）。
7.1 传统载冷剂与蓄冷剂
7.1.1 对载冷剂性质的要求
保持液态，不挥发；对设备无腐蚀，对 人体无危害；载冷能力强；输送耗功小 (1)无毒、不可燃、无刺激性气味、化学稳定性好，在大气压 力下不分解、不氧化、不改变其物理、化学性质。 (2)在使用温度范围内呈液态。它的凝固点应低于制冷机的蒸 发温度，沸点应远高于使用温度。 (3)密度小、粘度小、传热性好、比热容大。这样可以使载冷 系统的液体循环量少，流动阻力小，消耗的泵功少，并可减小 热交换器的尺寸。
7.1 传统载冷剂与蓄冷剂
7.1.2 常用的传统载冷剂
(3)有机载冷剂
1)甲醇、乙醇和它们的水溶液
甲醇的冰点为-97℃，乙醇的冰点为-117℃，可以用在低温载冷中。它们的 纯液体密度和比热容都比盐水小。甲醇比乙醇的水溶液粘性稍大一些，它 们的流动性都比较好。甲醇和乙醇都具有挥发性和可燃性，所以使用中要 注意防火。特别是当机器停止运行、系统处于室温条件下时，更要格外小 心。
7.1 传统载冷剂与蓄冷剂
7.1.3 传统的蓄冷剂（共晶冰） 对相变蓄冷材料性能的要求： ④ 过冷度小。有些蓄冷材料在冷却的过程中,当温度下 降到其冰点时，并不会立即发生相变结冰，而是继续保持 液相状态，直到温度降至冰点以下某一温度（即过冷温 度），才开始出现结晶，这种现象称为过冷现象。过冷度 越大，需要越低的蒸发温度，导致制冷机组的效率降低。 ⑤ 具有较大的导热系数和密度。导热系数大，有利于减 小蓄冷－释冷时的温度梯度和传热温差；密度大，有利于 减小蓄冷槽容积。 ⑥无相分离现象。相分离是指共晶冰在加热熔化时， 一部分盐从溶液中析出而不再溶于水，在溶液中形成浓度 梯度甚至沉淀下来，使蓄冷材料液相和固相的化学组成发 生改变的现象。出现相分离的蓄冷材料，经过反复多次凝 固－熔解循环过程后就会老化变质而失效。
7.2 环保要求下载冷技术的新发展
7.2.2 环保型制冷与载冷系统
实例1 DTI研究的商业制冷装置
图7-4是丹麦技术研究所（DTI） 研究的商业制冷系统，装备在 超市的制冷装置上。它的制冷 系统采用NH3／CO2复叠式制冷 循环。氨单级压缩制冷为高温 子系统，二氧化碳单级压缩制 冷为低温子系统。氨制冷机产 生冰晶，用流态冰做载冷剂， 它是冰、水、乙醇的混合物。 商场普通制冷温度要求的冷却 设备，用-10℃流态冰间接冷却； 低温-30℃的冷却设备用二氧化 碳直接蒸发冷却。流态冰还用 于冷却二氧化碳子系统的冷凝 器。
概念 采用载冷剂的优点：将制冷系统集中在机房安装， 减小制冷剂的充灌量；载冷剂热容大，易于保持 恒温；冷量容易分配和控制； 缺点：系统更加复杂；增大了被冷却对象与制冷 剂间的温差，需要较低的蒸发温度。
蓄冷剂的作用：在无用冷需求或用冷需求量少时将制冷 机产出的冷量贮存起来，而当需要用冷或冷量需求量大 时再将贮存的冷量释放出来，以提供全部的冷量需求 (制冷机不工作)或补充制冷机产冷量的不足。
纯有机液体如二氯甲烷、三氯乙烯和其他氟利昂液体。它们的凝固点很低， 可低达-100℃左右甚至更低，可以用做低温载冷剂。这类载冷剂的特点是 密度大、粘度小、传热性好、比热容大。
7.1 传统载冷剂与蓄冷剂
7.1.3 传统的蓄冷剂（共晶冰）
7.1 传统载冷剂与蓄冷剂
7.1.3 传统的蓄冷剂（共晶冰） 对相变蓄冷材料性能的要求：
2)乙二醇、丙二醇和丙三醇水溶液
丙三醇(甘油)是极稳定的化合物，无毒，其水溶液对金属无腐蚀，可以与 食品直接接触，是很好的载冷剂。乙二醇和丙二醇水溶液的特性相似，它 们的共晶温度可达-60℃左右(对应的共晶质量分数为0.6左右)。它们的比 重和比热容较大，溶液粘性较大，略有毒性，但无危害。
3)纯有机液体
① 具有较高的相变潜热。相变潜热大，只需较少的 蓄冷材料和较小的蓄冰槽容积就能储存相同的冷量。 ② 具有合适的相变温度。对空调蓄冷系统而言，要 求相变温度在5℃～8℃，以便制冷主机在空调工况下 高效运行。对于低温工业蓄冷而言，需要根据生产工 艺对冷源温度的要求，在保证运行效率的前提下，选 择具有相应相变温度的蓄冷材料。 ③ 相变温度保持恒定。相变蓄冷材料在结冰的过程 中，应始终保持一定的凝固温度，以使制冷机组的运 行工况稳定和提高结冰率。同样，在融冰的过程中， 也需要稳定的熔解温度，这样有利于控制输出冷量的 大小。
(2)无机盐水溶液
在配制盐水溶液载冷剂时，盐质量分数不宜超过其共晶质量 分数。否则，不仅要多消耗盐，而且溶液密度增大使输送过 程的阻力和泵的功耗增大，凝固点温度还反而升高。配制溶 液的盐质量分数值只要满足使其对应的析冰温度比制冷剂的 蒸发温度低5~8℃即可。Cacl2、NaCl和Mgcl2水溶液的共 晶温度分别是-55℃、-21℃和-34℃。 盐水溶液的密度和比热容都比较大，因此传递一定的冷量所 需盐水溶液的体积循环量较小。盐水溶液具有腐蚀性，尤其 是略呈酸性的稀盐水溶液，在使用条件又是与空气相接触的 情况下，对金属的腐蚀性很强。为此，必须采取缓蚀措施： 在盐水溶液中添加缓蚀剂。缓蚀剂通常采用二水铬酸钠 (Na2Cr2O7-2H2O)溶液，其添加比例为1.5~2.0 g／L。
（尖2峰6平8谷8）
重庆商业电价0.843元，工业电价0.601
7.3 蓄冷 蓄冷类型：
高温空调蓄冷：蓄冷温度0~15℃
按蓄冷温度分
低温工业蓄冷：0℃以下
显热蓄冷：如水蓄冷，贮能密度低，蓄冷器占据空间大； 但是制冷系统的蒸发温度高，能效比冰蓄冷高，初投资小。 相变潜热蓄冷：冰蓄冷、共晶盐蓄冷、气体水合物蓄冷 由于相变过程是一近似等温过程, 相变潜热比显热大得 多, 使相变蓄冷具有蓄冷密度高、易与运行系统匹配、 易控制等优点, 因此往往成为蓄冷系统的首选形式。但 制冷系统要在蓄冰工况运行，蒸发温度低，能效低，初 投资大。