直接接触固液相变制冰及冰蓄冷系统的研究进展

华东工业大学学报

第18卷　第3期J.East China University of Technology Vol.18No.31996

直接接触固液相变制冰及冰蓄冷

系统的研究进展

刘道平　李瑞阳　陈之航

(华东工业大学动力工程学院　上海　200093)

摘　要　综述了直接接触固液相变制冰、强化制冰的方法及冰蓄冷系统的研究进展,考虑到目前对蓄冰技术相关的固液相变传热问题的研究与发展现状,提出了一些有待研究解决的问题.

关键词　直接接触换热;固液相变;冰蓄冷系统

中图法分类号　T K124

利用直接接触的固液相变传热制造冰晶,并以冰水两相流直接输送供冷已成为区域冰蓄冷空调技术的发展方向之一[1].其特点包括[2]:a.采用0℃冰潜热输送可以扩大供冷回水的温差,减少输送流量,实现供冷设备和末端装置小型化,减少建筑占用空间;在原有设计供冷不足时,不需变更输送配套设备,即可实现送冷容量的增大;b.利用温差的扩大,可以缩小蓄热槽的容量,减少冷量输送耗能;c.随着城市的发展,对集中供冷的需求日益增长,冰水固液两相流潜热直接输送可增大热输送密度,实现长距离输送.

蓄冰器是冰蓄冷空调系统的重要组成部分,充分了解冰蓄冷系统的特性,对于进行蓄冰器的设计优化,改进其蓄冷和供冷特性,指导蓄冷系统的实际运行是十分重要的.

1　直接接触固液相变蓄冰技术的研究进展

直接接触传热是一种效率高的传热方式,与常规管壳式传热方式相比,它的传热热阻大大降低,并消除了换热面积垢和腐蚀对传热的影响.应用直接接触相变传热的方式进行蓄冰是近期开展的研究之一,它既可以摆脱管壳式和密封件式蓄冰方式带来的冰层厚度增长,附加热阻增加的问题,又可以通过提高制冷剂蒸发温度,从而提高制冷机组的制冷系数.

在利用直接接触换热进行制冰蓄冷过程中,主要换热方式为带固液相变的气体2液体接触换热和液体2液体接触换热.在蓄冷和供冷循环中,涉及冰晶(或水合物)的制备和融化两个方面.

收稿日期:1996-03-27

1.1　冰晶(或水合物)的制备

利用制冷剂与水的直接接触蓄冷是目前研究的主要课题[3～10].在已经研究的制冷剂中,R211、R212、R2134a和R2141b都可以在稍高于水冰点的温度下形成气体水合物,而R2114和R2123只会形成冰晶,其传热过程包括液态(或汽液两相)制冷剂的蒸发和水与制冷剂接触凝固形成冰晶(或水合物)过程.试验研究的做法均将蓄冰罐结合进制冷系统之中,且为促进制冷剂(或传热液)与水进行充分的接触换热,以及小颗粒冰晶的形成,系统中采用制冷剂(或传热液)喷入蓄冷罐的形式.

附图表示的是液态R212蒸发和水直接接触形成水合物的情况.在水合物形成的过程中存在两个界面,一是水/液体R212界面,水合物呈稠密的浆状;二是上部蒸汽/水界面,水合

物为多孔性结构的固体,它会向上快速增长,若不加限制,它会流入制冷循环中

.

附图　R212水合物形成状况 为探索描述水合物形成的传热模型,充分了解过程的传热特征,Mori和Isobe[9]根据试验现象,针对单一制冷剂液滴蒸发形成水合物,生成的由水合物膜覆盖的汽液两相气泡在水中自由上升的过程,提出了物理模型.根据水和气泡间传热、蒸发热和水合物形成热之间的热平衡,建立了数学模型.

另外对选用R2114作为制冷剂进行直接接触蓄冰也作了研究[11,12].使用R2114是因为它几乎和水不相容,且在0℃时R2114的饱和压力为87.78kPa,低于一个大气压,因此可以避免采用R212或R222的高压系统所遇到的泄漏问题.

在数值模拟研究方面,Subbaiyer[12]等人对使用R2 114作制冷剂的直接接触式蒸发器作为制冰器和蓄冰罐

的蓄冷系统,进行了计算机性能模拟研究,并和管式蒸发器蓄冰罐的性能进行了比较.直接接触蓄冰的传热效果要比间接传热好,减少了很多传热热阻.直接接触制冰器在单位产冷量下的耗电要比管壳式制冰器少30%,而且,同样的制冰量下,制冰时间要比管式制冰器缩短13%.

间接冷媒和水的直接接触制冰方式避免了制冷剂和水接触形成水合物的问题,系统中要求冷媒为与水不相容的低凝固点溶液.Clive[3]在介绍英国冰蓄冷技术的进展中也介绍了这种制冰方式的系统构成.渡边裕[4]对利用与水不相容的不冻液(C8F18)制冰系统进行了研究,考察了不冻液滴的大小与其在水中下落速度的关系、冰形成时水槽内温度的变化情况和形成冰的状态.

1.2　冰晶的融化

在直接接触式蓄冰系统中,冰晶的融化可以是水和冰晶的直接接触融化,也可以采用在冰晶层内设置盘管进行间接融化来供冷.对于间接融化,Yamada[15,16]就单管和多排水平加热管外冰晶的融化问题进行了研究.对于单一加热管,融化交界面与普通的冰层和相变换热82 华东工业大学学报1996年第18卷

材料的融化不同,融化边界是水平发展的.对于多排管,开始时和单一加热管相同,随着时间的推进,融化区域会连接在一起,融化传热率将上升.

对于接触式融化, 田昌志[17]采用分层方法建立了颗粒冰层的能量平衡方程,采用试验手段对水在颗粒状冰层中流动融冰问题进行了研究,考察了初期冰粒直径和质量、冰层高度、水流量和入口水温,还运用能量平衡方程计算了残冰量与时间的关系.

直接接触式制冰对于流动性冰晶的制备及冰水直接供冷提供了有利条件,但冷媒和水的分离,特别是气体2水合物和水的分离及对固体水合物的处理是必须解决的问题.建立有效的接触制冰传热模型,归纳相关传热计算的准则式是推进该方法应用的技术基础.冰晶的融化效果关系到实际供冷负荷的大小.冰水直接供冷涉及到冰水两相流的输送问题,包括冰水两相流的压力损失特性,冰对输送管路堵塞现象的影响;以及冰水分离器,热交换器的换热特性等.这些问题的研究进展将影响到冰水直接供冷方式的成败,一些日本学者在此方面已经进行了某种有益的研究[2,18].

2　对强化制冰方法的研究进展

在静态系统中,对于管外蓄冰来讲,强化制冰主要是通过扰动促使水温均匀并迅速降低来加快水的冻结;对于冰球,可以在冰球内加入强化传热元件来进行.

在动态系统中,采用的方式较多,有采用热的、机械刮板的方法将形成的冰除去;也有利用冰的重力和浮力特点而产生自动释放的方法使形成的冰自行脱落.对于后一种方式,要求制冰换热器表面具有拒绝冰贴附的性质.Stewart [19]等人对此进行子总结,采用的措施有:

a.使用有机材料硅铜,氟塑料、碳氢化合物和蜡、油或胶等使换热表面具有疏水性或与水不相容性.

b.选择最佳表面粗糙度促进空气的夹带,在换热表面和水间封闭空气.

c.在水中加入添加剂以减少冰和换热表面间的联结强度.

d.在水中添加某种促凝剂、或利用磁场和电场效应促进枝状冰晶的形成.

研究发现,使水在过冷状况下结冰亦可促使枝状冰晶的形成,加快冰的冻结.稻　英男[20]对过冷却水在圆管内流动连续制冰进行了试验研究,考察维持流动水的过冷状态的情况.平田哲夫和田中邦章[21]通过试验和理论分析检查了过冷却水流在圆管内强迫流动产生冻结的流量和温度条件,结果表明,管表面的温度梯度对冰在强迫流动的水中冻结无显著影响.静止水的过冷凝固有一特殊现象,即一旦在过冷水中一点出现冰,则整个过冷区都会附着于它迅速冻结.利用此原理, 藤彬夫等[22]提出了一种试验方法来确定温度分布均匀的大容积过冷水凝固的可能性,这种试验采用将水分成较小的液滴来完成,并利用统计方法研究了过冷水的凝固问题.武谷健吾[23]对利用过冷却现象进行制冰的技术进行了总结.3　对蓄冰系统特性的研究进展

在实际运行中,把握设计好的蓄冰系统的特性对于考察其传热性能,使其满足冷负荷变化的要求是十分重要的.目前的研究主要是针对三种常用的蓄冰形式进行的,即管外蓄冰,密封件蓄冰以及动态制冰中的热力融化式蓄冰系统.了解蓄冰系统的性能主要采用两种方式,一是对模化或实际应用的蓄冰器进行试验研究,着重考察蓄冰器蓄冰过程中冰量变化情

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