动态冰浆蓄冷系统管理论文

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摘要：动态冰浆由于具有较好的热物理和传热特性，现已被应用于蓄冷空调系统和工业处理过程中。本文介绍了冰浆的各种发生方法和装置，分析了动态冰浆蓄冷空调系统工作过程，阐述了冰浆的动态特性和潜在应用。

关键词：冰浆动态特性蓄冷空调

1前言

冰浆是由微小的冰晶和溶液组成，而溶液通常是由水和冰点调节剂（如乙二醇、乙醇或氯化钠等）构成。由于冰晶的融解潜热大，使得冰浆具有较高的蓄冷密度；同时由于冰晶具有较大的传热面积，使其具有较快的供冷速率和较好的温度调解特性。它不象传统的盘管式（内融冰、外融冰）和封装式（冰球、冰板）蓄冷系统的冰凝结在换热器的壁面上，增加了冰层的传热热阻，使其传热效率较低。

冰浆蓄冷系统现已被用于空调系统中，夜间低谷时蓄冷，白天高峰时供冷，冰浆蓄冷空调系统的容量一般只有高峰冷负荷的20%—50%，使其整个系统小巧、紧凑。由于冰浆蓄冷空调系统具有低温送风特性，使得整个空调系统的风管、水管尺寸减小，冷量输送的功耗也大为降低，运行成本减小。

2冰浆发生装置

常用的产生冰浆的方法有如下几种：过冷法、刮削法、喷射法和真空法等。

2.1过冷法

如图1所示为过冷法冰浆发生系统。在过冷换热器中，水被过冷到-2℃，当其离开过冷器时，大约2.5%的过冷水变成冰晶，其余大部分仍是液相，产生的冰晶落入蓄冷槽，在蓄

冷槽内由于冰、水的密度差，冰晶聚集在蓄冷槽的上部，而水储存在蓄冷槽的下部，其水温仍保持约0℃。夜间低谷时，蓄冷系统产生冰晶，使蓄冷槽内的冰晶浓度达到20%—30%；白天高峰时，蓄冷槽底部的冷水被送到空调末端换热器中向房间供冷。

图1过冷法冰浆发生系统[1]

1—制冷机组2—载冷剂（乙二醇溶液）泵3—冰浆发生器4—-2℃过冷态水5—过冷态释放装置

6—喷嘴7—水层8—冰层9—0℃水10—水泵11—预热器12、13—调节阀

2.2刮削法

如图2所示为刮削法冰浆发生系统，它由压缩机、冷凝器、节流装置、壳管式蒸发器构成，制冷剂在壳侧蒸发吸热，乙二醇溶液（6%—10%）在管内被冷却，当温度降到其凝固点以下时，溶液中产生微小的冰晶（约100μm），为了防止冰晶粘附在管内壁上，安装了一个旋转刮削板，将内壁上粘附的冰晶刮下随溶液一起送出蒸发器、进入蓄冷槽，冰浆的浓度可以根据其运行条件进行调节，一般为0%—35%。

图2刮削法冰浆发生系统[2]

1—压缩机2—冷凝器3—节流装置4—蒸发器5—吸气储液器6—载冷剂

7—冰浆8—制冷剂液体9—制冷剂气体10—搅拌器

2.3喷射法

如图3所示为喷射法冰浆发生系统，它是利用两种互不相溶流体间的换热来产生冰晶的，由制冷系统将不溶于水且比水重的流体冷却到水的冰点以下，然后由泵将流体送入喷射器产生高压并从溶液罐的上部抽吸水，由于在喷射器中产生了足够的扰动和冷却效果，使得普通的水产生冰晶。一旦冰浆混合物到达溶液罐内，较轻的冰晶漂浮在中、上部，而较重的传热流体则沉降在底部，并用于系统再循环。

图3喷射法冰浆发生系统

1—制冷剂进2—制冷剂出3—换热器4—喷射器5—冰浆发生器6—溶液进7—冰浆出8—循环泵

2.4真空法

水的饱和温度是随压力变化的，水在压力为0.0061bar、温度为0.01℃时达到其三相点。如果在真空室内喷入水，并将由水滴表面产生的水蒸气连续地抽出，被抽出的水蒸气由于吸收了液滴的热量，结果使液滴温度下降直至变成冰粒子，由液滴表面产生的水蒸气由机械压缩装置抽走，被压缩的水蒸气再由凝结器冷凝成水。

如图4所示为真空法冰浆发生系统，它由水供应系统、真空室、蒸气压缩机、蒸气凝结器和真空泵构成。水供应系统是由水罐、水泵和喷嘴组成，水泵将水加压至0.7MPa后供给喷嘴，真空室实际上是一个蒸发器，在真空室的上部空间布置有中空锥形的喷嘴，压缩系统是由两级压缩机组成，水凝结器采用壳管式换热器，用自来水作冷却水，真空泵用来抽出系统中的不凝气体。

图4真空法冰浆发生系统[3]

1—真空泵2—排气3—冷凝器4—冷凝罐5—冷却水进6—冷却水出7—第二级压缩装置

8—第一级压缩装置9—真空喷射室10—冰晶11—水泵12—水罐13—水

3动态冰浆蓄冷空调系统

如图5所示为自然循环式冰浆蓄冷空调系统。该系统采用了供热、供冷两个循环回路，每个循环回路都由冷凝器、蒸发器和调节阀组成，供冷回路的蒸发器和供热回路的冷凝器安装在空气处理箱内，用于调节向室内供应空气的温、湿度。

由冰浆发生器产生的冰浆储存在蓄冷罐中，然后由泵输送到供冷回路的冷凝器中，来自蒸发器的制冷剂蒸气在该冷凝器中冷凝成液体，并利用重力流回到蒸发器中，蒸发冷却通过空气处理箱的空气。

在供热回路中，由冰浆发生器产生的热量供给制热回路中的蒸发器，来自空气处理箱中冷凝器的制冷剂液体在重力作用下流入蒸发器，在蒸发器中以较高的蒸发温度气化吸收来自冰浆发生器产生的热量，气化后的制冷剂蒸气然后进入空气处理箱中的冷凝器放热加热流入的空气。

如图6所示为热回收式冰浆蓄冷空调系统。在蓄冷运行模式时，制冷循环中的风冷冷凝器工作，二元溶液从蓄冷罐被泵送到冰晶发生器，产生的冰晶再输送到蓄冷罐的底部，在蓄冷罐内冰晶聚集在其上部。供冷运行时，二元的冰浆溶液被送到中间换热器，将冷量传递给来自末端机组的冷媒水；从中间换热器返回的温度较高的溶液被喷洒在罐内上部的冰晶上，

图6热回收式冰浆蓄冷空调系统[2]

1—冰浆发生器2—蓄冷罐3—循环泵4—换热器5、6—空调末端机组

7—水冷冷凝器8—风冷冷凝器9—压缩机10—循环泵11—供冷12—供热

冰晶溶化后，溶液温度再下降。在热回收运行模式时，风冷冷凝器不工作、水冷冷凝器开始工作，水冷冷凝器释放的热量传递给末端机组，适用于既需要制冷、又需要制热的多功能建筑。在供热运行模式时，制冷剂流动换向，原来的风冷冷凝器现在作为蒸发器使用，制冷循环向水冷冷凝器提供热量，再由水冷冷凝器将热量传递给末端机组。

4冰浆动态特性

在常规的空调系统中，6℃/12℃的供/回水温度所产生的冷量约为25kJ/kg，这主要是由于水的显热容量较小，而采用冰浆作载冷剂可以减小所需要的循环量。

如图7所示为冰浆与冷水的供冷量比较。冰浆的供冷量是随着冰晶的浓度而变化的，如当冰晶的浓度为20%、冰晶的供/回水温度为0℃/13℃时，其冷量比为4.8，则其提供的冷量为120kJ/kg。

如图8所示为冰浆的压力降随速度和冰晶浓度的变化。冰浆的压力降与其摩擦系数、冰晶流动速度和冰晶浓度有关。在低速流动时，冰浆溶液出现了相分离，冰晶漂浮在通道的上部，这将增加不同浓度冰浆溶液间的压力降变化。从图8中可以看出，在低速流动时，不同浓度的冰浆溶液间的压力降差别变化较大，这是由于低速流动时冰晶漂浮在通道上部，引起冰浆有效流通截面积减小，从而使其流速增加，阻力变化较大；同时通道上部聚集的冰晶也使其摩擦阻力增大。在高速流动时，不同冰浆浓度溶液与冷水之间压力降差值变化较小，这是由于高速流动使得冰浆溶液成为均匀流动。

图7冰浆与冷水的供冷量比较图8冰浆的压力降随速度和冰晶浓度的变化

如图9所示为冰浆溶液的传热系数随其流量和浓度的变化。从图中可知：传热系数是随着流量的增加而增加、随着冰浆浓度的增加而减小。这是由于冰浆浓度的增加减小了溶液的扰动，通过换热器的流动是层流而不是紊流。尽管在较高冰浆浓度下，其传热系数下降，但由于微小的冰晶增加了其传热表面积，以及具有较大的传热温差，仍然使其具有较高的传热量。

图9冰浆溶液的传热系数随其流量和浓度的变化

5冰浆的其他潜在应用

冰浆溶液除了用于舒适性空调、工业生产过程、食品处理与保存外，还可用于以下方面：

5.1用于管道和换热器清洗

传统的清除管道和换热器污垢脏物的方法常采用机械方法，但对于形状复杂的换热器，该方法很难完成去污。采用10%的冰浆溶液能够完成复杂几何形状管道和换热器的清污工作[4]。

5.2用作冷藏汽车的蓄冷剂

在冷藏汽车的四周保温夹层空间内充入冰浆溶液，使车厢内保持所要求的温度，它与普通运输车辆相比，能保证冷藏食品的新鲜。冰浆的充入和更换可在专门的充冷站进行。

5.3用作灭火剂

现有的灭火装置和喷嘴仍然可以输送浓度为30%的冰浆溶液，采用冰浆溶液灭火可以使灭火时间减少一半，同时使室内温度急剧降低。与水相比，采用冰浆灭火所需的量较少[5]。

6结论

动态冰浆由于具有蓄冷密度大、流动性和传热性能好等优点，现已被用于蓄冷空调系统中用于用电负荷的“移峰填谷”，还有用于工业处理过程和食品工程领域中。随着对动态冰浆技术的深入研究，其设备成本将降低、运行效率将提高，潜在的应用领域将进一步扩大，动态冰浆是一种非常实用的新技术。

参考文献

[1]I.Bellas,S.A.Tassou.Presentandfutureapplicationsoficeslurries.InternationalJournalofRefrigeration,2005,28(1):115-121

[2]M.J.Wang,N.Kusumoto.Iceslurrybasedthermalstorageinmultifunctionalbuildings.HeatandMassTransfer,2001,37:597-604

[3]H.T.Shin,Y.P.Lee,J.Jurng.Spherical-shapediceparticleproductionbysprayingwaterinavacuumchamber.AppliedThermalEngineering,2000,20:439-454

[4]J.Quarini.Ice-piggingtoreduceandremovefoulingandtoachieveclean-in-place.AppliedThermalEngineering,2002,22:747-753

[5]A.R.Lowes.Fire-fightingapparatusandamethodoffightingfire.UKPatentApplication0206813.8,2002