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动态冰浆蓄冷系统管理论文
动态冰浆蓄冷系统管理论文 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。
