流態(tài)冰制取技術(shù)研究進(jìn)展及實(shí)驗(yàn)初探

張小松 陳 瑤 殷勇高 閆俊海 李秀偉

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,南京210096)

動(dòng)態(tài)冰漿,又稱流態(tài)冰,以其良好的熱物理特性[1]被廣泛地用于建筑空調(diào)、大規(guī)模區(qū)域供冷、工業(yè)生產(chǎn)、食品保鮮、交通運(yùn)輸、遠(yuǎn)洋捕撈、水產(chǎn)養(yǎng)殖、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域[2].冰蓄冷是如今最重要的節(jié)能技術(shù)之一,是電力“移峰填谷”和解決尖峰電力不足的有效方法.而應(yīng)用流態(tài)冰的動(dòng)態(tài)冰蓄冷技術(shù)具有系統(tǒng)靈活性大、占地面積小、初投資相對較少的優(yōu)點(diǎn),已領(lǐng)導(dǎo)了冰蓄冷技術(shù)發(fā)展的潮流.制取流態(tài)冰是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)冰蓄冷技術(shù)的第一步,也是最重要的一步,制取流態(tài)冰的技術(shù)方法已成為當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).

現(xiàn)有流態(tài)冰的制取方法眾多,與傳統(tǒng)的制冰設(shè)備(片狀冰、塊狀冰)相比能夠節(jié)省30%～40%的能耗.所有的流態(tài)冰制取裝置和系統(tǒng)中冰晶的結(jié)晶過程都包括溶液的過飽和、成核和冰晶的生長3個(gè)步驟.在這3個(gè)步驟完成后根據(jù)不同的需要將冰晶再進(jìn)行一系列的改造,如摩擦、凝聚和成型.但是，這些改造過程并不是在所有的流態(tài)冰制取裝置和系統(tǒng)中都存在的,只有在對冰晶的尺寸和形狀有要求的情況下才有必要進(jìn)行.因此，根據(jù)制取冰漿的效果和用途的不同,流態(tài)冰的各種制取方式之間也存在很多差異.

本文對現(xiàn)有的流態(tài)冰制取方法進(jìn)行了分析,總結(jié)了該技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀.在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了東南大學(xué)制冷與低溫實(shí)驗(yàn)室所進(jìn)行的幾種流態(tài)冰制取的新方法,并對其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)初探.

1 流態(tài)冰制取方法及研究進(jìn)展

1.1 壁面刮削法

壁面刮削式流態(tài)冰制取技術(shù)的基本原理是:水(溶液)在殼管式換熱器內(nèi)部通過換熱壁面被冷卻到低于冰點(diǎn)的過冷狀態(tài),然后利用機(jī)械刮削方式對壁面進(jìn)行擾動(dòng),靠近壁面的過冷水被及時(shí)刮離壁面,從而確保了換熱器壁面上不會(huì)生成冰晶.從壁面附近被刮出的過冷水隨即進(jìn)入水(溶液)側(cè)的中心主流區(qū),并在主流區(qū)中解除過冷,生成冰漿.

典型的壁面刮削式冰漿制取系統(tǒng)如圖1所示.該系統(tǒng)主要由制冷循環(huán)和殼管式冰漿發(fā)生器2部分組成.其中,制冷循環(huán)為殼管式冰漿發(fā)生器提供制冷劑;殼管式冰漿發(fā)生器由內(nèi)外兩層同心套管組成,實(shí)際上在制冷循環(huán)中起到了蒸發(fā)器的作用.制冷劑在殼管式冰漿發(fā)生器的外管內(nèi)吸熱蒸發(fā),冷卻內(nèi)管內(nèi)流動(dòng)的水(溶液)到過冷態(tài).殼管式冰漿發(fā)生器的冰晶刮削方式分為旋轉(zhuǎn)刮片式和行星轉(zhuǎn)桿式(ORE)兩大類,如圖2所示.

圖1 典型壁面刮削式冰漿制取系統(tǒng)圖

圖2 殼管式冰漿發(fā)生器

在流態(tài)冰制取方法的研究領(lǐng)域內(nèi),Stamatiou等[3]首先對其原理和方法進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié);張海潮等[4]對自行研制的刮刀式系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得到了直徑為0.2 mm的冰晶;Matsumoto等[5]進(jìn)行了收割式-壁面刮削法(harvest method)的實(shí)驗(yàn)研究,通過冷卻乙烯-乙醇使冰晶在碳鋼壁面上生成,然后利用刮刀將壁面上生成的冰晶刮落而獲得流態(tài)冰.

到目前為止,該技術(shù)已經(jīng)相對比較成熟,但只有少數(shù)方法被用于商業(yè)領(lǐng)域的流態(tài)冰制取,以加拿大Sunwell公司的旋轉(zhuǎn)刮片式和美國Mueller公司的MaximICEORE技術(shù)為代表,他們的產(chǎn)品被廣泛地用于HVAC的蓄能等相關(guān)領(lǐng)域.但是壁面刮削式制冰系統(tǒng)對于機(jī)械能的消耗相對較大,刮削裝置容易損壞且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,壁面上的冰層易積累而形成冰堵,這些都是限制其進(jìn)一步發(fā)展的因素.

1.2 過冷法

幾乎現(xiàn)有的流態(tài)冰制取方式都會(huì)涉及到水或水溶液的過冷態(tài),過冷法也是目前研究最廣泛的一種流態(tài)冰制取方法.其基本原理為:水或水溶液首先在熱交換器中被冷卻至過冷狀態(tài)(水或水溶液被冷卻至凍結(jié)點(diǎn)溫度以下的亞穩(wěn)定的液體狀態(tài)),然后過冷水或過冷溶液被輸送至過冷卻解除器中進(jìn)行解冷,轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的冰晶,這時(shí)的冰水混合物實(shí)際上就是流態(tài)冰,如圖3所示.

過冷法的研究主要集中在如何解決過冷換熱器中冰堵和過冷度的控制等問題上.Inaba等[6]提出了一種判斷系統(tǒng)中是否存在冰堵的方法,基于對冷卻管內(nèi)的熱力學(xué)條件與參數(shù)間關(guān)系的考慮,給出了判斷冰堵現(xiàn)象的無因次參數(shù)計(jì)算式;為了解決冰晶在換熱器壁面黏附問題,Oda等[7]對管材與壁面的處理及用于凍結(jié)成冰的相變材料進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在各種不同的冷卻條件下氟塑料管(fluoroplastics tube)能有效地防止冰晶黏附,水油乳濁液(water-oil emulsion)作為凍結(jié)成冰的相變材料在很多條件下優(yōu)于乙烯乙二醇水溶液(ethylene glycol aqueous solution).

圖3 過冷法基本原理圖

水或水溶液的過冷度太大,會(huì)造成制冷系統(tǒng)制冷系數(shù)下降,并增加冰晶在換熱器管壁的黏附,對此可考慮利用其他一些外部條件如超聲波、電場等或加入某些添加劑(如碘化銀)以增加其核化率,相應(yīng)地減小其過冷度.Inada等[8]最早對超聲波影響過冷水成冰進(jìn)行了深入的研究,發(fā)現(xiàn)超聲波能夠促進(jìn)過冷水到冰的相變,并有效地控制過冷水的相變溫度;Matsumoto等[9-10]在水中添加水油乳濁液,對混合溶液的靜態(tài)過冷成冰過程進(jìn)行了綜合性研究:水油乳濁液會(huì)減緩過冷狀態(tài)解除到成冰的過程,而超聲波和直流電場的引入能有效地加速解冷過程并降低過冷混合溶液的過冷度,同時(shí)采取添加冰核的方式來促進(jìn)成冰;Kumano等[11]進(jìn)行了聚乙烯醇溶液(poly-vinyl alcohols)對水過冷影響的實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明聚乙烯醇的聚合度對水過冷度的影響并不明顯,而皂化程度的增加能夠增加其對水過冷度的影響.

在以上對水或溶液的靜態(tài)過冷過程研究的基礎(chǔ)上,流動(dòng)的水或溶液結(jié)晶過程及過冷法綜合系統(tǒng)也得到了廣泛研究.何國庚等[12]建立了一套有效的實(shí)驗(yàn)室過冷水法冰漿制取裝置.Mouneer等[13]設(shè)計(jì)了一種新型的過冷換熱器作為流態(tài)冰生成器,如圖4所示,通過在換熱器內(nèi)壁添加一定數(shù)量的過冷水噴射器來清除內(nèi)壁上形成的冰層.Jean-Pierre等[14]進(jìn)行了過冷法的綜合性實(shí)驗(yàn)研究,研究了過冷度、流量及制冷劑溫度等因素對結(jié)晶過程的影響,通過建立蒸發(fā)器的數(shù)學(xué)模型來研究蒸發(fā)器內(nèi)的物理過程和結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn).

圖4 帶過冷水噴射器的過冷換熱器示意圖

總的來說,過冷法是流態(tài)冰制取方法研究中的一個(gè)熱點(diǎn),但是由于該方法存在諸多問題使得單純的過冷水流態(tài)冰制取方法還處于實(shí)驗(yàn)室的研究狀態(tài),目前僅有日本的高砂熱學(xué)等少數(shù)企業(yè)將其應(yīng)用到商業(yè)領(lǐng)域.

1.3 直接接觸換熱法

直接接觸換熱法是將不溶于水的0 ℃以下的低溫冷媒通過噴嘴噴入水槽,冷媒介質(zhì)與水直接接觸換熱,水被冷卻到凍結(jié)點(diǎn)溫度以下時(shí)形成冰晶顆粒.直接接觸法制流態(tài)冰技術(shù)由于存在的一些問題和系統(tǒng)的限制目前還未能在商業(yè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用,但一些實(shí)驗(yàn)室已對水與冷媒的換熱過程和冰水固液相變傳熱進(jìn)行了研究.

Wijeysundera等[15]進(jìn)行了冷凍劑 fluroinert FC-84的直接接觸換熱實(shí)驗(yàn),獲得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的冰漿,在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了2個(gè)關(guān)于冷凍劑液滴與水的體積換熱系數(shù)的模型.劉劍寧等[16]提出了一種直接接觸噴射式冰漿制備方式,通過搭建實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,對系統(tǒng)的優(yōu)化和冰堵的解決等問題進(jìn)行了探討.章學(xué)來等[17]以容積換熱系數(shù)對二元冰蓄冷系統(tǒng)中的制冰罐的二元冰制備傳熱特性進(jìn)行相關(guān)研究,結(jié)果表明噴口位置對二元冰制備過程的傳熱特性影響很大,在水中添加乙二醇將會(huì)減小其容積換熱系數(shù),所以應(yīng)綜合考慮乙二醇溶液濃度的影響.Hawlader等[18]針對制冷劑fluroinert FC-84液滴周圍冰晶的形成、生長以及分離過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)并建立了理論模型,對影響液滴周圍冰晶生長的可能因素進(jìn)行了探索,如圖5所示.結(jié)果表明,冰晶生長率與液滴直徑和液滴初始溫度有關(guān),冰晶生長率隨著液滴直徑的增加和液滴初始溫度的下降而增加.

圖5 液滴直接接觸換熱模擬實(shí)驗(yàn)示意圖

以上都是針對液液直接接觸的研究,該方法的另一種形式為氣液直接接觸.相比而言,氣液直接接觸蓄冷系統(tǒng)采用二氧化碳、氮?dú)獾茸鳛檩d冷劑與蓄冰溶液進(jìn)行接觸,氣體容易從蓄冰溶液中分離出來,而且具有突出的環(huán)保效益,應(yīng)用前景更加廣闊.張學(xué)軍等[19]利用氮?dú)庾鳛榈蜏亟橘|(zhì),搭建了氣體直接接觸式制冰實(shí)驗(yàn)臺,對系統(tǒng)制冰性能和影響冰堵的因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.鄭克晴等[20]對直接接觸式冰漿生成器的單氣泡傳熱特性進(jìn)行了研究,基于單個(gè)氣泡在連續(xù)相中的上升特性,定性分析了各種因素對體積傳熱系數(shù)的影響.Thongwik等[21]對二氧化碳和水溶液直接接觸制冰過程中的傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)顯示在該實(shí)驗(yàn)條件下二氧化碳和純水的傳熱效率接近100%,進(jìn)而進(jìn)行了壓縮機(jī)油和Tween-60的混合水溶液與二氧化碳的直接接觸換熱實(shí)驗(yàn),依據(jù)實(shí)驗(yàn)建立2個(gè)集中模型分別用于預(yù)測純水或水油混合溶液及冰晶的溫度.

由于冷媒與水充分接觸,該方法的換熱效率是所有流態(tài)冰制取方法中最高的,而且其原理與設(shè)備結(jié)構(gòu)都較簡單,但存在的缺陷也很明顯:① 由于采用的是冷媒直接噴射的方式,在制冰量較大時(shí)就需要較大的冷媒量.而該方法所采用的冷媒多為傳統(tǒng)或新型的制冷劑,所以與其他流態(tài)冰制取方式相比其對制冷劑的需求量是最大的,無法用于建筑蓄冷等需大規(guī)模制冰的領(lǐng)域.② 水與制冷劑直接接觸,制冷劑與水難以分離,形成的冰晶不夠清潔,不能用于食品保鮮等領(lǐng)域.③ 該方法同樣存在冰堵問題.

1.4 流化床法

流化床換熱器被廣泛地應(yīng)用于制造加工業(yè),如廢水或油乳膠的熱處理過程.Meewisse等[22]和Pronk等[23]在工業(yè)用流化床換熱器[24]的基礎(chǔ)上開發(fā)了金屬顆粒流化床流態(tài)冰制取裝置,如圖6所示,制冷劑在床體管外蒸發(fā)制冷,管內(nèi)水呈紊流態(tài)向上流動(dòng)并不斷被冷卻,直至有冰晶在床內(nèi)壁生成,大量直徑為1～5 mm的顆粒(不銹鋼珠或瓷片或其他金屬材料)混于水中,在水流的攜帶下不斷向上運(yùn)動(dòng)并頻繁地撞擊壁面,使黏附于壁面的冰晶粒子破碎,避免了冰晶在壁面的沉積,金屬顆粒的運(yùn)動(dòng)破壞了壁面邊界層,使系統(tǒng)具有很高的傳熱速率.Peng等[25]則建立了類似的液液循環(huán)流化床制取流體冰的熱態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置,在多工況條件下對該新技術(shù)的動(dòng)態(tài)制冰特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.

圖6 金屬顆粒流化床流態(tài)冰制取裝置示意圖

流化床技術(shù)雖然較成熟，在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用,但作為制取流體冰的一種新方法其研究還只是停留在實(shí)驗(yàn)室階段,且進(jìn)行該技術(shù)研究的學(xué)者也并不多,制冰過程中所遇到的冰堵及載冷劑消耗量大等問題也亟待解決.

1.5 真空法

與前述幾種動(dòng)態(tài)制冰方法不同,真空法無需用制冷劑或載冷劑而是通過水或溶液自生的蒸發(fā)作用而制冰,是一種特殊的新型流態(tài)冰制取方法.其基本原理為:水或溶液通過噴嘴霧化后被噴入真空室中,液滴在真空室內(nèi)迅速蒸發(fā)形成水蒸氣,維持真空室真空狀態(tài)的機(jī)械壓縮裝置將水蒸氣連續(xù)抽出,由于被抽出的水蒸氣吸收了液滴大量熱量，使得液滴溫度不斷下降，直至液滴形成冰晶顆粒.

Shin等[26]和Kim等[27]對真空法的制冰過程進(jìn)行了詳細(xì)的理論和實(shí)驗(yàn)研究.其中Shin等[26]研究了擴(kuò)散過程中冰粒形成的條件和發(fā)展過程,給出了描述液滴蒸發(fā)制冰過程的擴(kuò)散控制蒸發(fā)模型,該模型成為真空法制冰研究的基礎(chǔ)，并被研究者們廣泛引用;Kim等[27]在文獻(xiàn)[26]研究的基礎(chǔ)上對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示,采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的乙二醇溶液進(jìn)行噴射,在真空室壓力為0.44 kPa,凝結(jié)溫度為-4 ℃條件下，獲得直徑約300 μm的球狀冰晶顆粒.Lugo等[28]進(jìn)行了真空條件下對氨水和乙醇溶液中水蒸氣分壓力測量的實(shí)驗(yàn)研究,對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與熱力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比.章學(xué)來等[29-30]對二元冰真空制備技術(shù)進(jìn)行了總結(jié),對現(xiàn)有的擴(kuò)散控制蒸發(fā)模型提出了改進(jìn)方法,并對電磁場強(qiáng)化真空水滴閃蒸成冰進(jìn)行了理論分析.劉偉民等[31]進(jìn)行了低壓閃蒸液滴形態(tài)和溫度變化的實(shí)驗(yàn)研究,系統(tǒng)描述了液滴閃蒸過程中的各種形態(tài)變化.Asaoka等[32-33]提出了一種用乙醇溶液在真空環(huán)境中制取流態(tài)冰的新方法,對乙醇溶液在20,30 ℃及冰點(diǎn)溫度下的蒸汽溶液相平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量,分析了乙醇溶液濃度對成冰特性的影響.金從卓等[34]引入了液滴與固體的碰撞理論對擴(kuò)散控制蒸發(fā)模型進(jìn)行了改進(jìn),并用改進(jìn)的模型對不同的噴霧方式進(jìn)行了理論分析.張琳等[35]對目前真空法中存在的問題進(jìn)行了分析,提出了利用中介物質(zhì)來降低真空制冰系統(tǒng)對運(yùn)行真空度要求的方法,并對中介物質(zhì)的特性及改進(jìn)后系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了分析.

圖7 典型的真空法制流態(tài)冰系統(tǒng)示意圖

真空法的優(yōu)點(diǎn)是無需制冷劑,環(huán)保效益好,冰晶不在管道內(nèi)生成,避免了前述幾種方法普遍存在的冰堵問題.研究者們對真空法制流態(tài)冰技術(shù)進(jìn)行大量的理論及實(shí)驗(yàn)研究,但是該方法還遠(yuǎn)未達(dá)到產(chǎn)業(yè)化的要求.該方法始終存在的問題是制冰過程中需要保持真空狀態(tài),為此需要消耗大量的機(jī)械能與電能,同時(shí)真空狀態(tài)下容易產(chǎn)生各種氣密性和安全性問題.

2 流態(tài)冰制取新方法

上述流態(tài)冰制取方法都有著各自的優(yōu)勢和缺陷,因此找到一種融合其優(yōu)點(diǎn),同時(shí)摒棄其缺點(diǎn)的流態(tài)冰高效制取方法是當(dāng)前研究的熱點(diǎn).東南大學(xué)制冷與低溫實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量的流態(tài)冰制取新方法的理論與實(shí)驗(yàn)研究:① 提出了基于溴化鋰吸收式制冷循環(huán)的流態(tài)冰制取新方法[36];② 提出并建立了蒸發(fā)過冷流態(tài)冰制取新系統(tǒng)[37],并對單個(gè)液滴的蒸發(fā)過冷過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[38];③ 對已有系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),提出了新型溶液深度除濕蒸發(fā)冷凍預(yù)冷制流態(tài)冰方案,并進(jìn)行了蒸發(fā)冷凍預(yù)冷的實(shí)驗(yàn)初探.

2.1 溴化鋰吸收式低壓制冰系統(tǒng)

殷勇高等[36]將溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)與真空法制冰系統(tǒng)相結(jié)合,設(shè)計(jì)了溴化鋰吸收式低壓制冰系統(tǒng),如圖8所示.該系統(tǒng)由溴化鋰溶液循環(huán)和低壓制冰室2部分構(gòu)成.溴化鋰溶液在吸收器中吸收來自低壓制冰室中的水蒸氣,通過稀釋后的溴化鋰溶液泵送到發(fā)生器中被加熱再生,溴化鋰溶液濃度得到提升,重新具有吸濕能力,然后經(jīng)過冷卻送至吸收器吸收水蒸氣，實(shí)現(xiàn)對制冰室內(nèi)低壓環(huán)境的維持,溴化鋰溶液如此不斷循環(huán).制冰室中的制冰流程采用閉式、連續(xù)式運(yùn)行模式:吸收器的濃溶液不斷吸收水蒸氣造成制冰室的低壓環(huán)境,水在低壓制冰室中噴淋并不斷蒸發(fā)達(dá)到過冷狀態(tài),過冷水再經(jīng)制冰室中的解冷裝置解冷,冰水混合物經(jīng)冰水分離裝置分離后即得到流態(tài)冰.

圖8 溴化鋰吸收式低壓制流態(tài)冰系統(tǒng)示意圖

此方法可以將工業(yè)余熱、太陽能等溫度為100 ℃左右的低位熱源作為溴化鋰發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)能源,可以節(jié)省大量的電能,實(shí)現(xiàn)能源利用的可持續(xù)性.該系統(tǒng)可直接由溴化鋰吸收制冷裝置改造而成,構(gòu)造簡單,運(yùn)行穩(wěn)定,可以克服真空法制冰中機(jī)械抽氣制造真空磨損大、噪聲大、連續(xù)運(yùn)行困難的缺點(diǎn).此新型系統(tǒng)為流態(tài)冰的制取提供了一種可行且新穎的思路,但是該系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果還有待進(jìn)一步研究.

2.2 蒸發(fā)過冷式流態(tài)冰制取方法

李秀偉等[37,39]在對過冷法和真空法進(jìn)行分析后,結(jié)合東南大學(xué)制冷與低溫實(shí)驗(yàn)室在溶液除濕研究領(lǐng)域的優(yōu)勢[40-41],提出了溶液除濕蒸發(fā)過冷式流態(tài)冰制取方法,并進(jìn)一步分析指出,對于真空制冰而言,其本質(zhì)的機(jī)理在于:在環(huán)境中的水蒸氣分壓力低于水滴邊界層飽和水蒸氣壓力的情況下,水滴會(huì)持續(xù)蒸發(fā),直到2個(gè)水蒸氣分壓力相等為止.因此,如果環(huán)境中的水蒸氣分壓力低于水的三相點(diǎn)對應(yīng)的飽和水蒸氣分壓力(611 Pa),就可以使水滴不斷蒸發(fā),水滴溫度將最終降低到0 ℃以下并結(jié)冰.可見,真空室的目的就是要營造一個(gè)低水蒸氣分壓力的環(huán)境,但是為了獲取低水蒸氣分壓力的環(huán)境,真空并不是絕對必須的,只要除去空氣中的水蒸氣,也就是說只要保持空氣中的含濕量足夠低，就能達(dá)到低水蒸氣分壓力的環(huán)境.

基于以上分析,構(gòu)建溶液除濕蒸發(fā)過冷制流態(tài)冰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖9所示.整個(gè)系統(tǒng)由除濕循環(huán)、制冷循環(huán)、蒸發(fā)過冷循環(huán)3部分組成.首先通過除濕循環(huán)除去空氣中的水分得到水蒸氣分壓力很低(611 Pa以下)的干空氣,再使0 ℃以上的水在該空氣中噴淋蒸發(fā)降低水滴的溫度到0 ℃以下,之后解除水的過冷狀態(tài)獲得流態(tài)冰.

依據(jù)上述系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì),文獻(xiàn)[39-41]進(jìn)行了蒸發(fā)過冷過程的理論及實(shí)驗(yàn)研究.整個(gè)實(shí)驗(yàn)在焓差室中進(jìn)行,采用PDA測量水滴的粒徑與速度,采用紅外攝像儀來拍攝和觀察水滴蒸發(fā)過冷過程的溫度場,在成功制取冰晶顆粒的同時(shí)建立了描述水滴在低含濕量、低水蒸氣分壓力環(huán)境中的蒸發(fā)過冷的數(shù)學(xué)模型.

圖9 溶液除濕蒸發(fā)過冷式流態(tài)冰制取系統(tǒng)示意圖

閆俊海等[38]在文獻(xiàn)[39-41]研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了水滴在低溫、低濕空氣中的蒸發(fā)過冷過程,建立了新的描述整個(gè)傳熱傳質(zhì)及液滴運(yùn)動(dòng)過程的數(shù)學(xué)模型,為流態(tài)冰制取過程中水滴群的霧化模擬提供了理論依據(jù).通過實(shí)驗(yàn)分析指出，對霧化水滴進(jìn)行預(yù)冷卻不僅可提高系統(tǒng)制冰效率,還能減少水滴的蒸發(fā)損失.

綜上所述,將溶液除濕控制空氣含濕量結(jié)合水滴蒸發(fā)過冷的方法與當(dāng)前的過冷法相比,由于水溫在噴淋前一直保持在0 ℃以上,所以完全避免了冰堵,提高了制冰的穩(wěn)定性.與真空法相比,該方法只需通過除濕，即將空氣中的水汽除去，就能避免抽真空,節(jié)省了真空泵所要消耗的能量.水結(jié)冰過程所需的冷量大部分來自于水蒸發(fā)的潛熱,水蒸發(fā)的潛熱負(fù)荷轉(zhuǎn)加給了溶液除濕循環(huán)，而溶液除濕循環(huán)可以利用低位能源,如太陽能、地?zé)崮芤约案鞣N廢熱余熱進(jìn)行驅(qū)動(dòng),因此,制冷所需的冷量就可以取自于低品位的熱能,這就降低了系統(tǒng)對電能的依賴,起到了節(jié)能減排的效果.

2.3 溶液深度除濕蒸發(fā)冷凍預(yù)冷流態(tài)冰制取方法

本文對溶液除濕蒸發(fā)過冷式流態(tài)冰制取系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),改進(jìn)后的系統(tǒng)如圖10所示.該系統(tǒng)由蒸發(fā)冷凍預(yù)冷循環(huán)、溶液深度除濕再生循環(huán)、冷凍水蒸發(fā)過冷制冰3部分組成.相比原系統(tǒng)，增加了蒸發(fā)冷凍預(yù)冷循環(huán),對溶液深度除濕再生循環(huán)的構(gòu)造及與系統(tǒng)的結(jié)合方式進(jìn)行了調(diào)整,形成了新的熱泵驅(qū)動(dòng)溶液深度除濕再生循環(huán)系統(tǒng).系統(tǒng)工作原理為:常溫水首先經(jīng)循環(huán)水泵送入蒸發(fā)冷凍預(yù)冷裝置中進(jìn)行降溫處理,當(dāng)循環(huán)水的溫度降低至接近0 ℃時(shí),送入冷凍水箱作為蒸發(fā)過冷制冰時(shí)用于霧化噴淋的冷凍水;從蒸發(fā)冷凍預(yù)冷裝置和蒸發(fā)過冷制冰室出來的含濕量較高的空氣被送入溶液深度除濕器中進(jìn)行除濕,除濕后的低含濕量空氣一部分送入蒸發(fā)過冷制冰室中用于蒸發(fā)過冷制冰,另一部分則繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)達(dá)到指定狀態(tài)后繼續(xù)用于蒸發(fā)冷凍預(yù)冷過程,而蒸發(fā)過冷后的過冷水經(jīng)解冷裝置解冷后即可獲得流態(tài)冰.

圖10 溶液深度除濕蒸發(fā)冷凍預(yù)冷制流態(tài)冰系統(tǒng)示意圖

改進(jìn)后的溶液深度除濕蒸發(fā)冷凍預(yù)冷制流態(tài)冰新系統(tǒng)中,增加的蒸發(fā)冷凍預(yù)冷過程可以降低用于制冰過程的初始水溫和空氣溫度,從而提高制冰效率.改造后的溶液深度除濕再生裝置,在實(shí)現(xiàn)空氣含濕量處理的同時(shí),能夠利用自身的冷凝熱進(jìn)行除濕后溶液的再生.更加合理地利用了制冷循環(huán),整個(gè)系統(tǒng)的能源利用率也得到了提高.同時(shí),系統(tǒng)得到了完善,能夠真正地獨(dú)立運(yùn)行,不需要外部熱量的補(bǔ)給.

3 溶液深度除濕蒸發(fā)冷凍預(yù)冷實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及理論分析

溶液深度除濕蒸發(fā)冷凍預(yù)冷實(shí)驗(yàn)裝置如圖11所示.該系統(tǒng)為溶液深度除濕蒸發(fā)冷凍預(yù)冷制流態(tài)冰的一個(gè)子系統(tǒng),僅進(jìn)行空氣的除濕和預(yù)冷處理,目的是對溶液除濕的強(qiáng)化和空氣及水的預(yù)冷過程進(jìn)行研究.該裝置中,制冷循環(huán)系統(tǒng)中的蒸發(fā)器用于冷卻除濕溶液,冷凝器用于加熱再生溶液,因此整個(gè)循環(huán)的溶液除濕和再生能力得到了強(qiáng)化.

1—蒸發(fā)冷凍預(yù)冷器;2—水箱;3—截止閥;4—冷凍水箱;5—循環(huán)水泵;6—風(fēng)閥;7—風(fēng)機(jī);8—風(fēng)量計(jì);9—溶液除濕器;10—溶液泵;11—蒸發(fā)器;12—壓縮機(jī);13—冷凝器;14—膨脹閥;15—電加熱器;16—?dú)怏w渦輪流量計(jì);17—變頻器;18—離心風(fēng)機(jī);19—稀溶液桶; 20—濃溶液桶;21—微流量計(jì);T—溫度傳感器;H—濕度傳感器

選用常用的LiCl溶液進(jìn)行該系統(tǒng)的除濕能力分析計(jì)算,在一定溫度下,LiCl溶液的濃度越大除濕能力越強(qiáng).從Conde[42]總結(jié)的LiCl溶液結(jié)晶曲線可以得到，一定溫度下LiCl溶液可以配置的最大質(zhì)量濃度.由空氣與溶液接觸的平衡態(tài)原理可知,在傳熱傳質(zhì)面積理想的情況下,該深度除濕裝置最大的除濕能力分析計(jì)算如表1所示.

表1 溶液除濕能力分析計(jì)算

表1計(jì)算結(jié)果表明,利用溶液深度除濕循環(huán)可以將空氣的含濕量最終控制在3 g/kg左右.此時(shí)空氣的含濕量已經(jīng)足夠低,完全能夠保證其水蒸氣分壓力低于水的三相點(diǎn)對應(yīng)的飽和水蒸氣分壓力(611 Pa),為蒸發(fā)冷凍預(yù)冷過程提供了條件.

3.2 模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在保證空氣含濕量足夠低的基礎(chǔ)上,建立數(shù)學(xué)模型,對溶液深度除濕蒸發(fā)冷凍預(yù)冷循環(huán)的效果進(jìn)行模擬分析計(jì)算.模擬采用的基本工況為:初始進(jìn)口空氣干球溫度30 ℃、流量1.74 kg/s、流速3.125 m/s、含濕量3 g/kg,初始進(jìn)口水溫26 ℃、流量0.6 kg/s,模擬結(jié)果如圖12所示.

圖12 溶液深度除濕蒸發(fā)冷凍預(yù)冷循環(huán)模擬結(jié)果

根據(jù)模擬結(jié)果得出溶液深度除濕蒸發(fā)冷凍預(yù)冷循環(huán)的機(jī)理為:第1次循環(huán)時(shí),空氣的進(jìn)口溫度為30 ℃,此時(shí)濕球溫度為13.58 ℃,水的進(jìn)口溫度為26 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣的濕球溫度；空氣和水在填料中發(fā)生熱質(zhì)交換后，水的理論溫度可以降低到13.58 ℃,而模擬得出水的第1次出口溫度為14.59 ℃，證明該模擬過程的蒸發(fā)冷凍效率較高.第1次循環(huán)出口空氣溫度為19.70 ℃、含濕量為13 g/kg；若空氣以此溫度和含濕量進(jìn)行第2次循環(huán),那么入口空氣的濕球溫度將達(dá)到18.69 ℃,這個(gè)溫度遠(yuǎn)高于第2次循環(huán)水的進(jìn)口溫度14.59 ℃,無法實(shí)現(xiàn)對水的繼續(xù)降溫.這時(shí)需要通過溶液除濕循環(huán)和換熱器對出口空氣進(jìn)行處理.首先出口空氣經(jīng)過除濕器進(jìn)行溶液除濕使得空氣的含濕量回到3 g/kg,空氣經(jīng)過除濕后會(huì)有溫升,不利于空氣繼續(xù)循環(huán)對水的降溫,所以空氣需要經(jīng)除濕器后再經(jīng)過換熱器，使空氣溫度下降到除濕以前.水和空氣就這樣反復(fù)循環(huán)直到出口水溫接近0 ℃.經(jīng)過水循環(huán)、空氣除濕循環(huán)和換熱器中空氣的冷卻,蒸發(fā)冷凍循環(huán)得以保證和實(shí)現(xiàn).

依據(jù)上述機(jī)理,對溶液深度除濕蒸發(fā)冷凍預(yù)冷過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)初探,對整個(gè)裝置的運(yùn)行效果進(jìn)行初步判斷,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示.圖中，空氣溫度曲線指的是圖11系統(tǒng)中蒸發(fā)冷凍器進(jìn)出口溫度的綜合變化,其呈波動(dòng)下降的原因是空氣經(jīng)蒸發(fā)冷凍器后溫度下降，但是之后需再由溶液除濕器進(jìn)行除濕處理從而導(dǎo)致溫度有一定的回升;空氣含濕量曲線指的是蒸發(fā)冷凍預(yù)冷器和溶液除濕器之間空氣含濕量的綜合變化情況,空氣經(jīng)蒸發(fā)冷凍預(yù)冷器吸收水分后含濕量會(huì)大幅上升,因此需經(jīng)溶液除濕器進(jìn)行除濕使其含濕量降低到原來水平甚至更低,以保證蒸發(fā)冷凍循環(huán)的進(jìn)行;水溫曲線是指蒸發(fā)冷凍預(yù)冷器中水溫穩(wěn)定降低的過程.初步的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,溶液除濕蒸發(fā)冷凍預(yù)冷循環(huán)能夠基本滿足制取低溫空氣和冷凍水的需要.

圖13 溶液深度除濕蒸發(fā)冷凍預(yù)冷過程初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

本文總結(jié)了當(dāng)前流態(tài)冰制取的主要方法,對各種流態(tài)冰制取方法的研究現(xiàn)狀和改進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的描述和對比.雖然學(xué)者們對流態(tài)冰的各種制取技術(shù)進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究,但是到目前為止,只有壁面刮削法和過冷法在商業(yè)領(lǐng)域得到了一些應(yīng)用,而其他方法仍處于實(shí)驗(yàn)室的研究階段.

東南大學(xué)制冷與低溫實(shí)驗(yàn)室結(jié)合自身在溴化鋰制冷技術(shù)和溶液除濕技術(shù)方面的優(yōu)勢提出了溴化鋰吸收式低壓流態(tài)冰制取方法和與溶液除濕相結(jié)合的流態(tài)冰制取新方法,并對其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.這些新方法具有環(huán)保節(jié)能等眾多優(yōu)點(diǎn),為流態(tài)冰的制取提供了新的思路.

本文對溶液深度除濕蒸發(fā)冷凍預(yù)冷循環(huán)的機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述并對該過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)初探,驗(yàn)證了應(yīng)用該技術(shù)制取低溫空氣和冷凍水的效果.為以該循環(huán)為基礎(chǔ)的溶液除濕蒸發(fā)冷凍預(yù)冷流態(tài)冰裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持.由于該系統(tǒng)較復(fù)雜,使得其在溶液深度除濕、液滴群蒸發(fā)過冷、過冷狀態(tài)解除等技術(shù)上仍有大量問題有待進(jìn)一步研究.只有徹底掌握了這些關(guān)鍵技術(shù),該方法才有可能成為一種真正實(shí)用穩(wěn)定的流態(tài)冰制取方法和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化.

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