[DOC]新型流态冰蒸发制冷循环及制冰量性能分析.doc
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1、新型流态冰蒸发制冷循环及制冰量性能分析2011年第6期总第184期低温工程CRY0GENICSNO.62011SumNO.184新型流态冰蒸发制冷循环及制冰量性能分析闫俊海张小松(东南大学能源与环境学院南京市210096)摘要:介绍了蒸发过冷水制冰原理及系统流程,分析了相应的蒸发制冷循环,对单位质量(1kg)干空气制冰量性能及影响因素进行了研究并建立了相关数学模型,计算结果显示,水的初始温度越高单位质量干空气制冰量越低,而单位质量干空气制冰量相同时水温越高对应的蒸发水量则越大,同时随着空气出口相对湿度增大,单位质量干空气制冰量也随之增加.另外,在理想工况下单位质量干空气的制冰量理论最大值可达2
2、8.3g.关键词:蒸发过冷水流态冰制冰量中图分类号:TB615文献标识码:AAnovelicecycleand文章编号:1000-6516(2011)06-001105slurryevaporativerefrigerationicemakingpropertyanalysisYanJunhaiZhangXiaosong(SchoolofEnergyandEnvironment,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)Abstract:Theprincipleandsystemprocessoficemakingwithevapora.tivesuper
3、?cooledwatermethodwasdetaileddescription,acorrespondingevaporativefreezingcyclewasanalyzedatsametime.Tostudyiceproductioncapacityperunitmassdryair,arelatedmathematicalmodelwasproposed.Thenumericalresuitsshowthatlowerinitialtemperatureofwatercanincreasetheiceproductioncapacityperunitmassdryair.Howeve
4、r,thehigherinitialtemperatureofwaterwillneedmoreevaporationamountofwaterinordertoobtainthesameiceproductioncapacityperunitmassdryair.Additionally,theiceproductioncapacityperunitmassdryairwillbeimprovedbyincreasingtherelativityhumidityofair,whichisintheoutletpositionoficemakingroom.Numericalresultsal
5、soshowthatthenovelicemakingsystemcanproduce28.3gicewith1kgdryairinidealconditions.Keywords:evaporation;super?cooledwater;iceslurry;iceamount引言在世界能源形势Et益紧张的局面下,冰蓄能作为一种常规,典型的相变潜热蓄能方法,是目前电力“移峰填谷”和解决电力不足的重要方法,同时也是收稿日期:2011一O117;修订日期:20111204基金项目:国家自然科学基金(No.50676018).作者简介:闰俊海,男,31岁,博士研究生.当前最重要的节能手段之一.冰蓄
6、冷系统通常可分为静态冰蓄冷系统:和动态冰蓄冷系统,但静态冰蓄冷蓄能过程中,传热热阻会随着冰层厚度的增加而增加,进而导致制冰效率快速下降,同时制冷系统热力性能也大幅降低,为了克服静态冰蓄冷的缺陷,各种12低温工程动态冰蓄冷方式成为目前研究的热点.流态冰作为动态制冰的一种,它是以水为基础的悬浮冰颗粒的溶液,这使得它与传统的冰槽蓄冷相比在热交换时有较大的换热面积,能更有效地适应冷负荷的变化,同时与其它介质相比,冰浆具有巨大的相变潜热和低温显热,如含冰率5%30%的冰浆,其传热系数为3kW/(m?K),是相同条件下冷冻水冷却能力的56倍.蒸发式过冷水制取流态冰作为一种新型的动态制冰方法,避免了传统过冷
7、水制取流态冰方法中可能出现的管内因冻结而发生冰堵的问题,不仅制冰效率比较高,而且由于可以灵活地利用太阳能或者其它废热,降低了对电能的依赖系统节能效果显着,该新型制冰方式是由张小松,李秀伟.首次提出的,并从宏观上分析了系统的性能,与传统过冷水制取流态冰系统相比,该系统的性能系数在一定的工况下可以提高30%以上.目前国内外对该制冰方法的研究还比较少,本文从系统的构成上入手,分析了系统的制冷循环过程,另外研究了初始水温,水的蒸发量和空气出口相对湿度等因素对单位质量(1kg)干空气制冰量的影响,并建立了相应的数学模型,通过计算获得了不同初始水温以及出口空气相对湿度下单位质量干空气的制冰量大小以及水的蒸
8、发量与单位质量干空气制冰量的变化关系.2制冰原理及蒸发制冷循环从本质上来说,当水与未饱和湿空气自由接触,并且与其它影响因素绝热时,在各自温度差和蒸汽压差的作用下,水与未饱和湿空气之间就会发生热量和质量交换.热量从较高的一侧传向较低的一侧,水蒸气则从蒸气压高的一侧传向蒸气压力低的一侧.蒸发式过冷水制取流态冰的工作原理也就是0的水滴会在水蒸气分压力低于水三相点饱和水蒸气分压力(611.7Pa)的低温低湿的空气环境中蒸发,由于水滴边界层的饱和蒸气压与周围湿空气中水蒸气分压力差,而实现水滴的蒸发,在这一过程中水滴由液态变成气态,水滴自身的显热不断转化为蒸发潜热(0的水的汽化潜热2500kJ/kg)转移
9、到周围湿空气中,从而使未蒸发水的温度不断降低,当下降到一定过冷度时水滴转变为冰晶.图1是蒸发式过冷水制取流态冰的系统示意图.蒸发式过冷水制取流态冰系统有4个子循环构成:(1)水循环,从制冰室出来的有冰和水,经过冰图1蒸发式过冷水制取流态冰的系统示意图Fig.1Schematicdiagramoficeslurrymakingsystembyevaporatingsuper-cooledwater水分离器,冰晶被储存在储冰槽中,而未结为冰的水被循环利用;(2)空气循环,制冰室的低温低湿环境是通过整个空气循环系统来实现的,从制冰室出来的空气含湿量升高,被送人除湿器中除湿,含湿量降低后再通过蒸发器降
10、低温度,然后被重新利用;(3)除湿再生循环,对于溶液除湿来说,由于驱动溶液除湿循环所需热源的温度在6080左右,制冷循环过程中冷凝器所放出的冷凝热可重新利用于驱动溶液除湿循环,如该热量不足的话,可以使用一些废热及太阳能等作为补充热源,因此整个系统节能效果显着;(4)制冷循环,为了满足制冰室空气的低温需求,采用机械制冷的方式对经气体换热器降温后的低湿空气进一步降温达到设计的要求.在整个制冰循环系统中,空气循环作为其中重要一环,主要担负将制冰室中水的热量转移到空气环境中去,以实现水的冻结,图2是蒸发制冰空气循环I.D图.45l图2蒸发制冷空气循环I.D图Fig.2I-Dschemeofevapor
11、ativefreezingaircirculation空气处理过程:12表示空气在制冰室的绝热加湿过程;23表示制冰室排出的空气经气体热交换器与从除湿器出来空气进行换热后的等湿升温过程;34表示湿空气经过除湿器的去湿过程;45表第6期新型流态冰蒸发制冷循环及制冰量性能分析l3示除湿后的空气经气体热交换器与制冰室排出空气进行换热后的等湿降温过程;51表示空气进入蒸发器的进一步等湿降温过程.在理想状况下,状态点1,空气的干球温度取0,每单位质量(1kg)干空气含湿量取0g,状态点2,空气的干球温度取0,相对湿度为100%.在实际工况下,湿空气经除湿器去湿后单位质量空气的含湿量难以处理到0g这种极值
12、情况,空气含湿量处理的越低,除湿循环的能耗也就越高,整个制冰系统的节能效果就会变差,另外对于水与空气的热湿交换,由于水与空气的接触时间比较短,热湿交换不充分,出口空气最终相对湿度最多能达到90%一95%,很难达到饱和,状态点2的空气经气体热交换器后,等湿升温到状态点3,然后气体经除湿器去湿升温到状态点4.状态点4的空气经气体热交换器等湿降温后到状态点5,由于在热交换器中发生的是显热交换所以状态点23的温差和45的温差相等.最后,状态点5的空气经蒸发器等湿降温到状态点1完成整个空气制冷循环.在12的过程中水与空气发生热质交换,蒸发产生的冷量为Q过程34为湿空气的除湿过程,除湿过程放出的热量为Q.
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