过冷水动态制冰的研究

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1、过冷水动态制冰的研究 曲凯阳江亿 ( 清华大学热能工程系， 北京，1 0 0 0 8 4 ) 摘要 过冷水动态制冰是近几年发展起来的一种新的制冰技术，与传统的静态制冰相比具有 一 。 - 卜 较高的制冰率和能量效率。本文在前文12 1 研究的基础之上，进一步研究了 保证过冷水动态制 冰系统中过冷却器不发生结冰的条件。建立了能够稳定运行的过冷水动态制冰实验装置。水 在过冷却器入口的温度最低为0 . 4 5 C，水在过冷却器中的温度降大约为 1 . 0 C , 关锐词:过冷水动态制冰， 过冷却器， 1 防止结 1 前言 冰蓄冷空调在我国正得到推广使用。 响, 产、 目 前的冰蓄冷空调中普遍采用静态

2、制冰，随着制冰 分 、 一. 一 -一. - . 一 - 量的增加，水与冷媒之间的热阻逐渐增大，制冰率因而减小，能量损失增加。过冷水动态制 冰技术是近几年发展起来的 一种新的制冰技术。 日 本从八十年代末开始研究过冷水动态制冰，目 前己尝试在实际工程中使用。水在过冷 却器入口为 0 . 5 C ，在过冷却器出口 为一 2 .0 0C 1 1 。 在我国尚 没有成功实现过冷水动态制冰的报 道。本文拟在前文阴 研究的 基础上，进一步对保证过冷却器内不发生结冰的关键因素进行研 究，并在实验室实现过冷水动态制冰。 2 保证过冷却.内 不发生结冰的关键因紊分析 在文献 2 l 中， 作者研究了 水直流通

3、过 过冷却器时， 过冷却器内 结 冰发生的 规律。 研究表 明，当且仅当过冷却器内与水接触的表面的最低温度高于该表面的最低不结冰温度时，过冷 却器内不会发生结冰。本文建立了实验装置，对水循环流过过冷却器的 情况下，影响过冷却 器内发生结冰的因素 进行研究。 2 . 1 实验装盆 图 1为实验装里总体系统示意图。制冷机与加热器协调工作向分液箱提供温度恒定的二 次冷媒，二次冷媒由分液箱进入实验装置本体部分，然后返回集液箱。F L U K E仪每 1秒钟 侧量一次实验装置本体部分中热电偶的热电势并传送至计算机，计算机将热电势转化为温度 值显示并储存起来。 图 2是实验装置本体部分系统示意图。 图中

4、虚线杆箭头指示水的 流动方向。 在水泵的作 用下， 水在系统中循环流动。水在过冷却器中被二 次冷媒冷却，进入蓄冰糟，然后由蓄冰槽 再次进入过冷却器。过冷却器出口以 及蓄冰槽均与 大气相通。调节阀用来调节水的流速，集 气箱用来防止空气随水进入过冷却器。 过冷却器是一个套管式换热器。水在内 管中 流动，二次冷媒在外管中流动， 两者流动方 向 相反。图2中实线杆箭头指示出了二次冷媒的流动方向。过冷却器内 管用 1 8 % C r 8 % N i 不 锈钢制作，内径 9 m m ， 外径 l O m m ，长度 9 0 0 m m,内壁绝对粗横度小于 g u m 。外管用普通 碳钢制作，内 径2 4

5、m m ，长 度7 5 0 m m a 在过冷却器水的入口 处、出口处以 及二次冷媒入口处分别布置T型热电 偶 ( C u - C u N i ) o 为了不破坏过冷却器中与水接触的表面， 过冷却器内管内壁面上没有布里热电偶。 过冷却器 内 管外壁面上在二次冷媒进出外管的位置附 近分别布置热电偶，由该热电偶 侧得的外壁面温 度值可以 推算相应位置的内壁面温度值。 6 0 4 水在过冷却器入口处的压力由U型管压力计测量。 实验用水电 阻率0 . S Mo c m 。 2 .2 实验结果 实验开始时， 先将二次冷媒与过冷却器之间的阀门关闭。 开启制冷机和加热器。待集液 箱和分 液箱中二次冷媒的温度

6、稳定在预定温度后，开启实验装置本体部分中的水泵，使水循 下1|J 环起来。待水循环稳定后，开启二次冷 媒与过冷却器之间的阀门，让 二次冷媒 进入过冷却器。实验中水的流速保持在 0 刀 5 功 j s o 2 . 2 .1 实验结果一及分析 为了考察过冷却器本身对其内 流动 的过冷水结冰的影响，进行以下实验。 1 、 按文献21中的 方法， 测得过冷 却器内 管内 壁面的最低不结冰温度为一 5 . 4 。 2 、不加其它干扰，使系统中水的 温度由于其在过冷却器被冷却而持续下 降。实验表明，只要过冷却器水出口处 内管内 壁面的温度保持在该表面的最低 不结冰温度 ( 一乐 4 )以上，过冷却 器内总

7、不会发生结冰。过冷却器出口 水 温总可以降至某一平衡温度，这时，水 之丫 4七 二一 二二己 - 1 ，钊冷机2 、加热舒 3 、分液箱 4 、集液箱5 、实 验装t本体部分 6 、 冰点 7 、效招采集仪 8 、 计算机 图1 实毅装t总体系统示愈圈 图2分析影晌过冷却县发生结冰的因众用实脸狡，本体娜分示盆圈 在过冷却器中获得的冷t与 其从环境中以及水泵中获得的热量相平衡，水温不再下降。过冷 却器出口水沮最低可降至一3 2 。 2 . 2 . 2 实验结果二及分析 为了考察冰晶进入过冷却器对过冷却器内结冰的影响。进行如下实验。 保持过冷却器水 出口处内管内壁面的 温度在该表面的最低不结冰温度

8、 一 5 .4 )以 上，当 过冷却器入口 水温 下降至 某一温度值时，用注射器在过冷却器入口 注入冰水混合 物。实验结果如下: 当 过冷却器入口 水温高于 1 2 时，注入的冰水混合物有时能诱发过冷却器内发生结冰 ，有时不能诱发过冷却器发生结冰:当过冷却器入口 水温低于 1 2 时，大部分情况下， 注 入的冰水混合物总会诱发过冷却器内发生结冰，反应时间呈随机分布。结冰发生时，布t在 过冷却器内管外壁面上的热电偶首先测量到温度的升高，随后，过冷却器入口水的压力上升 上述实脸结果表明，为了 保证过冷却器内 不发生结冰，必须没有冰晶进入过冷却器。上 述实验结果可以 如下解释: 在过冷却器内水流动的

9、截面上，靠近管壁的区域水的 温度低于 0 ， 处于过冷状态。 靠 近管子芯部的区 域水的温度高于 0 ， 冰晶进入过冷却器之后，随机地进入某一区域。 如果 冰晶进入过冷区域， 则诱发过冷水结冰。上述实验结果表明，当 过冷却器入口 水沮低于1 2 时，注入的冰水棍合物中的冰晶难以被融化，随水在系统中循环流动，多次经过过冷却器， 6 0 5 进入过冷却器中过冷区的 概率极大，因而多数情况下能够诱发过冷却器内发生结冰。当过冷 却器入口水温高于 1 2 时， 注入的冰水混合物中的冰晶在随水流动较长时间后，能够被融 化。但如果在被融化之前，冰晶进入过冷却器中的过冷水中。则能够诱发过冷却器发生结冰 2 .

10、 2 3 实脸结果三及分析 在过冷水动态制冰系统中，进入过冷却器的冰晶是从冰槽中随水流出的。为了考察实际 系统中从冰槽中流出的冰晶对过冷却器内结冰的影响， 进行如下实验。保持过冷却器水出口 处内 管内 壁面的 温度在该表面的最低不结冰温度 ( 一5 河 )以 上，当 过冷却器出口 水温下降 至某一 温度值时，在冰槽出口 处注入冰水混合物。 实验结果及分析如下: 1 、当 过冷却器入口 处水 温高于 1 . 2 时，注入冰水混合物总不能诱发过冷却器内发生结 冰:当过冷却器入口 处水温低于1 .2 但高于0 时， 注入冰水混合物之后，大部分情况下过 冷却器内都发生结冰。 考虑 2 . 2. 2节的

11、 实验 结果， 上述实验结果表明， 当 过冷 却器前水沮较高 时， 从冰槽中 流 出的一定量的冰晶可能在进入过冷却器之前被水融化， 但若欲在较低的过冷却器进口 沮度下 完全消除水中的 微小冰晶， 应在过冷却器之前加入专门的 微小冰晶 消除器。 2 、当 过冷却器入口 处水温低于0 时. 注入冰水混合物后， 过冷却器入口 水的压力立即 迅速下降，随后布!在过冷却器内 管外壁面布置的热电偏侧t到温度的突然升高， 然后过冷 却器入口 压力又逐渐升高。 上述实验结果可解释如下。当过冷却器入口 水温低于 0 时， 冰槽出口 到过冷却器入口 一段管路中以 及过冷却器中的水均处于过冷状态。注入冰水混合物后，

12、 冰水混合物中的冰晶 首先诱发冰槽出口到过冷却器入口 这一管路中的过冷水发生结冰， 大量冰晶在短时间内 迅速 产生，系统中水的流动阻力增大， 水的流量减小，因而，过冷却器前水的压力迅速减小。然 后，过冷却器之前管路中产生的大量冰晶进入过冷却器，从而诱发过冷却器中的过冷水发生 结冰。 这时，布t在过冷却器内管外壁面的热电偶的温度突然升高，同时大里冰晶在过冷却 器中产生使过冷却器内水的 流动阻力， 过冷却器入口处水的压力逐渐升离。 因而，为了 保证过冷却器内不发生结冰，冰槽出口处的水必须完全消除过冷状态，否则 ，由冰槽内 流出的任何徽小冰晶会导致大里冰晶在过冷却器之前的管路中产生，将难以 在进 入

13、过冷却器之前完全消除。 2 .3 保证过冷水动态制冰系统稳定运行的关健因紊 综合文献2中以 及本 文以 上实验结果， 为了 保证过冷 却器中 流 动的 水不发生冻结， 应该 满足以下条件: ( 1) 过冷却器中与水接触的表面的最低温度应不低于该表面的 最低不结冰温度。 ( 2) 在过冷却器之前完全消除水中从冰植中 携带出 来的冰晶。 若欲在较低的 过冷却器进 口 沮度下完全消除水中的微小冰晶，应在过冷却器之前加入的徽小 冰晶消除器。 (3) 在冰槽中完全消除水的过冷状态。 3 过冷水动态制冰的实现 3 .1 实验装， 本文在以上研究的基础之上建立了 过冷水动态制冰实脸装t。 实脸装盆总体系统一

14、如图1 所示， 其本体部分系统如图3 所示， 其与图2 所示系统的不同仅仅在于在冰拍中 安装了一层3 00 6 0 6 目不锈钢滤网，在过冷却器之前安装 了微小冰晶消除器。 与第 2节相同，实验中仍通过侧 量和控制过冷却器内管外壁面的温度 来保证过冷却器内管内壁面的最低温 度不低于该表面的 最低不结冰温度。 冰槽中的滤网将大部分冰晶过滤 存留在冰槽中，透过滤网的微小冰晶 字 龙 2 于 水泵 2调节阀 3 徽小冰晶消除落 4 集气箱 5 过冷却器 6 冰抽 认 沁网 图中T指示侧温热电偶的位!， P 指示U型管压力 计侧t压力的位t 图3 过冷水动态叙冰实脸装t本体部分系统示意图 将在进入过冷

15、却器之前被微小冰晶消除器完全消除。微小冰晶消 除器己申请国家发明专利，其结构原理将另文介绍。 为了 充分消除水的过冷状态， 过冷水流出过冷却器后， 直接 冲刷在在冰槽中的冰块之上，与冰块充分接触，从而完全消除其 过冷状态。 3 2 实验结果与讨论 本实验装置的操作与图2 所示的实验装置基本相同。当过冷 却器出口 水温降至 0 时， 将一小冰块放置在冰槽中的滋网上， 让 过冷却器中流出的水正好冲刷在冰块上。与此同时，启动微小 图4 实脸中长 成的大冰块 冰晶 消 除器 。 滤 网上 的 冰块开 始长 大。 图4是 某8 表 1过冷水动态制冰装!运行参数值 序号 怂速麦 岔 4 昙 “ 洲1州1翎一介 侧1撒1-0161介 一 60 ) 一 8 8 一 56 7 J;n弓 连 卜一 一二卜一一一于亡一 1， we ， . 油 . . 阳 曰 . 口 口 . . . ， 一次实验中 长成的大冰块的 照片。 图 5是过冷水动态制冰实验装置某次运行的 温度变化曲线。 表 1 列出了几次实验中 各种参数的值。 表 工中的温度值是冰槽中开始产生冰晶之后 QI 02 03 040 t 面 me ln l i n 从上到下分副代表水的进口 沮度、水的出口 温度、 冷姚出口处内管外壁面沮度、冷建进口处内管外壁 面沮 度和