（制冷及低温工程专业论文）二元冰真空制备技术研究.pdf

摘要 二元冰是指某类( 如乙二醇) 水溶液和冰晶粒子的混合物，为呈泥浆状的悬浮液， 通常也称为冰浆，其流动性很好，能够用泵输送。在制冰过程中，传热系数大，传热 温差小。与其它介质相比，二元冰冷却速度快、冷却效果好( 二元冰的单位质量所含 冷量是冷冻水的4 6 倍且其冷却温度更低) ，如将其用于食品冷却领域，由于其组织 柔软，不会损坏产品的组织。如将二元冰应用于蓄冷空调领域，可以实现空调系统低 温送风，并且设备安装灵活，能很好地适应空调负荷的变化。另外，二元冰还可广泛 应用于城市集中供冷、食品工程、污水处理、化学工业、冶金工业、医学、运输工程 等领域。 目前运用和正在研究的二元冰制备方式主要有刮削制备法、过冷水连续制备法、 直接接触式制备法、真空制备法、下降膜式制备法，流化床制备法。其中二元冰真空 制备法具有热效率高，结构简单，操作方便，以及制备过程中采取一定措施可以不采 用c f c 或h c f c 制冷剂等优点，是一种很有前途的二元冰制备方式。 本文对真空环境的特性，包括热分子压力效应，气体分子密度的涨落，稀薄气体 传输现象的特点等进行了由浅入深的理论分析，探讨了物质在低压下的传热和传质特 性。通过对单个液滴的闪蒸现象的研究，建立了二元冰真空制各过程的数学模型。通 过对模型的分析，用以估计不同大小的水滴的蒸发过程，以及真空闪蒸装置内二元冰 的形成过程，了解下降终了时结冰率与那些因素有关，探讨通过在真空闪蒸装置内喷 射水溶液制取冰浆的过程。 通过将真空技术与二元冰制取技术相结合，研制了= 元冰真空制备装置，进一步 提升了二元冰制备技术的科技含量。 通过实验测试了真空闪蒸装置内压力、系统供水流量、捕水冷盘管蒸发温度、添 加剂等对二元冰真空制备的影响。并通过图表及数值计算软件m a t l a b 对实验结果进行 了分析和总结，得到相应的结论，为工程实际应用提供了科学依据。 关键词：二元冰，冰浆，真空，传热，传质 作者：葛轶群( 制冷与低温工程研究生) 导师：章学来教授 a b s t r a c t t h eb i n a r yi c ei sr e f e r st o ( e g g l y c 0 1 ) t h em i x t u r eo fw a t e r - s o l u b l ef l u i da n dt h e i c ec r y s t a l ，i ti st h em u d d ys u s p e n d i n gl i q u i d ，a n du s u a l l yi sc a l l e dt h ei c es l u r r y , i t s f l u i d i t yi sv e r yg o o d ，a n dc a nb et r a n s p o r t e db yt h ep u m p i nt h ei c em a k i n gp r o c e s s ， t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti sh i g h ，w h i l et h eh e a tt r a n s f e rt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei s l o w c o m p a r e sw i t ho t h e rm e d i u m ，t h ec o o l i n gr a t eo fb i n a r yi c ei sq u i c k ，a n dt h e c o o l i n ge f f e c ti sg o o d ( u n i tm a s sb i n a r yi c ec o n t a i n s4 - 6t i m e so fc o l de n e r g yt h a n t h a to fc o o l e dw a t e ra n di t sc o o l i n gt e m p e r a t u r ei sl o w e r ) i fw eu s ei ti nf o o dc o o l i n g d o m a i n ，i td o e sn o td a m a g et h ep r o d u c tb e c a u s ei t so r g a n i z a t i o ni ss o f t ，a n di fw e a p p l yt h eb i n a r yi c ei nc o l ds t o r a g ea i rc o n d i t i o n i n gd o m a i n ，i tm a yr e a l i z et h el o w t e m p e r a t u r ea i rs u p p l yo fa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，a n dt h ee q u i p m e n ti n s t a l l a t i o ni s f l e x i b l ea n dc a na d a p tt ot h ea i rc o n d i t i o n i n gl o a dc h a n g ew e l l m o r e o v e r , t h eb i n a r y i c ec a na l s ob ew i d e l yu s e di nt h ed o m a i no fc i t yc e n t r a l i z e dc o o l i n g f o o d e n g i n e e r i n g ，s e w a g ed i s p o s a l ，c h e m i c a li n d u s t r y , m e t a l l u r g i c a li n d u s t r y , m e d i c i n e ， t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n ge t c a tp r e s e n t ，t h eb i n a r yi c em a k i n gm e t h o d st h a ta r ea p p l i e do rs t u d i e da r ea s f o l l o w s ：s c r a p e rt y p e ，d i r e c tc o n t a c tt y p e ，v a c u u mt y p e ，f a l l i n gf i j mt y p e ，f l u i d i z e d b e dt y p e i nw h i c ht h ev a c u u mt y p ei sh i g hi ne f f i c i e n c y , s i m p l ei ns t r u c t u r e ，e a s yi n o p e r a t i o n ，a n dt h ec f co rh c f cr e f r i g e r a n tm a yn o tb eu s e di nt h eb i n a r yi c e p r e p a r a t i o np r o c e s si fc e r t a i nm e a s u r e sa r et a k e n ，s oi t i so n eo ft h eb i n a r yi c e p r e p a r a t i o nm e t h o dt h a th a sb l o o m f u t u r e i nt h i sa r t i c l e ，t h ev a c u u me n v i r o n m e n tc h a r a c t e r i s t i c ，i n c l u d i n gt h eh o t m o l e c u l a rp r e s s u r ee f f e c t 。t h eg a sm o l e c u l a rd e n s i t yf l u c t u a t i o n ，t h er a r e f i e dg a s t r a n s m i s s i o np h e n o m e n o nc h a r a c t e r i s t i ca n ds oo nh a sc a r r i e do nf r o mt h es h a l l o w t ot h ed e e pt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a n dt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i co f m a t e r i a lu n d e rl o wp r e s s u r eh a sb e e nd i s c u s s e d t h r o u g ht h er e s e a r c ho ns i n g l e b u b b l ef l a s he v a p o r a t i o np h e n o m e n o n ，t h eb i n a r yi c ev a c u u mp r e p a r a t i o np r o c e s s m a t h e m a t i c a lm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h r o u g ht h em o d e la n a l y s i s 。t h ef l a s h e v a p o r a t i o np r o c e s so fd i f f e r e n ts i z eb u b b l e sa sw e l la sh eb i n a r yi c ef o r m i n g p r o c e s s ；nv a c u u mf l a s hv e s s e ii se s t i m a t e d 。a n dt h i sm o d e lc a na l s oh e l pu s u n d e r s t a n dt h ef a c t o r sr e l a t e dt oi f o r m a t i o nr a t ea n dd i s c u s st h ei c es l u r r y m a k i n gp r o c e s st h r o u g ht h ei n j e c t i o nw a t e rs o l u t i o ns y s t e mt a k e si nt h ev a c u u m f l a s hv e s s e l t h r o u g hc o m b i n et h ev a c u u mt e c h n o l o g ya n dt h eb i n a r y i c em a k i n g t e c h n o l o g yt o g e t h er ，t h i sa r t i c l eh a sd e v e l o p e dt h eb i n a r yi c ev a c u u mp r e p a r a t i o n d e v i c e ，a n dh a sp r o m o t e dt h eb i n a r yi c em a k i n gt e c h n o l o g y t e s tt h ei n f l u e n c eo ff a c t o r so nt h eb i n a r yi c ev a c u u mp r e p a r a t i o n t h ef a c t o r s o fw h i c ha r ea sf o i l o w s ：i n t e m a lp r e s s u r eo fv a c u u mf l a s hv a 【p o r i z a t i o nv e s s e l ， w a t e rs u p p l yf l o w r a t e ，a n dv a p o r i z a t i o nt e m p e r a t u r eo fv a p o rc o n d e n s e r , a d d i t i v e a n ds oo n a n dh a sc a r d e do nt h ea n a l y s i sa n dt h es u m m a r yo ft h ee x p e r i m e n t a l r e s u rt h r o u g ht h eg r a p h sa n dv a l u ec o m p u t a t i o ns o f t w a r em a t l a b ，a f t e rt h a t ，o b t a i n t h ec o r r e s p o n d i n gc o n c l u s i o nt h a tc a np r o v i d et h es c i e n t i f i cb a s i sf o rt h ep r o j e c t a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ： b i n a r yi c e ，i c es l u r r y , v a c u u m ，t h e r m a lc o n d u c t i o n ，m a s s c o n d u c t i o n a u t h o r ：g ey i q u n ( r e f r i g e r a t i o n & c r y o g e n i c se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gx u e l a i 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或者其他机构 已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献 均已在论文中作了明确的声明并表示了感谢。 作者签名：圣毯叠日期：鎏z ：f ：! ) 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布 论文的全部和部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 上海海事大学工学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 二元冰概述【1 , 4 2 4 3 4 4 ，蝇聃，镌5 0 l 二元冰是指某类( 如乙二醇) 水溶液和冰晶粒子的混合物，是呈泥浆状的悬浮液， 其流动性很好，能够被泵送，通常也称为“冰浆”。由于二元冰内含有冰晶颗粒，所 以在冰晶融解时将吸收大量的融解热( 冰的融解热约为3 3 5 u 他) ，提高了流体的单 位体积热容量。同时，有研究表明在一定的含冰率( i c ep a c i n gf a c t o r ) 下，二元冰 能在某种程度上起到减阻剂的效果，其在单位长度管路中的阻力损失比水更小，从而 减少水泵的电耗。因而二元冰是一种具有相当前途的供冷介质。 近些年来，二元冰( 或称为冰浆，i c es l u r r y ) 的制作研究与应用越来越引起制冰界 的注重。二元冰通常是由直径为5 0 1 0 0 u m 的冰晶颗粒与水构成的混合物，它的优点 是流动性好，可用泵进行输送，由于在制冰过程中固体传热面上无冰层产生，实现完 全流动换热，因此制冰过程传热系数大，传热温差小，系统的c o p 提高较明显。 由于二元冰冰晶颗粒很小，因此可以达到很高的冰表面积，若用二元冰进行冰蓄 冷，无疑可使冰蓄冷技术更为经济有效，不但能够实现制冰热力效率高，而且还可以 实现较小的融冰温差和很高的融冰速率。二元冰除适合于冰蓄冷空调外，还可以使许 多化工或其它行业里略高于o 的用冷场合也能够实现大规模冰蓄冷。 目前，二元冰技术己应用于区域供冷及建筑物空调，工业冷却和食品冷藏等领域， 潜在的应用包括消防灭火、矿井冷却及人体器官的映速冷却。w 卸岛mj 通过实例分 析了冰浆在大型建筑物空调方面的应用，指出系统运行费用只有吸收式方式的狮， 蓄能密度可达到4 6 5k w l 炯i 可以转移约5 0 的峰值电负荷。 1 2 二元冰制备方法简介【2 5 ，5 1 1 目前国内外制取二元冰的方法大致可以归纳为以下五种： ( i ) 刮削制备法 采用海水( 或淡水中添加少量盐或乙二醇) 制取，制冰主要部件是一冰筒( 蒸发 器) ，冰简设计成内外套筒结构，制冷工质在内简和外筒之间蒸发。在内筒中装有快 速旋转的机械刮板，由独立电机驱动，刮板紧贴内壁转动以避免冰晶颗粒冻结在筒壁 上，海水由内筒下方进入，制成的二元冰由上方流出，由于机械刮板的作用，蒸发器 内筒壁有较高的换热系数，但需要消耗额外动力。二元冰的含冰量通常在3 0 6 0 ，可根据盐水浓度和蒸发温度进行变化。 上海海事大学工学硕士学位论文 该制冰方法不能用淡水制冰，因为淡水极易冻结在筒内壁上，工艺上对制冰筒内 筒非椭圆度、光洁度、所用不锈钢材料以及机械刮板装置的安装精度都有较高的要求， 使得冰筒成本较高。该制冰方法用于空调冰蓄冷时有两方面不够理想：一是蒸发器内 简直径不宜过大，内径过大一方面使得机械刮板扭矩增大，另一方面蒸发面积没有蒸 发器体积增加得快，造成结构上的不合理性，因此该制冰方法不适合制作大功率机组。 目前在大规模制冰情况下，也有采用多个蒸发器( 制冰筒) 并联运行的方式，采用联合 传动装置同时驱动多个冰筒刮板，但不可避免地增加了系统的复杂性和降低了运行的 可靠性；二是制冰过程中，由于所析出的冰晶成分主要为淡水，因此随着冰晶颗粒的 析出和蓄冰，海水中含盐浓度不断增加，析冰温度将随之降低，对制冰热力效率产生 影响。图卜1 为刮削式制冰法示意图。 水溶：i 夜进 制冷剂出 制冷剂进冰浆出 刮削器 图1 - 1 刮削式制冰法示意图 ( 2 ) 过冷水连续制备法 水或水溶液被冷却，其温度低于凝固点时还保持液态，这种状态称作水或水溶液 的过冷，它是一种亚稳定状态，过冷水受到扰动后处于过冷状态的水将结冰。过冷水 连续制冰是利用此原理发展起来的一种制冰方式。将水控制在非常稳定的流动状态下 对其降温，使之达到过冷状态而不让其结冰，目前技术可达一3 左右。然后通过过冷 解除装置，如让流动的过冷水撞击固体表面，突然增加其扰动，破坏过冷状态，使之 析出冰晶颗粒，图1 - 2 为过冷水连续制冰法示意图。过冷水连续制冰制出的冰通常为 泥状冰，是一种冰水混合物，其中的冰晶呈细小的片状或针状。日本的研究人员对该 种制冰方法做了大量研究，目前处于该项技术的领先地位。但过冷水连续制冰尚未广 泛推广到实际应用，还不能够与传统的静态制冰技术相竞争，其主要缺陷在于过冷器 内结冰发生过于频繁，频繁的融冰动作使得系统的可靠性和效率下降。另外，水的过 冷度较低也限制了制冰速率的提高。如何增大过冷水的过冷度并保持其稳定性是目前 2 上海海事大学工学硕士学位论文 研究的方向。 制冷剂出 黼茸艨出 i 图1 2 过冷水连续制冰法示意图 ( 3 ) 直接接触式制备法 直接接触式制冰法原理如图l 一3 所示。系统中载冷剂通过换热器获得制冷系统冷 量后，温度降至一l o 左右，经喷嘴喷入制冰罐溶液中，溶液获得冷量后温度降低， 系统中必须使用特殊溶液，以保证溶液形成二元冰后，载冷剂能从冰浆中析出，使载 冷剂回到换热器，为制冰罐循环地提供冷量，从而进行连续动态制冰。 当制冰罐中的二元冰达到一定浓度和质量后由重力作用进入储冰罐，储冰罐中的 二元冰通过泵输送到用户端，为其提供冷量。释放冷量后二元冰变成液体后返回储冰 罐，当储冰罐中二元冰的含冰率低于设定要求时，液体被泵抽回制冰罐中，被重新用 于制取二元冰，制冷循环、制冰循环和融冰循环组成了一个动态制冰的蓄冷设备。 1 压缩冷凝机组2 板式换热器3 制冰罐4 储冰罐5 用 户终端6 含冰率( 口f ) 测量仪7 泵8 流量计9 搅拌器 图1 - 3 直接接触式制冰法原理图 上海海事大学工学硕士学位论文 ( 4 ) 下降膜式制备法 下降膜式二元冰制备是在普通垂直满液式壳管式换热器内进行的，如图卜4 所 示。其内部的下降膜是由旋转杆在下降的过冷溶液上运动所形成的，为了防止形成的 固态冰粘接在管道的内表面上，可通过该旋转杆搅动溶液，并使溶液变为微小的二元 冰晶，汇集于槽的底部。通过单独调节吸入压力或溶液的流量或同时调节两者，完成 对含冰率及容量的控制。 一一糙 加一 图1 - 5 流化床制冰法示意图 4 上海海事大学工学硕士学位论文 上述几种制备方式都存在不少缺点，体现在上述方式由于其制冰过程的特殊性， 需要设计特殊的蒸发器。例如，过冷水制冰法对蒸发温度的控制要求非常精确，技术 难度甚高，而且经过过冷器一次冷却后的口f 为2 ，故达到一定的i p f ，水泵的能 耗较高，而且过冷器内结冰发生过于频繁，必要的融冰措施降低了系统的可靠性和能 效。直接接触式制冰要求相接触的两种介质不互相溶解，因此制冷剂的选择范围较窄， 且运行一段时间后存在性能衰减问题。刮削式制冰必须配置有外部电机驱动的旋转叶 片，其结构及制造工艺复杂，能耗大，故障率高。流化床制冰法系统运行时必须控制 水在壁面的温度和流速，以及冰晶的尺寸，同时需要防止换热管发生冰堵，要同时达 到这些控制要求，实现起来较为困难。 1 3 二元冰真空制备技术的原理 水的饱和温度随其压力的改变而改变，在常压( 1 0 1 3 2 5 k p a ) 下，水的沸点为1 0 0 ，如果压力降低至0 6 1 k p a ，水的沸点将降至o c ，此时水的固、液、气三相共存， 若平衡被破坏，三相会自动趋于一相或两相。二元冰真空制备就是利用水的三相点原 理，采取措施维持真空，使水在低压状态下闪蒸，从而产生制冷效应。因水的凝固热 为3 3 5 k j k g ，远小于蒸发潜热( o 时约2 5 0 0 u 瓜9 1 6 】) ，所以其结果为水的一小部分闪蒸 吸热，而使另外大部分凝固成冰。 1 4 二元冰真空制备技术的优势 相对于现有制冰方式，二元冰真空制备具有如下优势： ( 1 ) 热效率高。传统制冰方式存在冰层热阻问题，而二元冰的真空制备是依据 水的三相点原理，实现水的蒸发与结冰的同时进行，蒸发潜热与凝固潜热直接交换， 热效率高。 ( 2 ) 结构简单，操作方便。这一点在下文对二元冰真空制备的原理的论述中可 以得到体现。 ( 3 ) 二元冰真空制备过程中供水一般采用喷雾方式，故换热迅速而充分，由于 喷嘴出口处水的流速很高，不易发生冰堵。 因此，国内外普遍认为，二元冰真空制备是一项很有前途的制冰技术。然而二元 冰真空制备过程的传热传质直接影响其经济性、可靠性，尽管国内外对二元冰真空制 备已进行过一些研究，但与其它型式的二元冰制备相比，二元冰真空制备研究相对较 少，特别是国内的研究主要停留在理论方面，至今还未见相关人员研制出实际的二元 5 上海海事大学工学硕士学位论文 冰真空制备装置。因此为促进二元冰制备技术在我国的应用，有必要建立一套实际的 二元冰真空制备装置，并开展二元冰真空制备技术及其传热传质的研究。 1 4 二元冰真空制备设备简介 二元冰真空制备设备由以下四部分构成：供水装置、真空闪蒸装置、真空维持装 置、冰浆存储装置，各装置连接示意图见图l - 6 。 图l 石二元冰真空制备设备各装置连接示意图 图l _ 6 中的核心部分为真空闪蒸装置，在此装置中，细小水滴在真空环境下闪蒸 结冰。真空闪蒸装置内的细小水滴由供水装置供给，供水装置采用高扬程水泵和喷嘴 相结合的方式，从而使喷入真空闪蒸装置内的水滴直径较小，利于换热。真空闪蒸装 置的真空度由真空维持装置保证，典型的真空维持装置有以下几种：水蒸气压缩式真 空维持装置( 采用水蒸气压缩机将真空闪蒸装置内产生的水蒸气经压缩排出) i 吸收 式真空维持装置( 利用溴化锂、氢氧化钠溶液等将水蒸气吸收) ；气相凝结真空维持 装置( 采用低温金属表面等使水蒸气凝结) 。上述真空维持装置中，为了去除进入真 空闪蒸装置内的少量不凝气体，可增设小功率的真空泵。真空闪蒸装置产生的二元冰 通过冰浆泵输送至冰浆存储装置，以供给用户使用。 1 5 二元冰真空制备技术的研究综述【7 ，9 ，1 0 1 1 , 1 3 1 4 强3 9 ，4 0 , 4 1 】 在国内，浙江大学的陈光明教授对真空环境下二元冰晶形成过程进行了理论分 析，初步建立了闪蒸器内冰晶形成过程的数学模型，推导出了水滴形成冰晶过程的运 动方程、能量平衡方程、质量变化方程。分析了初始速度、周围蒸汽压、水滴大小等 因素对结冰率的影响。研究表明，随着闪蒸器内水蒸汽压力的降低及水滴初速度的加 快，水滴在下降一定高度后的结冰率增加；水滴的初始外形尺寸对传热传质过程影响 6 上海海事大学工学硕士学位论文 显著。随着水滴初始尺寸的减小，在下降一定高度后的结冰率迅速增加。 浙江大学的张绍志等对通过对闪蒸器内冰晶形成过程的数学模型中的各方程进 行无因次化，将其简化为可直接求解的方程或非线性常微分方程，为对此过程的定量 分析提供了一定的依据。 西安交通大学的刘伟民等研究了在低压环境( p f f i 2 0 0 8 0 0 p a ) 的工况范围内， 在闪蒸结冰过程中液滴温度的变化与环境压力之间的关系，通过实验观察了液体闪蒸 过程的五种情况，解释了液滴闪蒸结冰过程中，液滴内不同位置点的温度的变化机理， 并绘制出了直径1 6 5 r a m 的液滴在距离中心点不同距离上的温度随时间的变化曲线。 在国外，韩国理工学院热流控制中心的h t s h i n 等研究了水喷射蒸发的真空制冰， 探讨了真空制冰的理论基础。通过对单个液滴的蒸发现象，用受扩散过程控制的蒸发 模型和闪蒸器内冰晶形成过程的数学模型进行分析，推导出了一系列公式，用以估计 不同大小的液滴的蒸发过程，以及闪蒸器内二元冰的形成过程。研究了双喷嘴与单喷 嘴的s m d 分布( s m d 定义为喷束中液滴的平均直径，即液滴的体积与表面积之比) 。 p a u lj 提出了充分利用水制冷蓄冷系统优点的方案。 i s a os a t o h 等研究了不同温度和大小的纯净水水滴从开始置于7 0 1 0 0 p a 的低压 下，到完全结成冰的全过程。经观察，在测试单元内的蒸发冷冻可以分为以下四种情 况：( 1 ) 稳态蒸发冷冻，1 2 ) 泡沫化蒸发冷冻，( 3 ) 气泡破裂蒸发冷冻，( 4 ) 闪蒸蒸 发冷冻，i s a os a t o h 等又进一步对这四种情况进行了较为详细的分析，并发现在特定 情况下，蒸发冷冻过程中泡沫化会和水滴的结冰同时进行，水滴内部的泡沫化能够加 快水滴的冷却速率并降低水滴结冰的过冷度。 另外，真空冷冻法海水淡化技术的进展，也为二元冰真空制备的研究提供了一定 的参考。真空冷冻法海水淡化是利用海水的三相点原理，以水自身为制冷剂，使海水 同时蒸发与结冰，冰晶再经分离、洗涤而得到淡化水的种低成本的淡化方法。其冷 冻过程与二元冰真空制备有不少相似之处。 相关研究人员在2 0 世纪6 0 年代就已经对此技术展开了研究，其中，1 9 7 0 年f r a s e r 等提出了真空冷冻蒸汽压缩法，1 9 7 2 年k o r e t c h o 等提出了真空冷冻喷射吸收法，1 9 7 5 年a jb a r c l u h n 通过分析得出，真空冷冻法是一种较为理性的海水淡化方法，1 9 8 2 年c y c h e n g 等提出了真空冷冻高压融化冰晶法，1 9 8 7 年c y c h e n g 等提出了真空冷冻多相转 变法。1 9 9 6 年，华东理工大学的徐立冲等提出了真空冷冻一汽相冷凝海水淡化技术。 上面真空冷冻海水淡化技术中，真空冷冻蒸汽压缩法和真空冷冻喷射吸收法已有 实际工程应用。其中，真空冷冻蒸汽压缩法是利用水蒸汽压缩机将海水闪蒸出的水蒸 汽进行压缩。压缩后的水蒸汽进入冷却装置被冷却成水，但由于水气化成水蒸汽后， 体积增大很多倍，若将这些气体及时抽走，对压缩机的功率和材质要求很高；真空冷 7 上海海事大学工学硕士学位论文 冻喷射吸收法是利用n a o h 溶液或l i b r 溶液等来吸收部分水蒸汽，溶液吸收一定量的 水蒸汽后其浓度会减小，吸收能力下降，对此可以通过对n a o h 溶液或u b r 溶液的再 生，使其不断循环，能够连续吸收闪蒸出的水蒸汽。 1 6 本文的主要工作 综上所述，二元冰具有蓄能密度高、单位冷量输送成本低、放冷速度快等优点， 在国外，尤其是欧洲和日本，二元冰不但被应用于商业空调领域，而且正逐渐向工业、 医学、食品冷藏加工、消防及管道清洗等领域拓展，并取得了一定的成果，但现有二 元冰制备方式存在许多不足，本课题所研究的真空式二元冰制备方式能够克服上述方 式的某些不足之处，可以实现较高的结冰率，不存在性能衰减问题，运动部件少，并 能实现喷射液的蒸发与结冰的同时进行，蒸发潜热与凝固潜热直接交换，热效率高， 能耗低。通过本课题的研究，一方面能够为开发高效的二元冰真空制备装置建立必要 的技术基础，另一方面，能够更深入了解二元冰真空制备过程中的传热传质机理及特 征。 本文的工作主要包括以下几个方面： 1 研究真空条件下固一液、气一液相变传热问题，研究真空环境下二元冰的生成机 理及规律。 2 建立真空条件下二元冰制备相变传热的数理模型；研究各个特征参数及其影响 因素：对喷射液喷射规律进行研究。 3 设计一套二元冰真空制备装置，探讨二元冰真空制备装置各部件的匹配和协调 问题。 。 、 4 利用设计的二元冰真空制备装置进行相关实验，测得实验数据，分析讨论各种 因素对二元冰真空制备的影响，并通过实验探讨二元冰真空制备装置的改进措施。 上海海事大学工学硕士学位论文 第二章二元冰真空制备技术的理论研究 2 1 真空环境的特性6 1 7 ，2 1 ，2 3 ，2 6 】 真空的含义是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。人们通常把这种 稀薄的气体状态称为真空。这种特定的真空状态与人类赖以生存的大气状态相比较， 主要有如下几个基本特点： ( 1 ) 真空状态下的气体压强低于一个大气压，因此，处于地球表面上的各种真 空容器，必将受到大气压力的作用，其压强差的大小由容器内外的压差值而定。由于 作用在地球表面上的一个大气压约为1 1 0 5 p a ，因此当容器内压强很小时，容器所承 受的压强可达到一个大气压。在真空度较低( 压力高于l o o p a ) 的情况下，常用真空 度的百分数作为测量单位，它与压强单位的换算关系如下： j ：! ! ! 旦：；旦。1 0 0 ( 2 1 ) l x l 0 。 胪l 1 0 1 1 - 孟) ( 2 - 2 ) 式中p 压强，p a ； j 真空度的百分数 ( 2 ) 真空状态下由于气体稀薄，单位体积内的气体分子数，即气体的分子密度 小于大气压力的气体分子密度。因此，分子之间、分子与其他质点( 如电子、离子等) 之间以及分子与各种表面( 如器壁) 之间相互碰撞次数相对减少，使气体的分子自由 程增大。表2 - l 给出了常温下分子平均自由程与环境压力的关系。 表2 1 常温下分子平均自由程与环境压力的关系 环境压力( p a )平均自由程( t i n )环境压力( p a )平均自由程( c m ) 1 0 56 5 1 0 - 6 1 1 0 - 3 5 1 0 2 1 0 35 1 0 r 41 l o - 65 l o - 5 1 0 25 l f f 31 1 0 - 95 1 0 8 1 l f f i5 1 0 61 1 0 45 1 0 1 3 ( 3 ) 真空状态下由于分子密度的减小，因此作为组成大气组分的氮、氧等气体 9 上海海事大学工学硕士学位论文 含量( 也包括水分的含量) 也将相对减少。真空状态下的气体分子密度可用式2 3 求得 j = 器y = 2 6 - 。”y c z s ， 式中x y 压力下的气体分子密度，个i n 3 ； y 压强，p a 2 1 1 热分子压力效应 在常压下，容器中各点气体的压力总是相同的，当不同地点暂时出现温差时，相 应地点也就出现了密度差。对于稀薄气体，当容器内不同地点出现温度差时，相应的 点就会出现压力差，如图2 - 1 所示。 图2 1 热分子压力效应示意图 设一容器被隔为a 、b 两个部分，隔板上有一通孔o ，将两部分连通起来。假 设容器中两部分充以同一种气体，其压力和温度分别为p a 、t 和p b 、t b 。达到平 衡时通孔。没有明显的气体流动。由于气体分子的热运动，单位时间内通过孔o 从 a 侧移向b 侧的分子数必然等于由b 侧向a 侧移动的分子数。两侧气体达到平衡时 的条件可表示为 n 口 = n 5 国0 式中n 气体分子密度，个m 3 ； 国算术平均速度，m s 根据理想气体状态方程 n ：旦 k t 式中t 玻尔兹曼常数 算术平均速度可表示为 1 0 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 上海海事大学工学硕士学位论文 m ：，陧 ( 2 _ 6 ) 舻、i “咱 式中m 1 个分子的质量 将上述两式代入平衡条件n 吼= n a o 。，则 告：告 ( 2 扪 l l 7 式2 - 7 表明容器中两部分压力与其温度的平方根成正比。通过该表达式可得知： 在真空容器中，若各处温度不同，将会导致压力不同。这就提醒我们，在二元冰真空 制备容器上开设测压点对，应该注意温度的影响。 2 1 2 气体分子密度的涨落 气体分子密度是随时间和地点而改变的，这种变化是在其平均值附近上下波动， 故称涨落现象。分子密度涨落现象对于任何状态下的气体都是存在的，相关研究表明， 分子密度涨落程度与气体的压力和温度有关，对于常压或低真空领域，分子密度涨落 很小，但在高真空领域分子密度涨落显得较为突出。二元冰真空制备属于低真空领域， 气体分子密度的涨落可以忽略。 2 2 稀薄气体传输现象的特点 稀薄气体分子密度小，分子平均自由程大，分子之间的碰撞概率小，分子问的动 量交换和能量交换都与常压气体不同，这便决定了稀薄气体传输现象具有它自己的特 点。 在稀薄气体中会出现扩散现象，但因气体分子问很少碰撞，扩散气体的分子不再 走多次曲折的道路，而是以分子的速度直接射入另一种气体，扩散过程将进行得很快， 扩散系数的大小与分子平均自由程无关，而是取决于分子的运动速度及容器的定型尺 寸。 稀薄气体也可以通过分子的运动传输热量，其机理同常压下大不相同。常压下的 气体是通过气体分子的多次碰撞将热量从高温地点传向低温地点，因而气体中存在着 连续的温度梯度。在稀薄气体中，气体分子碰撞的机会很少，气体分子在同热壁面相 碰而获得能量之后，径直飞向冷壁面，并通过碰撞将一部分能量传给冷壁面。 稀薄气体属于不连续介质，当它同固体壁面间发生相对运动( 气体在管道内流动) 时，气体不紧贴在壁面上，而是以一定的速度沿壁面滑动，称滑移现象。气体同壁面 之间的速度突变造成了摩擦作用，称为“外摩擦”。气体越稀薄则内摩擦力越小，而 上海海事大学工学硕士学位论文 外摩擦在流动阻力中所占的比例越大。这种外摩擦力是因气体分子同壁面的碰撞而产 生的，且同滑移速度和作用面积的大小成正比。 2 3 低压下的传热【6 ，1 5 , 1 6 , 1 7 ，2 1 ，施堋 在低压下气体的对流换热可以忽略。在二元冰真空制备技术中气体的导热、辐射 换热是经常遇到的传热现象。 2 3 1 低压下气体的导热 导热气体中因分子运动而引起的传热过程随气体密度的变化而变化，可以根据克 努森数的大小分为四种类型：自由分子型( k 。 1 0 ) ；过渡型( o 1 k 。 1 0 ) ； 温跳型( o 0 1 k 。 s ) ( 2 3 6 ) ( 2 - 3 7 ) ( 2 3 8 ) 2 5 3 水滴表面的温度变化 在一个无限的空间里，水滴的温度取决于两个因素。一个是由于水滴本身汽化而 引起的潜热损失，另一个是由水滴表面和环境有温差引起的热传递。如果水滴足够小 ( 小于1 0 0 1 a m ) ，就可以忽略水滴中的自然对流作用。当水滴温度低于环境温度时。 从环境的吸热量：4 h a ：名竺釜 ( 2 3 9 a ) a r 汽化引起的散热量= _ i l ，二：4 x a 2 d v h 。! 粤 ( 2 3 9 b ) 式中a 水蒸气的热传导率，w ( m - k ) ： j l 水的蒸发潜热，j k g 上海海事大学工学硕士学位论文 假定在水珠表面形成热平衡，则由式2 - 3 9 a 和式2 3 9 b 可得 d t 。+ d v h 。孥：o ( 瑚) 同时，由式2 - 3 1 和式2 - 3 4 ，水滴表面径向密度减少率可以表示为 丝：坠；一坠二垒! ：一! 丝( 生一生) ( 2 - 4 1 ) d r 4 m 2 d r 4ar 。o o 从扩散方程和热传导方程的相似中，可得到水滴表面径向温度减小率 堡：一坠二生!( 2 - 4 2 ) 将式2 - 4 l 和式2 - 4 2 代入式2 - 4 0 ，得到环境与水滴表面的温差 。一乙= 学皇寺 c 2 从等式“液滴内能的变化= 热传导吸收的热量汽化过程散失的热量”，达到稳定 状态后，液滴的温度变化可以由式2 4 4 表示 珥一志 半陪昝旭。吲卜 c 2 埘， 式中d 乙水滴表面的温度变化量，k ； c p l 水滴的比定压热容，j ( 蚝k ) ； k 水的汽化潜热，j k g ： a 水蒸气的导热系数，w ( m k ) ； d r 时间变化量，s 经过d r 时间后，液滴的表面温度乙可由原温度。与用式2 埘计算所得的珥相 加得到。表面直径珥由式2 - 3 8 得到，名，分别为乙，7 0 时对应的饱和压力， 计算时，认为乙和液滴温度耳相等( 假定当液滴足够小时，液滴中没有温差) 。 2 6 本章小结 1 介绍了真空环境的特性，包括热分子压力效应，气体分子密度的涨落，稀薄 气体传输现象的特点等。 2 分析了物质在低压下的传热和传质特性，低压下的传热主要包括低压下气体 的导热和辐射换热。低压下的传质主要包括相际平衡，相际传质。因二元冰真空制备 上海海事大学工学硕士学位论文 涉及到固一液气三相平衡，故本章对此做了较为详细的分析。 3 通过对单个水滴的闪蒸现象的研究，建立了二元冰真空制备过程的数学模型， 用以估计不同大小的水滴的闪蒸过程，以及真空闪蒸装置内二元冰的形成过程，了解 下降终了时结冰率与那些因素有关，探讨通过在真空闪蒸装置内喷射水溶液制取冰浆 的过程。 上海海事大学工学硕士学位论文 第三章二元冰真空制备装置的设计 3 1 装置总体设计思路及说明 本论文装置的设计参照图l - 6 所示的示意图进行，并增设所需的测试装置，以便 测量实验数据。即分别对真空闪蒸装置、供水装置、真空维持装置、冰浆储存装置、 测试装置进行设计，然后将各部分整合为一个完整的二元冰真空制备装置。 真空闪蒸装置采用金属罐体结构，为便于观察实验现象，罐体上下部各设视镜一 对。罐体顶部开设一较小的手孔，方便维修和更换喷嘴。罐体内设温度和压力测点， 通过模块和组态软件在电脑上直接读取测试数据。 实验中对喷水速率的控制要求较为严格，着采用阀门控制流量，精度难以达到要 求。故本装置的供水装置拟采用计量泵和喷嘴相结合的方式，计量泵在扬程和流量调 节两方面都能满足实验要求。 真空维持装置拟采用低温金属表面冷凝闪蒸出的水蒸气，来维持真空闪蒸装置内 的真空度，本方法实现起来较为简单，投资少。低温金属表面的低温采用冷凝机组维 持。另考虑到真空闪蒸装置运行时需要预先将其内部的空气排出，且运行过程中仍然 会有少量不凝气体渗入，喷嘴喷出的水中也可能带有少量不凝气体，这些气体需及时 排出，所以另装设一个小功率的真空泵。 冰浆储存装置不是本研究的主要方面，对真空闪蒸装置内的成冰规律和现象也基 本不构成影响，且本装置制冰功率很小，故采用一般的保温容器即可。 3 2 设计参数 二元冰真空制备装置设计标准条件如表3 1 所示。进行设计时，以表3 1 中的条件 作为设计依据，但因装置要通过调整各个参数来测试不同参数对二