载冷与蓄冷讲义

制冷与低温技术原理载冷与蓄冷直接蒸发冷却或直接冷却：将制冷机的蒸发器直接安装在用冷场所，用制冷剂为冷源直接与被冷却对象热交换，使被冷却对象冷却的方法。间接冷却：以载冷剂或蓄冷剂为中间介质，利用制冷机将载冷剂或蓄冷剂冷却，再以它们作为用冷场所的冷源，使被冷却对象冷却的方法。载冷侧重于冷量的载输，蓄冷侧重于冷量的储存。载冷剂或蓄冷剂又统称为第二制冷剂。采用载冷的优点⑴可将制冷系统集中在机房或者一个很小的范围内安装，便于系统检修，系统内制冷剂充注量减少；⑵便于解决冷量的分配和控制问题；⑶便于机组的运行维护和管理；⑷便于机组的使用与安装；7.1传统载冷剂与蓄冷剂⑴安全性好：无毒、不可燃、无刺激性气味；⑵稳定性好：化学稳定性好，即在大气压下不分解、不氧化、不改变物理、化学性质；⑶在使用温度范围内呈液态：凝固点和沸点的要求；⑷密度小、粘度小：可以减小输送功耗；⑸传热性好、比热容大：可以减小换热器尺寸；⑹来源广、成本低。载冷剂以液态在蒸发器与用冷场所的冷却器之间循环，因此要求载冷剂具备如下性质：7.1.1对载冷剂性质要求7.1.2常用的传统载冷剂常用的传统载冷剂是：水、无机盐水溶液、有机物液体或有机物的水溶液。⑴水：冰点为0℃，只适用于载冷温度在0℃以上的场合。集中式空调系统中最适宜的载冷剂；⑵无机盐水溶液：较低的凝固点温度，适合在中、低温制冷装置中载冷。缺点：对一些金属材料产生腐蚀。最广泛使用的是氯化钙水溶液，氯化钠和氯化镁水溶液。盐水溶液的相图溶液WE——析冰线；EG——析盐线；点E——共晶点（共晶温度与共晶浓度）点W——纯水，冰点0℃，盐浓度ξ=0；

点A：盐水溶液，温度为0℃，浓度ξA<ξE温度下降至点B：开始有水析出，继而冻结成冰，温度TB为浓度ξA的盐水溶液的起始凝固温度；温度继续下降至点C，盐水溶液中不断析出水冰，此时浓度增大至ξC`，为冰+盐水饱和溶液；温度继续下降至点D，此时温度为共晶温度TE，浓度为共晶浓度ξE，为冰+共晶溶液。类似地可分析由点M降温至点N与点L的情形（此时浓度ξM>ξE）。盐水溶液相图的描述由盐水溶液的相图可发现：当盐水溶液浓度ξA<ξE，随着溶液浓度的增大，则起始凝固温度下降；当盐水溶液浓度ξM>ξE，随着溶液浓度的增大，则起始凝固温度上升；盐水溶液共晶浓度时的起始凝固温度最低，即为共晶温度TE共晶温度——指盐水溶液不出现析冰或析盐所允许的最低温度。如氯化钙水溶液、氯化钠水溶液和氯化镁水溶液的共晶温度分别为-55℃、-21℃、-34℃。采用盐水溶液载冷剂的注意事项⑴配制盐水溶液的浓度必须小于其共晶浓度。（不会引起析盐而放热，导致溶液温度升高。）⑵盐水溶液的析冰温度（起始凝固温度）应比蒸发温度低5～8℃。⑶应定期补盐；（由于盐水溶液的吸湿而导致使用一定时间后盐水溶液浓度降低，引起析冰温度上升）⑷采取防腐措施：其一防氧化，采取封闭式盐水系统，以避免与外界空气接触。其二加缓蚀剂，常用的有重铬酸钠溶液，也叫二水铬酸钠溶液。有机载冷剂⑴甲醇、乙醇和它们的水溶液：具有挥发性和可燃性，使用中要注意防火。⑵乙二醇、丙二醇和丙三醇水溶液：丙三醇（甘油）是极稳定的化合物、无毒，其水溶液对金属无腐蚀，可与食品直接接触，是很好的载冷剂。乙二醇和丙二醇水溶液的比重和热容较大，溶液粘性较大，略有毒性，但无危害。⑶纯有机液体：凝固点很低，可低达-100℃左右甚至更低，低温载冷剂。密度大、粘性小、传热性好、比热容大。7.1.3传统的蓄冷剂（共晶冰）共晶冰：共晶浓度的溶液在共晶温度下结冰时，和纯液体一样要放出一定的潜热（固化潜热），这样形成的冰称为共晶冰。共晶冰在融化时要吸收潜热。其熔点比一般水冰都要低，因此可以用来蓄冷。采用第二制冷剂（载冷剂或蓄冷剂）的缺陷：使第一制冷剂与被冷却对象之间的温差进一步增大，整个系统总的传热不可逆损失增大。蓄冷应用举例一些家用冰箱都有“共晶板”（或叫“冷板”），指在封闭的夹层板中充入共晶溶液，被制冷机的蒸发器低温吸热，使其固化为共晶冰，达到蓄存冷量的目的。此为节能技术，可解决突发停电和避开用电高峰。共晶板在运送冻结食品的冷藏车上使用也很适宜，白天通过共晶板内的共晶冰融化为车内食品提供冷量，夜间（车不在运送时）通过车底座安装的制冷机工作重新形成共晶冰。7.2环保要求下载冷技术的新发展用流态冰载冷的间接冷却产品正在获得推广。载冷温度从-4℃至-40℃，容量从3KW到MW级范围，已成功应用于空调、冷冻冷藏柜、食品加工、工业等领域。流态冰（Flo-Ice）：也成为浆状冰。即具有流动性的冰，它由微小的冰晶组成，每粒冰晶的尺寸很小。冰晶在流态冰生成器的冷却表面形成，并且可以脱落。脱落的冰晶再与一定量的水及不冻液混合，用该混合物作为载冷流体，可以用泵输送。流态冰载冷的优缺点用流态冰载冷可以利用冰的潜能载冷，而水和盐水载冷是利用液体的显热载冷。具有如下优点：⑴单位载冷能力大，流态冰既可载冷又可蓄冷。⑵载冷剂输送管道尺寸减小，管道隔热设施费用少。⑶冷却温度分布均匀。⑷表面传热系数大，可减小冷却器尺寸。缺点：流态冰生成器通常采用氨制冷，但由于有运动部件，磨损严重，且造价昂贵。丹麦开发了不含运动部件的真空制冰晶机，用水作制冷剂制取冰晶，运行性能系数更高。流态冰载冷技术技术要点包含以下两方面：⑴制冰晶机（流态冰生成器）的技术；⑵流态冰的传输机理研究：关心的问题是冰晶的流动特性（包括压力损失，阀门和相关部件的构造）以及冰晶融化的换热特性。有关实验研究结果表明：随着含冰率的增大，流态冰的压力损失是增大的，传热系数也是增大的。参见图7-2、图7-3.7.3蓄冷就载体蓄冷方式而言，可分为两大类：⑴显热蓄冷：物质储能密度低，蓄冷器占据空间大；⑵潜热蓄冷：储能密度高，可减小蓄冷器尺寸，而且冷能的储存与释放过程在恒温下进行，是普通制冷应用中理想的蓄冷方式。蓄冷的目的：⑴解决动力供应与用冷不同步的矛盾；例：冷藏车。⑵平衡负荷尖峰，改善电网供电，减小制冷机的装机容量和节省运行费用。例：空调蓄冷是实现用电移峰填谷、平衡城市供电和节省空调运行费用的重要手段。7.3.1空调蓄冷概述空调蓄冷方式有水蓄冷和冰蓄冷。最早开始的是水蓄冷，之后以转移尖峰用电负荷为目的进入冰蓄冷阶段。进一步研究的是空调蓄冷的节能问题。一方面从空调系统着手；另一方面是从蓄冷本身考虑，采用冻结点较高的蓄冷介质。新的蓄冷介质有气体水合物、优态盐或盐水合物（共晶盐），还有潜热与显热混合蓄冷方式。有蓄冷与无蓄冷空调系统对比，参见图7-6。7.3.2水蓄冷水蓄冷利用5℃左右的低温水蓄冷。优点：不需要特殊的机器设备；地下室建造蓄冷水池（防渗水且保温）；投资费用省；维修量少；缺点：蓄冷密度低，需大水池，占用建筑空间大；水池必须现场制作，防渗水与保温处理麻烦；冷量损失大，泵功耗大。7.3.3冰蓄冷常规冰即水冰，冰蓄冷与水蓄冷的储能密度之比为16：1，因而冰蓄冷器尺寸大大减小，便于空调设计与安装；冰蓄冷是当前较为成熟的空调蓄冷方式，20世纪80年代后得到较快的推广和应用。制冰方式有静态制冰和动态制冰两类。静态制冰静态制冰：在热交换表面形成冰，冰不流动。蓄冷和释冷过程在同一地点反复发生结冰－融冰过程，这种冰即为静态冰。静态制冰过程中，结冰过程随着冰层厚度的增加制冰换热器的传热性能下降。融冰过程中冰层变薄，静态冰分为：外融型和内融型。外融型：融冰方向与冰层生成方向相反；内融型：融冰方向与冰层生成方向相同；参见书P325图7-7.动态制冰克服了静态制冰的缺陷（冰层增厚换热器传热性能下降。）动态制冰：即通过间歇地或连续地剥离热交换器表面的冰，消除制冰过程中的冰层热阻，提高制冰热交换器的效率。所产生的冰是细冰片或者微细冰粒与液体的混合物，具有流动性。各种动态制冰方式如图7-8所示。连续的动态制冰方式举例流态冰的制取（制冷剂）图7-8b过冷冰的制取在一定压力下，当液体的温度已低于该压力下液体的凝固点，而液体仍不凝固的现象，叫过冷现象，此时的液体称为过冷液体。过冷液体产生的原因是因为液体太过纯净，没有凝固所需的“凝结核”所致。当具备凝固所需物质，例如投入少许固体，或摇晃液体，都能让液体迅速凝固。扰动一下可能混入气体，在液体中气泡也算凝结核。从而创造了过冷水结冰的条件，变为过冷冰。也属于一种连续的动态制冰方式。图7-8c过冷冰制取原理的解释：直接膨胀、直接换热的制冰方式也是一种连续的动态制冰方式。图7-8d工作原理：不使用制冰热交换器，而是向装有不冻溶液的蓄冷器中直接吹入制冷剂液体，令其直接膨胀蒸发吸热，使溶液中的水发生相变，形成细微的冰粒。用非水溶性流体直接换热制冰是不要压力容器的直接换热制冰方式。图7-8e工作原理：用一种非水溶性的油作为载冷剂，在制冰机的蒸发器与蓄冷器之间循环。将油从蓄冷器底部送入，逐渐从下部浮升到上部。在该过程中，与蓄冷剂直接换热，使其中的水变成细小的冰粒。2.制冰热交换器静态制冰换热器主要为管状和球罐式两类。管状制冰换热器，参见图7-8a；球罐式制冰换热器，即冰球蓄冷机采用球形或鸭蛋形的热交换表面。参见图7-9.流态冰生成器与蓄冷系统：参见图7-107.3.4气体水合物蓄冷在冰蓄冷的基础上，进一步提高空调蓄冷系统效率的主要途径是：⑴用冰点温度较高的物质作蓄冷介质；⑵提高冰蓄冷热交换器的热交换效率。气体水合物就是针对这方面提出的新技术。20世纪80年代初，由美国橡树岭（OrkRidge）国家实验室开始进行气体水合物蓄冷技术的研究。最早是用氟利昂物质构成气体水合物，后考虑到CFCs物质对大气臭氧层的破坏问题，开始进行CFCs替代物质的气体水合物的研究。气体水合物及蓄冷气体水合物：气体水合现象是一种当气体或挥发性液体与水作用时，造成水在高于其冰点温度下结冰的现象，所形成的固体叫做气体水合物。又称之为“暖冰”。用气体水合物蓄冷的优点：⑴蓄能密度与冰蓄冷相当；⑵相变温度为5～13℃，使制冷机蓄冷运行时能够保持正常的空调工况；⑶可实现直接接触的蓄冷-释冷换热过程，换热效率提高。气体水合物蓄冷技术分为直接接触蓄冷和非直接接触蓄冷。两者在蓄冷循