第7章_载冷与蓄冷.ppt

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1、制冷与低温技术原理制冷与低温技术原理(七七)多媒体教学课件多媒体教学课件李文科 制作第七章第七章 载冷与蓄冷载冷与蓄冷第一节第一节 传统载冷剂与蓄冷剂传统载冷剂与蓄冷剂第二节第二节 环保要求下载冷技术环保要求下载冷技术 的新发展的新发展第三节第三节 蓄蓄 冷冷第七章第七章 载冷与蓄冷载冷与蓄冷 制冷的应用装置中，常常要用到载冷与蓄冷技术。将制冷机的蒸蒸发发器器直直接接安安装装在在用用冷冷场场所所，使使被被冷冷却却对对象象冷冷却却，这是用用制制冷冷剂剂为为冷冷源源直直接接与与被被冷冷却却对对象象热热交交换换，叫做叫做直接蒸发冷却直接蒸发冷却或或直接冷却直接冷却。以以载载冷冷剂剂或或蓄蓄冷冷剂剂为

2、为中中间间介介质质，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，叫做间间接接冷冷却却。可见，载冷和蓄冷都是通过中间介质来贮存和传递制冷机的冷量，所以又将将载载冷冷剂剂或或蓄蓄冷剂叫做冷剂叫做第二制冷剂第二制冷剂(secondaryrefrigerant)。载冷侧重于冷量的载输，蓄冷侧重于冷量的贮存。载冷侧重于冷量的载输，蓄冷侧重于冷量的贮存。载载冷冷剂剂在在制制冷冷机机的的蒸蒸发发器器与与用用冷冷场场所所的的冷冷却却器器之之间间循循环，作为载体传输冷量。环，作为载体传输冷量。第七章第七章 载冷与蓄冷载冷与蓄冷 用冷场所不适于就近安装制冷机或者不希望用制冷剂直接

3、冷却的，需要用载冷剂。采采用用载载冷冷的的优优点点在在于于：可可以以将将制制冷冷机机系系统统集集中中在在机机房房或或者者一一个个很很小小的的范范围围内内安安装装，使使制制冷冷系系统统的的连连接接管管道道和和接接头头减减少少，便便于于系系统统检检漏漏，系系统统内内制制冷冷剂剂的的充充注注量量减减少少。特别是在大容量集中供冷的装置中，采采用用载载冷冷的的重重要要意意义义：便便于于解解决决冷冷量量的的分分配配和和控控制制问问题题；便便于于机机组组的的运运行行维维护护和和管管理理；便便于于机机组组的的使使用用与与安安装装，生生产产厂厂家家提提供供组组装装好好的的整整套套制制冷冷机机系系统统，用用户户只

4、只需需在在现现场场连连接和安装载冷剂系统即可。接和安装载冷剂系统即可。蓄蓄冷冷剂剂作作为为冷冷量量的的贮贮存存体体。在无用冷需求或用冷需求量少时将制冷机产出的冷量贮存起来，而当需要用冷或冷量需求量大时再将贮存的冷量释放出来，以提供全部的冷量需求(制冷机不工作)或补充制冷机产冷量的不足。第一节第一节 传统载冷剂与蓄冷剂传统载冷剂与蓄冷剂内内 容容 提提 要要一、一、对载冷剂性质的要求对载冷剂性质的要求二、二、常用的传统载冷剂常用的传统载冷剂三、三、传统的蓄冷剂传统的蓄冷剂(共晶冰共晶冰)第一节第一节 传统载冷剂与蓄冷剂传统载冷剂与蓄冷剂一、对载冷剂性质的要求一、对载冷剂性质的要求 载冷剂以液态在

5、蒸发器与用冷场所的冷却器之间循环，用用作作载载冷冷剂剂的的物物质质应应在在所所需需要要的的载载冷冷温温度度下下保保持持液液态态，不不挥挥发发；对对设设备备无无腐腐蚀蚀，对对人人体体无无危危害害；载载冷冷能能力力强强；输输送送耗功少。耗功少。因此要求载冷剂具备如下性质：要求载冷剂具备如下性质：(1)(1)无无毒毒、不不可可燃燃、无无刺刺激激性性气气味味、化化学学稳稳定定性性好好，在在大气压力下不分解、不氧化、不改变其理化性质。大气压力下不分解、不氧化、不改变其理化性质。(2)(2)在在使使用用温温度度范范围围内内呈呈液液态态。它它的的凝凝固固点点应应低低于于制制冷冷机的蒸发温度，沸点应远高于使用

6、温度。机的蒸发温度，沸点应远高于使用温度。(3)(3)密密度度小小、粘粘度度小小、传传热热性性好好、比比热热容容大大。这样可以使载冷系统的液体循环量少，流动阻力小，消耗的泵功少，并可减小热交换器的尺寸。第一节第一节 传统载冷剂与蓄冷剂传统载冷剂与蓄冷剂二、常用的传统载冷剂二、常用的传统载冷剂 常常用用的的传传统统载载冷冷剂剂是是水水、无无机机盐盐水水溶溶液液、有有机机液液或或有有机机物物的的水水溶溶液液。各种载冷剂能够载冷的最低温度受其凝固点的限制。(1)(1)水水 集集中中式式空空气气调调节节中中，水水是是最最适适宜宜的的载载冷冷剂剂。机房的冷水机组中产生出7左右的冷水，送到建筑物房间的末端

7、冷却设备(风机盘管)中，供房间空调降温使用。冷水还可以直接喷入空气，实现温度和湿度调节。水水的的冰冰点点为为0，所以只适用于载冷温度在所以只适用于载冷温度在0以上的以上的使用场合。使用场合。第一节第一节 传统载冷剂与蓄冷剂传统载冷剂与蓄冷剂 (2)(2)无机盐水溶液无机盐水溶液 无机盐水溶液有较低的凝固点温度，适合在中、低温制冷装置中载冷。最广泛使用的是氯氯化化钙钙(CaCl2)水水溶溶液液，还有氯化钠氯化钠(NaCl)和氯化镁和氯化镁(MgCl2)水溶液水溶液。图图7-1是是盐盐水水溶溶液液的的相相图图(T-w图图)。图中给出盐水溶液状态与温度T和盐质量分数w的关系。曲曲线线WE为为析析冰冰

8、线线，EG为为析析盐盐线线，E点点为为共共晶晶点点。共晶点所对应的温度和盐质量分数分别叫做共共晶晶温温度度TE和共共晶晶质质量量分分数数wE。溶液温度降低时，发生相变(凝固)的情况与溶液的盐质量分数有关。若盐质量分数小于共晶质量分数(wwE)，当溶液温度降低发生凝固时，首先析出水冰，并随着盐质量分数的增大，析冰温度逐渐下降。盐质量分数增大到等于共晶质量第一节第一节 传统载冷剂与蓄冷剂传统载冷剂与蓄冷剂 图图7 71 1 盐水溶液的相图盐水溶液的相图第一节第一节 传统载冷剂与蓄冷剂传统载冷剂与蓄冷剂 分数(wwE)时，析冰温度达到最低值TE。若盐的质量分数超过共晶质量分数(wwE)，当溶液温度下

9、降发生凝固时，所析出的是固态盐晶体，并且随着盐质量分数的增大，析盐温度逐渐升高。共共晶晶温温度度TE是是溶溶液液不不出出现现结结冰冰或或析析盐盐的的最低温度。最低温度。依据溶液的上述特性，在在配配制制盐盐水水溶溶液液载载冷冷剂剂时时，盐盐质质量量分分数数不不宜宜超超过过其其共共晶晶质质量量分分数数。否则，不仅要多消耗盐，而且溶液密度增大使输送过程的阻力和泵的功耗增大，凝固点温度还反而升高。配制溶液的盐质量分数值只要满足使其对应的析冰温度比制冷剂的蒸发温度低58即可。CaCl2、NaCl和MgCl2水溶液的共晶温度分别是-55、-21和-34。第一节第一节 传统载冷剂与蓄冷剂传统载冷剂与蓄冷剂

10、盐水溶液的密度和比热容都比较大，因此传递一定的冷量所需盐水溶液的体积循环量较小。盐水溶液具有腐蚀性，尤其是略呈酸性的稀盐水溶液，在使用条件又是与空气相接触的情况下，对金属的腐蚀性很强。为此，必须采取如下缓缓蚀蚀措措施施：在在盐盐水水溶溶液液中中添添加加缓缓蚀蚀剂剂。缓蚀剂通常采用二水铬酸钠(Na2Cr2O7-2H2O)溶液，其添加比例为1.52.0g/L。第一节第一节 传统载冷剂与蓄冷剂传统载冷剂与蓄冷剂 (3)(3)有机载冷剂有机载冷剂 1)1)甲甲醇醇、乙乙醇醇和和它它们们的的水水溶溶液液 甲甲醇醇的的冰冰点点为为97。乙乙醇醇的的冰冰点点为为117，可以用在低温载冷中。它们的纯液体密度和

11、比热容都比盐水小。甲醇比乙醇的水溶液粘性稍大一些，它们的流动性都比较好。甲醇和乙醇都具具有有挥挥发发性性和和可可燃燃性性，所以使用中要注意防火。特别是当机器停止运行、系统处于室温条件下时，更要格外当心。2)2)乙乙二二醇醇、丙丙二二醇醇和和丙丙三三醇醇水水溶溶液液 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，可以与食品直接接触，是很好的载冷剂。乙二醇和丙二醇水溶液的特性相似，它们的共晶温度可达60左右(对应的共晶质量分数为0.6左右)。它们的比重和比热容较大，溶液粘性较大，略有毒性，但无危害。第一节第一节 传统载冷剂与蓄冷剂传统载冷剂与蓄冷剂 3)3)纯纯有有机机液液体体 纯有

12、机液体如二二氯氯甲甲烷烷、三三氯氯乙乙烯烯和其他氟氟利利昂昂液液体体。它们的凝固点很低，可低达100左右甚至更低，可以用做低温载冷剂。这类载冷剂的特点是密度大、粘度小、传热性好、比热容大。第一节第一节 传统载冷剂与蓄冷剂传统载冷剂与蓄冷剂三、传统的蓄冷剂三、传统的蓄冷剂(共晶冰共晶冰)温度下降时，盐水、醇类、烯醇类溶液的状态变化都具有如图如图71所示所示的特征。共晶质量分数的溶液在共晶点温度下结冰时，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。同样，共晶冰在融化时，要吸收潜热。共晶冰的熔点较低，在需要制冷温度比一般水冰低的场合，可以用共晶冰来蓄冷。表表71示示出出某

13、某些些共共晶晶物物质质的的共晶点和融化潜热。共晶点和融化潜热。采用第二制冷剂(无论是载冷剂还是蓄冷剂)将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。第一节第一节 传统载冷剂与蓄冷剂传统载冷剂与蓄冷剂表表71 某些共晶物质某些共晶物质(水溶液水溶液)的共晶点和融化潜热的共晶点和融化潜热溶 质溶质的质量分数共晶点温度()共晶冰融化潜热(kJ/kg)氨NH30.331001750.57873100.8192290氯化钡BaCl20.227.5/蔗糖C12H22O110.6214.5/氯化钙CaCl20.3255212氯化钠NaCl0.2321235硫酸钠Na2SO4

14、0.041.2335第二节第二节 环保要求下载冷技术环保要求下载冷技术 的新发展的新发展内内 容容 提提 要要一、一、概概 述述二、二、流态冰流态冰三、三、环保型制冷与载冷系统环保型制冷与载冷系统第二节第二节 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展一、概一、概 述述 制冷机工质更替的一个重要趋势是尽量考虑使用天然制冷剂。天然制冷剂中的氨和碳氢化合物类以往很难进入商业制冷领域(如商场、超级市场、酒店等的制冷装置)。主要是由于氨的气味、毒性、可燃性和碳氢化合物的可燃性，成为直接冷却的不安全因素。为了解决这一矛盾，用载冷剂循环间接冷却。将制冷机集中在机房或者一个很小的范围安装，使得在这

15、类场合运用天然制冷剂有了新的突破。载冷应用范围的扩大，要求高效载冷，促进了载冷技术的发展。新的载冷技术除开发和使用一些新的盐水载冷剂外，一个很重要的方面是用流态冰载冷。第二节第二节 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展 现现在在，用用流流态态冰冰载载冷冷的的间间接接冷冷却却产产品品正正在在获获得得推推广广。国外的这类产品，载冷温度从4至40，容量从3kW到MW级范围，已成功地应用于空气调节、冷冻冷藏柜、食品加工、工业、渔业等领域。鱼类、蔬菜、水果等可以通过在流态冰中浸冷实现快速保质处理。此外，流态冰载冷在医学、化工、科研等领域也有专门的应用。第二节第二节 环保要求下载冷技术的新

16、发展环保要求下载冷技术的新发展二、流态冰二、流态冰 所所谓谓流流态态冰冰就就是是具具有有流流动动性性的的冰冰。它它由由微微小小的的冰冰晶晶组组成成，每每粒粒冰冰晶晶的的尺尺寸寸很很小小。流态冰用专门设备(流态冰生成器)制取。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。它可以用泵输送。流态冰看上去有如浆状，因而也称为也称为浆状冰浆状冰。上节介绍的载冷剂水或盐水利用液体的显热载冷，用流态冰载冷的主要不同是：它可以利用冰的潜能载冷。它可以利用冰的潜能载冷。与水或盐水相比，流态冰载冷有以下优点：流态冰载冷有以下优点：(1)(1)单单位位

17、载载冷冷能能力力大大，故故可可以以减减少少载载冷冷剂剂的的循循环环量量，使使载载冷冷剂剂循循环环泵泵的的容容量量和和耗耗功功明明显显减减小小。流流态态冰冰既既可可载载冷冷又又可蓄冷。可蓄冷。蓄冷时，同样蓄冷能力所需的蓄冷器尺寸小。第二节第二节 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展 (2)(2)流流态态冰冰载载冷冷剂剂的的输输送送管管道道尺尺寸寸明明显显减减小小，所所以以管管道道隔热设施费用少。隔热设施费用少。(3)(3)用用冷冷场场所所的的冷冷却却器器用用流流态态冰冰循循环环，其其进进出出口口温温差差小小，冷却温度分布均匀。冷却温度分布均匀。(4)(4)冷冷却却器器内内流流态态

18、冰冰相相变变(融融化化)换换热热，表表面面传传热热系系数数大大，可可以以减减小小冷冷却却器器的的尺尺寸寸。实用情况表明，它与制冷剂直接蒸发的热交换器尺寸相近。流流态态冰冰载载冷冷技技术术的的要要点点包包括括以以下下两两方方面面：制制冰冰晶晶机机(流流态冰生成器态冰生成器)的技术；的技术；流态冰的传输机理研究。流态冰的传输机理研究。制冰晶机通常采用氨制冷。已有的冰晶生成器是带有搅拌器的制冰器(蒸发器)。这种流态冰生成器由于有运动部件，存在的主要缺点是：存在的主要缺点是：磨损严重，而且造价昂贵。磨损严重，而且造价昂贵。第二节第二节 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展 冰晶生成器的

19、价格相当于制冰系统中除它之外其他的所有机器部件(压缩机、冷凝器、控制器件等)价格的总和。丹丹麦麦技技术术研研究究所所(DTI)开发了不含运动部件的真空制冰晶机，利用这一技术可以不用氨，而用水作制冷剂制取冰晶，而且制冰机运行的性能系数更高。流流态态冰冰传传输输机机理理研研究究方方面面所所关关心心的的问问题题是是：冰晶的流流动动特特性性(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换热特性。流态冰虽为流体，但与纯液体载冷流体有很大不同。以力学特性而言，水、盐水或其他溶液属于牛顿流体。而流态冰则不然，P.Egolf将它列为Bingham流流体体，其流态由特征数(无量纲量)Hed所决定。

20、Bingham流体存在一个初始应力，必须克服该初始应力才可以使冰晶进入流动状态。第二节第二节 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展 流流态态冰冰流流动动过过程程中中的的压压力力损损失失与与载载冷冷混混合合物物流流体体中中冰冰晶晶的的含含量量(含含冰冰率率)以以及及冰冰晶晶颗颗粒粒的的大大小小有有关关。而冰晶颗粒的大小既与冰晶生成器有关，又与流态冰载冷剂混合物中所使用的防冻剂种类、质量分数以及由此决定的结冰温度有关。法国里昂国家技术研究所(INSA)进行了流态冰融化传热的实验研究，指出流态冰融化的换热特性比纯液体载冷剂好，其表面传热系数的值与HFC制冷剂(如R134a)蒸发换热的

21、表面传热系数相当。第二节第二节 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展 图图72和和图图73是是DTI对对于于以以乙乙醇醇/水水混混合合物物为为基基础础所所产产生生的的流流态态冰冰的的实实验验研研究究结结果果。实验中所采用的流态冰输送管道为22mm的不锈钢管。管内流速恒定为1m/s。压力损失实验结果表明：当流态冰载冷剂中含冰率在5%27%范围变化时，每米管长上的压力降为p3.3kPa，如图72所示。传热实验研究结果表明：在上述含冰率变化范围内，传热系数k20003800W/(m2K)，如图73所示。第二节第二节 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展 图图7 72

22、2 流态冰的压力损失流态冰的压力损失第二节第二节 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展 图图7 73 3 流态冰的传热系数流态冰的传热系数第二节第二节 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展三、环保型制冷与载冷系统三、环保型制冷与载冷系统 下面通过几个典型的实例，说明环保型的制冷与载冷系统。实例实例l DTI研究的商业制冷装置研究的商业制冷装置 图74是DTI研究的商业制冷系统，装备在超级市场的制冷装置上。它的制冷系统采用NH3/CO2复合循环。氨单级压缩制冷为高温子系统；二氧化碳单级压缩制冷为低温子系统。氨制冷机产生冰晶，用流态冰做载冷剂，它是冰、水、乙醇的混合

23、物。商场普通制冷温度要求的冷却设备，用流态冰间接冷却10；低温30的冷却设备用二氧化碳直接蒸发冷却。流态冰还用于冷却二氧化碳子系统的冷凝器。第二节第二节 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展 图图7 74 DTI4 DTI研究的商业制冷系统研究的商业制冷系统第二节第二节 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展 实例实例2 氨、丙烷制冷与流态冰载冷氨、丙烷制冷与流态冰载冷 奥奥地地利利森林管理处野生动物加工厂，要求实现在野生动物分割、加工直到销售各个环节的制冷装置中均不采用新合成制冷剂(HFC或HF类)。加工厂有各种冷藏间(要求温度从2到20不等)和冷冻间(要求温度

24、为18)。按此要求所规划和建造的系统采用氨、丙烷复合循环。氨制冷的蒸发温度为9，用以产生流态冰。各冷藏间用流态冰载冷间接冷却。流态冰还用于冷却丙烷子系统的冷凝器。冷冻间用丙烷直接蒸发冷却。所有冷冻间均采用环戊烷泡沫隔热。流态冰载冷剂是由冰、水、Talin和Corin组成的混合流体。冰晶颗粒的大小不到0.1mm，载冷剂的温度为3.8。第二节第二节 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展图图7 74a 4a 氨、丙烷制冷与流态冰载冷氨、丙烷制冷与流态冰载冷 第二节第二节 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展 实例实例3 Linde公司的超市丙烯制冷设备公司的超市丙烯制

25、冷设备 Linde公司开发了供超级市场各种冷陈列柜用的丙烯制冷、盐水载冷系统。德国BadFreienwalde的Magnet超级市场是第一个使用丙烯制冷设备的超市。该超市在3000m2的销售面积上装有57m长的冷柜架、15m长的销售台、44m长的低温岛式柜，此外还有4个冷却间(容积约194m3)，一个冷冻间(容积约66m3)。用两套丙烯制冷系统高温制冷，产生6、10的冷盐水(盐水的进、出口温度)；还有两套丙烯制冷系统低温制冷，产生26、30的冷盐水。图75是系统原理图。为了简化，图中只画出一套制冷系统。高温和低温制冷均采用丙烯单级压缩式制冷循环。低温制冷系统中，第二节第二节 环保要求下载冷技术

26、的新发展环保要求下载冷技术的新发展 图图7 75 5 系统原理图系统原理图第二节第二节 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展 丙烯的高压凝液用高温系统的冷盐水冷却，使之有较大的过冷度，从而可将低温制冷系统的产冷能力提高45%。运行中可根据销售空间的温度及商场营业时间的实际情况提高盐水温度，使制冷机常在高蒸发温度下经济运行。盐水循环回路中，盐水泵并联两台，一台备用。该装置中，供高温冷却设备的盐水流量为24m3/h，供低温冷却设备的盐水流量为8.5m3/h。盐水冷却器采用热盐水化霜，通过回收冷凝器的排热以减少化霜所需的电加热功率。整个系统的4台压缩机均为半封闭式。每套高温系统的丙烯

27、充注量为5kg；每套低温系统的丙烯充注量为3.5kg；总充注量仅17kg，还不到同样装置用R404A直接蒸发冷却时R404A充注量(约400kg)的5%，而且装置的总当量温室效应TEWI也比用R404A直接蒸发制冷降低了一半。第二节第二节 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展 运用载冷循环，保证了使用可燃性制冷剂制冷时用冷场所的安全无害。可燃性制冷剂被局限在机房范围。机机房房的安全性技术要求通过以下措施予以保证：的安全性技术要求通过以下措施予以保证：(1)(1)所所有有电电气气部部件件的的驱驱动动都都必必须须通通过过继继电电器器使使电电路路接接通通或或断断开开，以以避避免免产产

28、生生电电火火花花。继电器安装在开关箱内，开关箱应在离开制冷剂管道1m远以外的地方。(2)(2)机机房房有有足足够够的的通通风风，以以避避免免燃燃爆爆性性制制冷冷剂剂气气体体的的聚聚集集。同时，机房设气体传感器，当检测到可燃性制冷剂气体含量达到爆炸下限值的25%时，自动使通风机运行，同时关闭制冷机。(3)(3)使使用用高高强强度度钢钢管管和和小小振振动动结结构构，将将制制冷冷剂剂外外泄泄的的危危险降到最小。险降到最小。第二节第二节 环保要求下载冷技术的新发展环保要求下载冷技术的新发展 (4)(4)使使用用高高效效传传热热结结构构的的热热交交换换器器，进进一一步步降降低低可可燃燃性性制冷剂的充注量

29、。制冷剂的充注量。第三节第三节 蓄蓄 冷冷内内 容容 提提 要要一、一、空调蓄冷概述空调蓄冷概述二、二、水蓄冷水蓄冷三、三、冰蓄冷冰蓄冷四、四、气体水合物蓄冷气体水合物蓄冷第三节第三节 蓄蓄 冷冷 蓄冷方法很多，各自针对具体的应用对象。普普通通制制冷冷(冷冻冷藏和空气调节)应用的特点是蓄冷温度不太低，蓄冷量大；低低温温制制冷冷应用的特点是蓄冷量小，但温度很低。关于低温技术领域的蓄冷，这里不涉及。蓄冷需要蓄冷载体。就就载载体体蓄蓄冷冷方方式式而而言言，可可分分为为两两大大类类：显显热热蓄蓄冷冷和和潜潜热热蓄蓄冷冷。显热蓄冷的，物质贮能密度低，蓄冷器占据空间大；潜热蓄冷的贮能密度高，可以减小蓄冷器

30、尺寸，而且冷能的贮存与释放过程在恒温下进行，故是普通制冷应用中理想的蓄冷方式。蓄冷可能的目的有以下两个：蓄冷可能的目的有以下两个：(1)(1)解决动力供应与用冷不同步的矛盾。解决动力供应与用冷不同步的矛盾。(2)(2)平平衡衡负负荷荷尖尖峰峰，改改善善电电网网供供电电，减减小小制制冷冷机机的的装装机机容量和节省运行费用。容量和节省运行费用。第三节第三节 蓄蓄 冷冷 前一目的的蓄冷，在早期的陆地运输冷藏车上多有应用。用共晶冰或盐水冰蓄冷，例如铁路冷藏车上用盐水冰蓄冷，公路冷藏车上用共晶冰冷板蓄冷，其缺点是：增加车的自重；温度控制精度难以保证；蓄冷使用时间受到限制，或冷量不足或冷量浪费，使用有诸多

31、不便。具有重要意义的蓄冷在于后一使用目的。早在20世纪30年代，美国对一些教堂、影剧院、牛奶加工厂等需要在短时间大量供冷的部门使用了冰蓄冷器，以减小制冷机容量，节省设备费用。前面所讲的冷冻、冷藏的载冷，如果载冷剂贮罐容量足够大，则也同时包含了蓄冷的作用。第三节第三节 蓄蓄 冷冷 近几十年来，随着现代化高层建筑的发展和空调应用的普及，空调制冷用电急剧增加，同时不同季节之间、昼夜之间的用电量差异越来越大，使得电业部门承受的供电压力日益繁重。为了削减昼夜之间电网供电的峰谷之差，改善供电状况，1980年美国德州电力公司首先实施转移尖峰电力优待措施。以后许多国家的电业部门相继实施用电分时计价、夜间电费优

32、惠的制度。以鼓励多使用夜间(用电低谷期)的电力。城市建筑中空调是最大的用电设备之一。高峰季节(夏季)其用电量占到建筑物总用电量的一半以上。因而，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，受到特别的重视，并成为一项专门技术。第三节第三节 蓄蓄 冷冷一、空调蓄冷概述一、空调蓄冷概述 空调蓄冷方式有空调蓄冷方式有水蓄冷水蓄冷和和冰蓄冷冰蓄冷。最早开始使用的是水蓄冷。20世纪30年代到60年代，水蓄冷以削减空调制冷设备的装机容量为主要目标，旨在降低初投资。1973年，能源危机再次引起人们对空调蓄冷的研究。以后，以转移尖峰用电负荷为目的进入冰蓄冷阶段。冰蓄冷比水蓄冷的蓄冷密度

33、高，可以大大缩小蓄冷器尺寸。常规冰蓄冷虽然节省了运行费用，但制冷机要在制冰工况下运行，蒸发温度比无蓄冷的空调工况低许多，因而能效降低、实际能耗增大，而且初投资高。第三节第三节 蓄蓄 冷冷 进一步要研究的是空空调调蓄蓄冷冷的的节节能能问问题题。一方面是从空调系统入手，针对冰蓄冷的高品位冷能利用，从空调系统整体考虑提高能效和降低投资及建筑造价，并改善室内空气品质和舒适度。另一方面是从蓄冷本身考虑，用冻结点较高的蓄冷介质，使制冷机运行工况与空调工况相适应。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。作为比较，图图76示示出出有有蓄蓄冷冷的的空空调调系系统统与与无

34、无蓄蓄冷冷的的空调系统。空调系统。表表72给出各种空调蓄冷方式的主要特性比较。给出各种空调蓄冷方式的主要特性比较。第三节第三节 蓄蓄 冷冷 图图7 76 6 有蓄冷与无蓄冷的空调系统有蓄冷与无蓄冷的空调系统第三节第三节 蓄蓄 冷冷 图图7 76 6 有蓄冷与无蓄冷的空调系统有蓄冷与无蓄冷的空调系统第三节第三节 蓄蓄 冷冷表表72 各种空调蓄冷方式的主要特性比较各种空调蓄冷方式的主要特性比较蓄冷介质水冰冰、水冰球盐水合物气体水合物气体水合物液体蓄冷剂尺寸大小小小大小小蒸发温度/01000100312513513压缩机效率好低低低好好好所需制冷量一般高高高低低低有无除冰装置直接接触蓄冷无无无无无无

35、无非直接接触蓄冷无有有无有无或有无或有耗能低高高高低低低第三节第三节 蓄蓄 冷冷二、水蓄冷二、水蓄冷 水水蓄蓄冷冷是是利利用用5左左右右的的低低温温水水蓄蓄冷冷。这种方式技术简单，不需要特殊的机器设备，只是在建筑物的地下室建建造造一一个个防防渗渗水水、保保温温的的蓄蓄冷冷水水池池，故投资费用省，维修量少。其主要缺点是：蓄冷密度低，需要庞大的蓄冷水池，占用建筑空间大；水池必须在使用现场制作，水池的防渗水与保温处理麻烦；使用中冷量损失大，泵功耗大。水水蓄蓄冷冷的的主主要要理理论论与与设设计计问问题题是是：蓄蓄冷冷水水池池中中冷冷水水与与回回水水之之间间的的分分隔隔设设计计。对此有专门的研究，以日本

36、、美国为代表。日日本本按冷水与回水之间的分隔方式将蓄冷水池归纳为几几种种标标准准形形式式：完完全全混混合合槽槽型型、温温度度成成层层型型和平平衡衡温温度成层型，度成层型，并系统地给出理论分析与设计方法。第三节第三节 蓄蓄 冷冷三、冰蓄冷三、冰蓄冷 常常规规冰冰即即水水冰冰。以冰的融化潜热与水温升5的显热相比，冰冰蓄蓄冷冷与与水水蓄蓄冷冷的的贮贮能能密密度度之之比比为为80:5(16:1)。这样，同样蓄冷量所需冰蓄冷器的尺寸大大减小，不必在现场制造蓄冷水池，可由生产厂提供将制冷机系统与冰蓄冷器做成一体的整套机组，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

37、推广和应用。1 1制冰方式制冰方式 制冰方式有制冰方式有静态制冰静态制冰和和动态制冰动态制冰两类。两类。第三节第三节 蓄蓄 冷冷 (1)(1)静态制冰静态制冰 即在在热热交交换换器器表表面面形形成成冰冰，冰冰不不流流动动。蓄冷与释冷过程中在同一地点反复发生结冰融冰过程，故称称这这种种冰冰为为静静态态冰冰。静静态态冰冰又又有有外外融融型型和和内内融融型型之之分分。融冰过程中冰层变薄，融冰方向与冰层生成方向相反时为外融型；融冰方向与冰层生成方向相同时为内融型。图图77示示出出最最常常见见的的静静态态冰冰的的生生成成与与融融化化过过程程。图77a为管式热交换器制冰中的情况；图77b为球罐式制冰中的情

38、况。静态制冰中，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。为了克服由此造成的制冷机蒸发温度降低、制冷量和性能系数下降的不良影响，产生了动态制冰方法。第三节第三节 蓄蓄 冷冷 图图7 77 7 静态冰的生成与融化过程静态冰的生成与融化过程第三节第三节 蓄蓄 冷冷 (2)(2)动态制冰动态制冰 即通通过过间间歇歇地地或或连连续续地地剥剥离离热热交交换换器器表表面面的的冰冰，消消除除制制冰冰过过程程中中的的冰冰层层热热阻阻，提提高高制制冰冰热热交交换换器器的的效效率率。所所产产生生的的冰冰是是细细冰冰片片或或者者微微细细冰冰粒粒与与液液体体的的混混合合物物，具具有有流流动动性。性。动态制冰

39、方式有许多种。任何一种动态制冰方式，由于冰是流动的，都包含有许多复杂的技术问题。这里只作概要说明。各种动态制冰方式如图各种动态制冰方式如图78所所示。示。第三节第三节 蓄蓄 冷冷 图图78a为为间间歇歇剥剥离离的的收收获获型型(harvest)制制冰冰方方式式。所产生的冰是小碎块状。按热交换器表面形状产生板状或圆筒状的冰块。冰块下落时受外力作用而粉碎，形成细小冰块。制冰时，热交换器先作为蒸发器工作，向热交换器的外表面喷水，制冷剂在内部蒸发，使热交换器表面上生成冰。脱冰时，用电磁阀改变制冷剂的流动方向，使热交换器暂时作为冷凝器工作，热交换器壁面被加热，冰便从壁面上脱落下来。之后，再重新切换回制冷

40、循环。如此周而复始，实现制冰和间歇脱冰。这种制冰方式要解决的关键问题是：缩短脱冰时间；减少喷水用循环泵的动力；降低脱冰下落时的噪声。此外，使用多台热交换器时要设法减少所占用的空间。第三节第三节 蓄蓄 冷冷 图图7 78a 8a 动态制冰方式动态制冰方式第三节第三节 蓄蓄 冷冷 图图78b示示出出一一种种连连续续的的动动态态制制冰冰方方式式，所产生的是流态冰，被冷却介质是某种不冻液与水的混合溶液。溶液被冷却时，其中的水发生相变，形成细微的冰。此制冰方式要考虑的关键问题是：不冻液物质与添加剂的研究；换热速度及与之相应的热交换器的开发；随着制冰过程的进行，混合物中含冰率增加，不冻液物质的浓缩化所带来

41、的问题，即析冰温度下降，引起蒸发温度降低的问题；粘稠流体输送中降低循环泵的动力等。第三节第三节 蓄蓄 冷冷 图图7 78b 8b 动态制冰方式动态制冰方式第三节第三节 蓄蓄 冷冷 图图78c为为过过冷冷冰冰的的制制取取方方式式，它也属于一种连续的动态制冰方式。获得过冷冰的原理是利用由液体相变成为固体时常见的过冷现象：水在温度下降到0时并不一定结冰。温度低于0的水称为过冷水。用制冷机先制造出过冷水，将过冷水输送到欲制冰的蓄冷器，在蓄冷器中创造解除过冷状态的条件(如振动、冲击等)，于是形成冰。此制冰方式的技术关键问题包括：要确定好能够创造过冷状态的换热速度、换热温差、介质流速；能够控制振动的热交换

42、器；防止在蓄冷器以外的地方解除过冷状态；水的洁净度管理(水中如果有杂质，则杂质会成为冰或雪形成的核心)。第三节第三节 蓄蓄 冷冷 图图7 78c 8c 动态制冰方式动态制冰方式第三节第三节 蓄蓄 冷冷 图图78d示示出出的的是是直直接接膨膨胀胀、直直接接换换热热的的制制冰冰方方式式，它也是一种连续的动态制冰方式。这种方式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氟利昂等制冷剂液体，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。该制冰方式的技术要点是：选择性质相适应的制冷剂与不冻液物质；正确地确定吹入制冷剂的压力、流量及喷嘴形状；制冷剂气体返回压缩机前的雾滴分离方法。

43、另外，这种方式制冰中，蓄冷器为密封的大容器(相当于大型蒸发器)，当压缩机不工作时，系统压力升高，因此，蓄冷器不得不使用压力容器。第三节第三节 蓄蓄 冷冷 图图7 78d 8d 动态制冰方式动态制冰方式第三节第三节 蓄蓄 冷冷 图图78e示示出出的的是是不不要要压压力力容容器器的的直直接接换换热热制制冰冰方方式式。用一种非水溶性的油作为载冷剂，在制冷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。第三节第三节 蓄蓄 冷冷 图图7 78e 8e 动态制冰方式动态制冰方式第三节第三节 蓄蓄 冷冷 2 2制冰热交换器制冰热交

44、换器 对制冰用的热交换器有具体要求。热交换器中的工作流体，如不冻液、非水溶性流体等具有很强的腐蚀性，故热热交交换换器器的的材材质质应应选选用用耐耐腐腐蚀蚀材材料料。在结冰、融冰过程中，热交换器的传热性能很不稳定，随着冰层厚度的增加或减小，传热系数的值变化幅度很大。为了避免制冰热交换器的热工性能恶化，改善换热，除了必须在传热管形状、管距、管径等基本结构上采取一定的措施外，有时还采用吹入压缩空气的方法以及其他的一些辅助措施，使冰层脱落和控制冰层厚度。这些措施使得制冰热交换器的设计比常规热交换器要复杂得多。静态制冰的热交换器主要为静态制冰的热交换器主要为管状管状和和球罐式球罐式。第三节第三节 蓄蓄

45、冷冷 (1)(1)管状制冰热交换器管状制冰热交换器 它它的的结结冰冰融融冰冰过过程程如如前前图图78a所所示示，通过传热管换热。传热管大多数采用铜管、聚乙烯管、树脂管或表面经过处理的钢管。热交换器的管形有U形、螺旋盘管形、蚊香形、梯子形、平行管簇形等。这种热交换器结构简单，但形成大块结冰，成冰过程中热阻逐渐增大。(2)(2)球罐式制冰热交换器球罐式制冰热交换器 冰球蓄冷机采用球形或鸭蛋形的热交换表面。它是针对管式热交换表面的缺点而提出的改进，可以避免形成大块结冰和降低融冰换热的热阻。图图79示示出出冰冰球球蓄蓄冷冷的的球球罐罐、蓄蓄冷冷器器及及其其蓄蓄冷冷系系统统。球罐是一个蓄冷单元，用高密度

46、聚乙烯材料做成。每个球第三节第三节 蓄蓄 冷冷 罐的直径不到100mm。从球罐的开口处灌入水，水的体积约为球罐内容积的90%左右，留出10%左右的空间，作为结冰时水膨胀的缓冲容积，如图7-9a所示。水灌入后，将罐口封死。将许多这样的球罐装入冰蓄冷器中，球罐要把冰蓄冷器装满，如图7-9b所示。蓄冷器可以卧式布置，也可以立式布置。蓄冷器的容器用钢板制作，其内表面经过了防腐处理。蓄冷时，制冷机工作，不冻液在蒸发器和蓄冷器的容器之间循环，不冻液的温度为-5-2。不冻液使球罐内的水结冰，实现蓄冷。释冷时，不冻液在蓄冷器的容器和空调系统的热交换器之间循环，不冻液通过热交换器将空调系统的水冷却，不冻液的温度

47、升到410。该蓄冷方式与其他静态冰蓄冷系统的区别在于：第三节第三节 蓄蓄 冷冷 图图7 79 9 冰球蓄冷冰球蓄冷第三节第三节 蓄蓄 冷冷 流过冰球蓄冷器的流体始终是不冻液，空调系统的水不能进入冰蓄冷器。一台容积为1100m3的冰球蓄冷器，可装入300万个小球罐，制冰率为55%，蓄冷量达8800kW。(3)(3)流态冰生成器与蓄冷系统流态冰生成器与蓄冷系统 图图710示示出出空空调调用用的的流流态态冰冰蓄蓄冷冷系系统统。用制冷机的蒸发器将低浓度的盐水冷却，盐水温度降低到水的冰点以下，这时溶液防止冰微粒之间的结合，溶液中生成0.1mm的微细的结晶冰粒，形成可流动的乳乳状状冰冰。蒸发器为特殊的螺旋

48、板结构，并在其中装有旋转的叶轮，水溶液进入蒸发器换热后被过冷，但仅温度降低到水的冰点以下尚不足以产生结晶冰。靠叶轮推动的搅拌作用，在过冷溶液中产第三节第三节 蓄蓄 冷冷 图图7 710 10 空调用的流态冰蓄冷系统空调用的流态冰蓄冷系统第三节第三节 蓄蓄 冷冷 生大量的微细冰粒。叶轮旋转不仅创造了冰晶的生成条件，还起到泵的作用，将乳状冰输送到蓄冷器中。蓄冷器与蒸发器构成一个循环回路，循环动力由专用的循环泵提供；蓄冷器与二次侧热交换器构成另一个循环回路，与空调水进行热交换。这种机组，将制冷机组、蓄冷器、热交换器及泵等全部安装在一个机架上，形成整装机组。其系列产品的制冰量范围从20t到111t。第

49、三节第三节 蓄蓄 冷冷 3 3空调冰蓄冷系统实例空调冰蓄冷系统实例 迄今已成功应用的空调冰蓄冷系统很多。这里按冰蓄冷机组的特色选择几例予以说明，其中包括了静态制冰和动态制冰。对静态制冰的管式制冰热交换器，例中显示了一些不同的热交换管，如聚乙烯管、双螺旋形、铜管、U形、热管。对于动态制冰，例中显示了收获型制冰和利用溶液过冷的流态冰制取方式。此外，例中的蓄冷系统多为热泵型，即夏季蓄冷、冬季蓄热。还包括了太阳能的利用。第三节第三节 蓄蓄 冷冷 空调冰蓄冷系统实例一空调冰蓄冷系统实例一制冷换热器：制冷换热器：双螺旋聚乙烯管，管外表面结 冰。IPF10%20%特点：特点：热泵型、冬(供 热)夏(供冷)切

50、换，冬季用水蓄热，夏季用不冻液制冰。第三节第三节 蓄蓄 冷冷 空调冰蓄冷系统实例二空调冰蓄冷系统实例二制冷换热器：制冷换热器：热 管。IPF35%40%特点：特点：热泵型，利用热管技术，蓄冷效率高。第三节第三节 蓄蓄 冷冷 空调冰蓄冷系统实例三空调冰蓄冷系统实例三制冷换热器：制冷换热器：U型铜管，管外表面结冰。IPF 20%50%特点：特点：热泵型，室外部分无噪声，冷媒直膨式，供暖使用太阳能与空气的热能。第三节第三节 蓄蓄 冷冷 空调冰蓄冷系统实例四空调冰蓄冷系统实例四制冷换热器：制冷换热器：板式，直膨型、收获型，生成板 状 冰。IPF30%50%特点：特点：热泵型，供热能力强，热泵的热源为水