二次冷媒式过冷水动态蓄冰空调系统

摘要：本文提出一种二次冷媒式过冷水动态蓄冰空调系统的原理和结构。对实验装置进行了性能测试，得到运行中的系统参数，并对系统中重要部件的必要性进行了实验验证。根据实验结果，分析了过冷水动态蓄冰空调的特点，指出过冷水动态蓄冰空调相对于传统静态冰蓄冷方式，有制冷效率比较高，工况稳定性好的特点。
　　一. 前言
　　冰蓄冷作为一种有效的削峰填谷的手段，近年来得到了很大的发展。目前市场上的主流技术是冰盘管，冰球形式的二次冷媒蓄冰系统，然而上述主流的静态蓄冰系统由于在蓄冰过程中冰层在换热表面上生长，有换热热阻大，工况随蓄冰过程进行而恶化，以及蒸发温度低，效率不高等问题。为了克服静态蓄冰的种种不足，不同形式的动态蓄冰系统纷纷涌现。动态蓄冰系统具有换热热阻小，效率高的优点。在取冷过程中，由于动态蓄冰制出的冰晶呈微小的球状呀鳞片状，取冷介质直接与比表面积很大的冰晶溶液进行热质交换，其瞬间取冷能力要优于一般的静态蓄冰系统[1]。
　　尽管动态蓄冰技术有很多优点，但是如何使换热表面与蓄冰表面分离始终困扰着研究蓄冰技术的学者和工程师。经过多年的发展，逐渐形成了以下技术：机械剥落式，热力融解脱落式，共晶盐形式以及过冷水动态蓄冰形式。其中机械剥落式技术比较成熟，已经有了实际的工程应用[2][3]：近年来，很多学者对于热力融解脱落式动态蓄冰也进行了一些研究[4]。
　　过冷水动态蓄冰是动态蓄冰技术的一种。其核心思想是让水在换热器中降温到0℃以下的过冷状态而不发生相变，在蓄冰槽中消除过冷状态，低于0℃的水通过相变，成为0℃，从而把潜热转化为显热储存起来。这样就实现了换热表面和冰层生长表面的分离，实现了动态蓄冰。过冷水动态蓄冰技术具有效率高，制冷机工况稳定，尖峰取消冷能力强的优点，也存在着要附加运行部件以及技术不够成熟等问题，但是从总体上来说，过冷水动态蓄冰是动态蓄冰中的一种很有希望的形式。本文对一个实际的过冷水动态蓄冰空调系统进行了实验研究，根据实验结果分析了这种蓄冰方式的特点。


　　二. 实验装置和实验过程
　　1 实验装置和测点布置
　　2 系统组成
　　二次冷媒式过冷水连续蓄冰空调的制冰部分由三部分组成。
　　制冷循环部分：与普通制冷装置一样，由蒸发器10、压缩机11、冷凝器12、膨胀阀13组成。
　　载冷剂循环部分：由加热器7、不冻液定压箱8、不冻液循环泵9组成。
　　过冷水循环部分：由消除冰晶装置1、水循环泵2、过冷却器3、消除过冷装置4、蓄冰槽5、过滤冰晶装置6组成。
　　

　　1. 消除冰晶装置 2. 水循环泵 3.过冷却器 4。消除过冷装置 5.蓄冰槽 6.过滤冰晶装置
　　7. 加热器 8.不冻液定压箱 9.不冻液循环泵 10.蒸发器 11.压缩机 12.冷凝器 13.膨胀阀
　　图1 实验装置及测点布置图


　　3 各个部件的设计及分析
　　3.1 制冷循环部分，选用常规的空调用制冷机。本实验的制冷机再空调工况下的额定冷量为7kW。
　　3.2 载冷剂循环部分，与常规二次冷媒式静态蓄冰的载冷剂循环管路选型基本一致。其中加热器7的作用在不同的实验内容中不同，在过冷却器最低不结冰温度实验中，可以通过调节加热功率来与过冷却器一同匹配冷机，起调节过冷却器载冷剂侧温度的作用。而在系统蓄冰实验中，当过冷却器冻结时，可以通过加入电加热，来融化蓄冰槽以及过冷却器中的冰，以进行下一次实验，因此加热器的功率应当可以调节，其最大值应当接近或超过冷机的功率，这样可以缩短实验的时间。
　　3.3 过冷水循环部分： 过冷却器3：过冷却器是整个过冷水蓄冰空调系统中最关键的部件，要求水在过冷却器中被冷却到0℃以下而不结冰，而过冷却器一旦冻结，就要加热来化冰，对于系统效率换热器影响很大，因此一个安全，稳定，高效的过冷却器是一个高性能动态蓄冰系统的保障。本实验的过冷却器参数为换热长度5m，换热面积0.75㎡，换热系数约为1040W/㎡℃。
　　消除过冷装置4：消除过冷装置将过冷却器中流出的处于过冷状态的水转变为冰水混合物，一旦有过冷水没有消除过冷而进入下一次循环，就有可能在过冷却器入口消除过冷从而造成过冷却器冰堵，从而危害系统的安全。
　　蓄冰槽5：本实验选用的蓄冰槽尺寸轻小为500mm×500mm×500mm。这是出于缩短实验时间和降低成本的考虑。而不是出于匹配蓄冷量和冷机制冷量的考虑。
　　过滤冰晶装置6：为防止大量的冰晶进入过冷却器，设计时应考虑多种过滤方式，实验中采有3层120目不锈钢过滤网。
　　消除微小冰晶装置1：作用为防止冰晶进入过冷却器，一旦在过冷却器中出现冰核，过冷却器就会很快出现冰堵，因此消除微小冰晶装置也是系统的一个重要部件。根据分析，消除微小冰晶的方式对于整个蓄冰系