1、󰀁制冷學報󰀁2003年第1期科技報道過冷水連續制冰系統中過冷卻器進出口水溫的選擇于󰀁震󰀁曲凱陽󰀁江󰀁億(清華大學󰀁北京󰀁100084)󰀁摘󰀁要󰀁為了使給定的過冷水連續制冰系統的制冰功率和COP達到較高的數值,關鍵在于過冷卻器進出口水溫的選擇。在過冷水連續制冰系統中,從蓄冰槽出口到過冷卻進口水的溫升可以通過三種不同途徑實現,(1)專門外界熱源加熱;(2)依靠環境傳熱;(3)空調系統回水加熱。研究了在這三種情況下過冷水連續制

2、冰系統過冷卻器進出口水溫的選擇方法。計算了某一給定系統在這三種情況下的制冰功率和COP隨過冷卻器進出口水溫的變化,根據計算結果選擇了在這三種情況下合適的過冷卻器進出口水溫。關鍵詞󰀁空調系統;連續制冰;模擬分析;過冷水;優化Choiceofthewatertemperaturesenteringandleavingthesupercoolerinthedynamicice-makingbysupercoolingsystemByYuzheng󰀁,QuKaiyangandJiangYi󰀁TsinghuaUniversity,ChinaAbstract

3、󰀁SuitablewatertemperaturesenteringandleavingthesupercoolerarecrucialforhigherCOPandeffectivelyusedenergyinagivensupercoolingtypeice-makingsystem.Therearethreewaystoraisethewatertemperatureenteringthesupercooler:(1)byaspecialheater;(2)bytheenvironment;(3)usingthereturningwaterintheairconditio

4、ningsystem.ThevariationoftheeffectivelyusedenergyandCOPaccordingtothewatertemperaturesenter-ingandleavingthesupercoolerwasachievedandsuitabletemperatureswerechosen.Keywords󰀁air-conditioningsystem,dynamicicemaking,simulation,supercooledwater,optimization.1󰀁前言過冷水連續制冰是一種新的制冰方式。圖1是水的過冷狀態

5、消除成為0󰀁的冰水混合物,其中的冰被留在制冰槽中,水被分離出來,再次進入過冷卻器,完成一個循環。在理想的過冷水連續制冰過程中,過冷卻器進口水溫為0󰀁。但是,在實際的系統中,為了在過冷卻器之前消除水中的微小冰晶,需要將水溫升高到高于0󰀁的某一溫度。在靜態制冰過程中,隨著冰層生長,水與冷媒之間的熱阻不斷增大,系統用能效率嚴重下降。與靜態制冰不同,過冷水連續制冰過程中,冰層不在換熱表面生長,因而水與冷媒之間的熱阻并不隨制冰過程的進行而改變,整個系統運行穩定,能效較高。與靜態制冰的另一不同點在于,過冷水連續制冰制出的󰀁泥狀冰𘀀

6、1;是一種冰水混合物,其中的冰晶呈微小的針狀或鱗片狀,與塊狀冰相比,泥狀冰與取冷冷媒之間的換熱系數較大,能夠在短時間內釋放大1,21,2過冷水連續制冰系統示意圖。水在過冷卻器中被冷卻,在過冷卻器出口處達到過冷狀態(低于0󰀁的液圖1󰀁過冷水連續制冰系統流程示意圖量的冷量。日本從80年代后期開始研究過冷水連續制冰,目前已經在京都火車站投入使用。該系統運3態)。之后,過冷水進入蓄冰槽。在蓄冰槽中,過冷󰀁收稿日期:2002年08月19日󰀁制冷學報󰀁2003年第1期行時,過冷卻器進口水溫為0.5󰀁,出口水溫為

7、-2.0󰀁。我國對過冷水連續制冰的研究從90年代末期開始,目前已經在實驗室實現了過冷水連續制冰,過冷卻器進口水溫為0.5󰀁,出口水溫為-3.3󰀁21在制冷系統總制冷量中所占比例越小,這有利于提高系統的有效利用冷量和用能效率。但是,過低的過冷卻器出口水溫會使制冷系統的制冷量和制冷系數減小,這對于提高系統有效利用冷量和用能效率又是不利的。因而,過冷卻器出口水溫存在一個最優值。當過冷水連續制冰系統中的制冷系統一定時,根據制冷系統性能可以計算不同過冷卻器進出口水溫下制冷系統的輸入能量Q󰀁in和制冷量Q󰀁out,如果再能夠計

8、算由于過冷卻器進口水的溫升造成的輸入能量的增加󰀁Qin和冷量的損失󰀁Qout,則可以根據(1)(3)式計算過冷水連續制冰系統的有效利用冷量Qout和用能效率COP。做出有效利用冷量和用能效率隨過冷卻器進出口水溫變化的曲線,然后可以根據曲線選擇合適的過冷卻器進出口水溫,使得有效利用冷量和用能效率同時具有較大的數值。以下分別說明在三種不同的升高過冷卻進口水溫的情況下,如何計算由于過冷卻器進口水的溫升造成的輸入能量的增加󰀁Qin和冷量的損失󰀁Qout。2.1󰀁使用外界熱源加熱升高過冷卻器進口水溫此時,為了升高過冷卻器進口

9、水溫,需要向過冷水連續制冰系統中額外投入能量,tin󰀁󰀁Qin=tin-toutout卻器進口水溫的升高,使可用制冷量下降tin󰀁Qout=t-tQ󰀁inoutout。對于給定的過冷水連續制冰系統,如何使其有效利用的冷量和COP達到較高的數值,關鍵在于過冷卻器進出口水溫的選擇。本文將對某一給定的過冷水連續制冰系統的有效利用冷量和用能效率進行分析,研究過冷卻器進出口水溫的選擇。2󰀁過冷卻器進出口水溫的選擇計算在實際的過冷水連續制冰系統中,為了避免蓄冰槽中的冰晶隨水進入過冷卻器,必須將過冷卻器進口水溫升高到高于0

10、83041;的某一溫度1。這一過程會使制冷系統產生的冷量不能完全被有效利用,而且投入的總能量可能增加,因而使得實際的過冷水連續制冰系統的有效利用冷量和用能效率低于制冰系統的制冷量和用能效率。用Qin表示過冷水連續制冰系統輸入能量,Qout表示過冷水連續制冰系統有效利用冷量,COP表示過冷水連續制冰系統的用能效率,則Qout=Q󰀁out-󰀁QoutQin=Q󰀁in-󰀁QinCOP=Qout󰀁Qin(1)(2)(3)(4)式中,tin,tout分別為過冷卻器進口和出口水溫。過冷式中,Q󰀁in表示制冷系統

11、的輸入能量,主要包括壓縮機的輸入功率,Q󰀁out表示制冷系統的制冷量,󰀁Qin表示為了升高過冷卻器進口水溫額外輸入過冷水連續制冰系統的能量,󰀁Qout表示由于升高過冷卻器進口水溫而損失的制冷系統的制冷量。在實際的過冷水連續制冰系統中,從蓄冰槽到過冷卻器進口水的溫升可以通過三種不同方式實現,(1)專門外界熱源加熱;(2)依靠外界環境傳熱;(3)空調系統回水加熱。對前兩種情況,過冷卻器進口水溫的升高將增加系統輸入能量,并減少系統有效利用冷量,因而也將降低系統用能效率。這時過冷卻器進口水溫應盡可能接近0󰀁。對于最后一種情況,過冷卻器進口

12、水溫對系統的有效利用冷量和用能效率影響不大。過冷卻器進口水溫主要由消除冰晶所需要的最低水溫決定,與消除冰晶的技術有關。當過冷卻器進口水溫一定時,過冷卻器出口水溫越低,為了提高過冷卻器進口水溫而消耗的冷量(5)2.2󰀁依靠環境傳熱升高過冷卻器進口水溫在這種情況下,升高過冷卻器進口水溫實際并未投入有效能量,因而󰀁Qin=0但制冷系統的制冷量仍然有所損失,󰀁Qout=tinQevatin-tout(7)(6)這種情況與1.1節中的情況相比,當過冷卻器進出口水溫相同時,有效利用冷量相同,但是用能效率較高。2.3󰀁使用空調回水加熱升高過冷卻

13、器進口水溫在這種情況下,加熱過程消耗的熱量實際上是廢熱,因而,󰀁Qin=0(8)在加熱過程中,過冷水連續制系統中水的冷量并未浪費,而是用來冷卻空調回水,因而󰀁󰀁制冷學報󰀁2003年第1期󰀁Qout=0(9)有效利用冷量和用能效率同時具有較大的數值。以下分別分析不同的升高過冷卻器進口水溫的方式下過冷卻器進出口水溫的選擇。3.1󰀁使用外界熱源加熱升高過冷卻器進口水溫圖2(a)給出了這種情況下過冷卻器進出口水溫對有效利用冷量的影響。圖2(a)表明,當過冷卻器進口水溫一定時,隨著過冷卻器出口溫度從0b

14、3041;開始降低,有效利用冷量迅速升高,在到達某一極值點后,近似線性緩慢下降。當過冷卻器出口水溫越高,對對有效利用冷量的大影響越大。因而,為使過冷水連續制冰系統具有較大的有效利用冷量,過冷(10)卻器進口水溫應盡量接近0󰀁,過冷卻器出口水溫應低于極值點溫度,但也不能過低。圖2(b)給出了這種情況下過冷卻器進出口水Q󰀁out=1.206te+29.235kJ數平均溫差根據手冊選取為7󰀁,即有,(t-etin)-(te-tout)=7󰀁te-tinlnte-tout對于制冷系統,總有Q󰀁in=Q󰀁ou

15、t󰀁󰀁(13)根據式(10)(13),可以計算不同的過冷卻器進出口水溫下制冷系統的輸入能量和制冷量,再根據式(4)(9)計算由于升高過冷卻器進口水溫而額外投入的能量和損失的制冷量,然后再根據式(1)(2)可以計算出過冷水連續制冰系統有效利用冷量與用能效率。計算不同的過冷卻器進出口水溫下有效利用冷量和用能效率,做出曲線,然后根據曲線即可以選擇出合適的過冷卻器進出口水溫,使得系統(12)(11)溫對用能效率的影響。圖2(b)表明,當過冷卻器進口水溫一定時,系統用能效率隨著出口水溫從0󰀁開始降低迅速升高,當出口水溫降低到一定程度時,系統用能效率變化的趨

16、勢變得比較平緩。當過冷卻器出口水溫一定時,過冷卻器進口水溫對系統用能效率的影響也比較大,在過冷卻器出口水溫高于-7󰀁時,進口水溫每提高0.1󰀁,用能效率下降0.3以上。因此,為使系統具有較高的用能效率,過冷卻器進口水溫應盡量接近0󰀁,過冷卻器出口水溫的選擇要避開系統用能效率迅速變化的區域。根據圖2(a)(b),當使用外界熱源加熱升高過冷卻器進口水溫時,為使系統具有較大的有效利用冷量和較高的用能效率,過冷卻器進口水溫應當盡量接近0󰀁,不宜高于0.4󰀁,過冷卻器出口水溫的選擇與進口水溫有關,一般可選擇在-5-7b

17、3041;。這種情況與2.2節中的情況相比,當過冷卻器進出口水溫相同時,顯然有效利用冷量增大,而在系統中投入的能量并未增加,用能效率因此增大。3󰀁一個典型過冷水連續制冰系統過冷卻器進出口水溫的選擇使用簡化模型,假定過冷水連續制冰系統中制冷系統性能如下,(1)制冷系統制冷系數󰀁(隨蒸發溫度te按式(10)變化,󰀁=0.082352te+3.79628(11)變化,(3)過冷卻器(即蒸發器)中制冷劑與水之間對(2)制冷系統制冷量Q󰀁out隨蒸發溫度te按式圖2󰀁依靠環境傳熱升高過冷卻器進口水溫的情況下有效利用冷量(a)

18、和用能效率(b)隨過冷卻器進出口水溫的變化󰀁制冷學報󰀁2003年第1期3.2󰀁依靠環境傳熱升高過冷卻器進口水溫圖3(a)給出了這種情況下過冷卻器進出口水溫對有效利用冷量的影響,圖3(b)給出了過冷卻器進出口水溫對用能效率的影響。比較圖3(b)與2(b),依靠環境傳熱升高過冷卻器進口水溫明顯提高了系統用能效率。此時,過冷卻出口水溫可以選擇較高的溫度。根據圖3(a)(b),當依靠環境傳熱提高過冷卻進口水溫時,為使系統具有較大的有效利用冷量和較高的用能效率,過冷卻器進口溫度仍應盡量接近0󰀁,過冷卻器出口水溫可以較高一些,可選擇在-3-5

19、󰀁。圖3󰀁使用外界熱源加熱升高過冷卻器進口水溫的情況下有效利用冷量(a)和用能效率(b)隨過冷卻器進出口水溫的變化3.3󰀁使用用空調回水加熱升高過冷卻器進口水溫圖4(a)給出了這種情況下過冷卻器進出口水溫對有效利用冷量的影響,圖4(b)給出了這種情況下過冷卻器進出口水溫對用能效率的影響。圖4(a)(b)表明,當過冷卻器進口水溫一定時,過冷卻器出口水溫對系統用能效率和有效利用冷量的影響與2.2節中的情況大致相同。隨著過冷卻器出口水溫的降低,系統用能效率和有效利用冷量迅速增加,達到最大值后,緩慢下降。只是與2.2節中的情況相比,到達最大值時過冷卻器出

20、口水溫較高。在這種情況下,過冷卻器進口水溫較高并不說明系統損失的冷量增大或者投入的能量增加,而只是說明空調回水取走的冷量多了。這時,制冷系統的蒸發溫度會升高,因而使用整個制冰系統的用能效率提高,有效利用冷量增加。但是,這同時會造成制冰能力的下降。根據圖4(a)(b),當使用空調回水加熱升高過冷卻進口水溫時,為使系統具有較大的有效利用冷量和較高的用能效率,過冷卻器出口水溫應選擇在-2-4󰀁之間,這時過冷卻器進口水溫對系統用能效率和有效利用冷量影響不大。如果需要保證制冰量,則過冷卻器進口水溫應盡量接近0󰀁。圖4󰀁使用空調回水加熱升高過冷卻器進口水溫的

21、情況下有效利用冷量(a)和用能效率(b)隨過冷卻器進出口水溫的變化󰀁󰀁制冷學報󰀁2003年第1期4󰀁結論對給定的過冷水連續制冰系統,為了使系統的在第(3)種情況下要求過冷卻器出口水溫最高。前兩種情況要求過冷卻器出口水溫盡量接近0󰀁,第(3)種情況對進口水溫要求依據設計蓄冷量和取冷量的比例不同而不同。參考文獻1󰀁曲凱陽,江億.過冷水動態制冰的研究.暖通空調,31(2):1-4,2001.2󰀁曲凱陽.過冷水制取的基礎與應用研究.清華大學博士學位論文,2000.3󰀁谷野正幸,白石裕紀,林利雄.過冷卻水󰀁利用󰀁󰀂冰蓄空氣調和󰀁衛生工學,64(7):559-563,1990.制冰功率和COP達到較高的數值,關鍵在于過冷卻器進出口水溫的選擇。從蓄冰槽出口到過冷卻器進口水的溫升可以通過三種途徑實現,(1)專門外界熱源加熱;(2)環境傳熱;(3)空調系統回水加熱。不同加熱方式,應選擇不同的過冷卻器進出口