岳 崢 張小松

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 南京 210096)

流態(tài)冰由于其良好的熱物理特性[1],被廣泛應(yīng)用于冰蓄冷、食品保鮮、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域[2]。如何高效、節(jié)能地制取流態(tài)冰成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),常見(jiàn)的流態(tài)冰制取方法有:直接接觸換熱法、壁面刮削法、真空法以及過(guò)冷水法。直接接觸換熱法[3]需要消耗大量的制冷劑,且制冷劑與水難以徹底分離;壁面刮削法[4]是目前商業(yè)化應(yīng)用最廣的方法,但刮片需要消耗額外的機(jī)械動(dòng)力;真空法[5]傳熱效率高,但真空泵能耗巨大;而過(guò)冷水法制冰原理簡(jiǎn)單,幾乎所有的流態(tài)冰制取方法都涉及水的過(guò)冷狀態(tài),也是目前研究最廣泛的一種流態(tài)冰制取方法[6]。但傳統(tǒng)過(guò)冷水法存在兩個(gè)主要問(wèn)題,1)過(guò)冷水法的過(guò)冷度過(guò)低,單周期制冰量小使制冰效率低;2)過(guò)冷水不穩(wěn)定,容易在管道中結(jié)冰而堵塞,成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。

當(dāng)前過(guò)冷水法的研究主要集中于過(guò)冷水制冰機(jī)理研究、過(guò)冷度的控制等幾個(gè)方面[7],主要是為了解決過(guò)冷水的冰堵問(wèn)題。近年來(lái),李秀偉等[8-10]結(jié)合真空法和過(guò)冷法,首次提出了一種新型的蒸發(fā)式過(guò)冷水制取流態(tài)冰的方法,水在低水蒸氣分壓力環(huán)境下,無(wú)需真空也能夠蒸發(fā)過(guò)冷,實(shí)現(xiàn)了水的管外過(guò)冷,避免了傳統(tǒng)過(guò)冷法容易出現(xiàn)的冰堵問(wèn)題,同時(shí)直接接觸換熱具有制冰效率高的優(yōu)點(diǎn),因此成為一個(gè)新的研究方向。殷勇高等[11-12]將溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)與蒸發(fā)式過(guò)冷水制冰系統(tǒng)相結(jié)合,設(shè)計(jì)了溴化鋰吸收式低壓制冰系統(tǒng),閆俊海等[13-14]進(jìn)一步探究了基于溶液深度除濕和基于冷凍除濕的流態(tài)冰制取方法,通過(guò)理論和初步的實(shí)驗(yàn)研究證明了蒸發(fā)式過(guò)冷水制取流態(tài)冰的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而上述方法中,溶液除濕型制冰對(duì)除濕溶液的要求過(guò)高,需要尋求合適配比的濃溶液才能滿(mǎn)足制冰所需的超低含濕量空氣(3 g/(kg干空氣)以下)的要求,此外溶液除濕涉及除濕、再生等多個(gè)環(huán)節(jié),系統(tǒng)龐大復(fù)雜,阻礙了其進(jìn)一步的商業(yè)化推廣,冷凍除濕型制冰同樣容易出現(xiàn)結(jié)冰的問(wèn)題,而轉(zhuǎn)輪除濕設(shè)備簡(jiǎn)單,除濕效果良好,很容易將濕空氣除濕至較低含濕量,從而提高水滴的過(guò)冷度,提高制冰效率。目前關(guān)于轉(zhuǎn)輪除濕型的制冰方法尚無(wú)人研究,因此本文提出了基于轉(zhuǎn)輪除濕的蒸發(fā)式過(guò)冷水制取流態(tài)冰的方法,利用轉(zhuǎn)輪除濕提供低含濕量空氣,利用CO2熱泵給除濕后的空氣降溫,同時(shí)經(jīng)過(guò)氣體冷卻器側(cè)的高溫空氣為轉(zhuǎn)輪除濕提供再生熱量,實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)能量的綜合利用。并通過(guò)模擬分析初步驗(yàn)證了新型流態(tài)冰制取系統(tǒng)的可行性與高效性,研究了主要運(yùn)行參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響,為下一步實(shí)驗(yàn)研究做出了有益探索。

1 系統(tǒng)流程

基于轉(zhuǎn)輪除濕的蒸發(fā)式過(guò)冷水制取流態(tài)冰系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)輪除濕模塊、CO2熱泵冷卻再生模塊、蒸發(fā)制冰模塊3個(gè)模塊組成。轉(zhuǎn)輪除濕模塊作為提供蒸發(fā)條件的模塊,通過(guò)除濕轉(zhuǎn)輪的周期轉(zhuǎn)動(dòng),除去來(lái)自蒸發(fā)制冰室的水蒸氣,保證水滴在低水蒸氣壓力下持續(xù)蒸發(fā)降溫;CO2熱泵冷卻再生模塊作為系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源模塊,一方面對(duì)干燥后升溫的空氣降溫冷卻,另一方面加熱再生空氣,滿(mǎn)足轉(zhuǎn)輪除濕的再生溫度要求;蒸發(fā)制冰模塊作為流態(tài)冰最終生成的核心模塊,水滴在蒸發(fā)制冰室內(nèi)降溫、過(guò)冷、結(jié)冰從而形成流態(tài)冰。

圖1 系統(tǒng)流程圖

3個(gè)模塊又可以細(xì)分為以下幾個(gè)具體循環(huán):

循環(huán)1為水循環(huán)。首先來(lái)自供水池中的常溫水在水泵的作用下,通過(guò)蒸發(fā)制冰室頂部的噴嘴,將其霧化成細(xì)小的水滴,水滴在下落的過(guò)程中與周?chē)蜏氐秃瑵窳康目諝獍l(fā)生劇烈的傳熱傳質(zhì),水滴溫度迅速降至0 ℃以下至過(guò)冷狀態(tài)。然后同傳統(tǒng)過(guò)冷水法類(lèi)似,過(guò)冷的水滴通過(guò)撞擊底部的過(guò)冷解除裝置,過(guò)冷狀態(tài)被打破,在一定過(guò)冷度的驅(qū)動(dòng)下,重新回到0 ℃,而一部分水滴轉(zhuǎn)變?yōu)楸?。由于水滴是在空曠的環(huán)境中過(guò)冷,不會(huì)出現(xiàn)管道的冰堵,因此沒(méi)必要依舊遵循傳統(tǒng)過(guò)冷水法中2 ℃的過(guò)冷度限制,水滴在一定溫度與含濕量的條件下可以達(dá)到更大的過(guò)冷度,從而大幅提高了單周期循環(huán)的制冰量。最后蒸發(fā)制冰室底部生成的冰水混合物進(jìn)一步通過(guò)冰水分離器,固體冰晶送入儲(chǔ)冰池,未結(jié)冰的水再一次進(jìn)行循環(huán)蒸發(fā)冷卻。

循環(huán)2為冷凍空氣循環(huán)。從蒸發(fā)制冰室出來(lái)的低溫濕空氣在風(fēng)機(jī)的抽吸下,進(jìn)入除濕轉(zhuǎn)輪的除濕區(qū),水蒸氣在經(jīng)過(guò)除濕區(qū)各狹小通道過(guò)程中,被通道周?chē)奈絼┲饾u吸收,同時(shí)水蒸氣凝結(jié)釋放潛熱。與溶液除濕不同的是,此時(shí)的潛熱大部分轉(zhuǎn)移至除濕空氣,使除濕后的空氣溫度提高較多,升溫的空氣首先經(jīng)過(guò)空-空換熱器與常溫的環(huán)境空氣進(jìn)行充分換熱降溫,以減少冷卻能耗,然后送入CO2熱泵的蒸發(fā)器進(jìn)行冷卻降溫。為最大可能提高蒸發(fā)制冰室內(nèi)水滴的過(guò)冷度,在保證蒸發(fā)器不析出水分結(jié)冰的情況下,將空氣降溫至最低,即對(duì)應(yīng)含濕量空氣下的露點(diǎn)溫度。蒸發(fā)器出來(lái)的低溫、低含濕量空氣從蒸發(fā)制冰室的底部進(jìn)入,在溫差下,霧化下落的水滴與周?chē)諝膺M(jìn)行充分逆流換熱,同時(shí)在水蒸氣分壓力差下,發(fā)生潛熱換熱,在顯熱和潛熱的共同作用下,水滴溫度不斷下降,空氣溫度升高,含濕量增大,從而再次送入除濕區(qū)進(jìn)行下一次循環(huán)。

循環(huán)3為再生空氣循環(huán)。再生空氣的來(lái)源為環(huán)境空氣,常溫下的環(huán)境空氣首先經(jīng)過(guò)CO2熱泵的氣體冷卻器,對(duì)跨臨界條件下的CO2冷卻?？缗R界壓力下的CO2不會(huì)發(fā)生相變,因此可以產(chǎn)生較大的溫度滑移,從而與空氣溫度的上升相匹配,保證了在較小傳熱溫差下將環(huán)境空氣加熱至所需的再生溫度。高溫再生空氣進(jìn)入除濕轉(zhuǎn)輪的再生區(qū),通道內(nèi)的吸附劑在高溫下釋放水分,從而重新恢復(fù)除濕能力。系統(tǒng)在再生空氣的循環(huán)中還引入了其他能量輸入模塊,可以根據(jù)再生溫度要求,靈活補(bǔ)充太陽(yáng)能、工業(yè)余熱、廢熱等,進(jìn)一步減少制冰能耗。

循環(huán)4為CO2熱泵循環(huán)。CO2在低壓下蒸發(fā)吸熱,在跨臨界壓力下被氣體冷卻器冷卻,循環(huán)中設(shè)置回?zé)崞?以降低進(jìn)入節(jié)流閥之前的溫度,減少節(jié)流損失;壓縮機(jī)選擇最優(yōu)排氣壓力,以實(shí)現(xiàn)性能系數(shù)的最大。相比于一般熱泵,CO2熱泵可以在維持較低蒸發(fā)溫度的同時(shí),提供高溫?zé)嵩?這恰好契合了本系統(tǒng)的要求:既需要低溫冷源承擔(dān)冷卻空氣的顯熱負(fù)荷,也需要高溫?zé)嵩闯袚?dān)再生的潛熱負(fù)荷。

2 系統(tǒng)模型

2.1 蒸發(fā)制冰模型

蒸發(fā)制冰室內(nèi)水滴的蒸發(fā)降溫、過(guò)冷是系統(tǒng)制冰的關(guān)鍵環(huán)節(jié),水滴的傳熱傳質(zhì)效果、水滴所能達(dá)到的過(guò)冷度,直接影響產(chǎn)冰量;此外通入空氣與水的比例、空氣的溫升與含濕量的變化又影響除濕能耗及冷卻能耗。現(xiàn)有水滴蒸發(fā)模型[15-16]大部分是在單個(gè)水滴的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,僅考慮水滴溫度的變化,將周?chē)諝庖暈闊o(wú)限量。而對(duì)本系統(tǒng)而言,空氣參數(shù)的變化情況同樣至關(guān)重要,因此建立蒸發(fā)制冰室內(nèi)有限量空氣與有限量水的傳熱傳質(zhì)模型是十分必要的。

蒸發(fā)制冰室中空氣與水熱質(zhì)交換的一維模型如圖2所示,取水滴下落高度dy的微元控制體來(lái)研究制冰室內(nèi)霧化水滴與空氣的熱質(zhì)交換關(guān)系。

圖2 蒸發(fā)制冰室一維模型

2.1.1 傳質(zhì)方程

水滴的單位時(shí)間蒸發(fā)量:

(1)

水滴直徑隨時(shí)間的變化:

(2)

根據(jù)水滴和空氣傳質(zhì)守恒可得:

dmw=Mw,e=madda

(3)

化簡(jiǎn)可得空氣含濕量的變化:

(4)

2.1.2 能量方程

水滴與空氣的顯熱交換量為:

Qc=hc(Ta-Td)A

(5)

水滴與空氣的潛熱交換量為:

Qe=Mw,eLw=Lwhm(da,s-da)A

(6)

水滴與空氣之間總的換熱量等于單位時(shí)間內(nèi)水滴內(nèi)能的變化量:

mwcp,wdTd=Qc+Qe=hc(Ta-Td)A+Lwhm(da,s-da)A

(7)

水滴溫度的變化為:

(8)

根據(jù)水滴和空氣能量守恒得:

madha=cp,wmwTd-cp,w(mw-dmw)(Td-dTd)

≈cp,wmwdTd+cp,wTddmw

(9)

推導(dǎo)可得空氣的焓值變化為:

(10)

由濕空氣焓值計(jì)算公式可得空氣溫度變化為:

(11)

2.2 轉(zhuǎn)輪除濕模型

2.2.1 模型假設(shè)

本文選取轉(zhuǎn)輪除濕中常用的硅膠作為吸附劑,硅膠吸附劑以正弦壁面包圍著空氣共同構(gòu)成轉(zhuǎn)輪的流動(dòng)通道。取除濕轉(zhuǎn)輪中的一個(gè)氣流通道作為研究對(duì)象,可用其在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)不同時(shí)刻(或不同位置)的狀態(tài)描述整個(gè)轉(zhuǎn)輪在同一時(shí)刻的工作狀態(tài)。為簡(jiǎn)化計(jì)算,模型進(jìn)行如下假設(shè):

1)氣流的流動(dòng)、傳質(zhì)和傳熱是一維的;

2)忽略軸向熱傳導(dǎo)和質(zhì)量擴(kuò)散,并假設(shè)熱量和質(zhì)量的交換只通過(guò)對(duì)流來(lái)完成;

3)多孔介質(zhì)的熱物性、顆粒直徑和孔隙率等參數(shù)在空間上處處相等。

2.2.2 控制方程

空氣中水分質(zhì)量平衡方程為:

(12)

空氣能量平衡方程為:

(13)

吸附劑中水分質(zhì)量平衡方程為:

(14)

吸附劑中能量平衡方程為:

(15)

2.3 CO2熱泵冷卻再生模型

2.3.1 數(shù)學(xué)模型建立

CO2熱泵循環(huán)如圖3所示。

圖3 CO2熱泵系統(tǒng)T-s圖

對(duì)于蒸發(fā)器:

Qeva=mr(h6-h5)=macp,a(Ta,in-Ta,out)

(16)

對(duì)于壓縮機(jī):

ηall=-0.002 1rp2-0.015 5rp+0.732 5

(17)

h2=h1+(h2s-h1)/ηall

(18)

WC=h2-h1

(19)

對(duì)于氣體冷卻器:

Qgas=mr(h2-h3)=mz,acp,a(Tz,a,in-Tz,a,out)

(20)

對(duì)于回?zé)崞?

(21)

對(duì)于節(jié)流閥:

h5=h4

(22)

2.3.2 模型優(yōu)化

相比于一般熱泵,跨臨界CO2熱泵具有一個(gè)重要特性:即在相同的氣體冷卻器出口溫度下,存在一個(gè)最優(yōu)的氣體冷卻壓力使循環(huán)的COP(coefficient of performance)達(dá)到最大值,該壓力也被稱(chēng)為最優(yōu)排氣壓力(或最優(yōu)高壓壓力),因此在確定氣體冷卻器進(jìn)、出口溫度條件下,如何選取合適的排氣壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響至關(guān)重要。此外氣體冷卻器由于夾點(diǎn)溫差[17]的存在,使得系統(tǒng)實(shí)際性能與理論模擬相差較大,因此模型優(yōu)化主要圍繞是否滿(mǎn)足夾點(diǎn)溫差與是否滿(mǎn)足最優(yōu)排氣壓力兩個(gè)因素進(jìn)行,模型優(yōu)化流程如圖4所示。

圖4 模型優(yōu)化求解流程圖

2.4 模型驗(yàn)證

蒸發(fā)制冰室中通過(guò)高壓霧化噴嘴形成的液滴直徑非常小,很難進(jìn)行單個(gè)微小水滴的實(shí)驗(yàn)研究。因此將本文建立的蒸發(fā)制冰模型與單個(gè)大水滴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[15]進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果如圖5所示。在不同工況參數(shù)條件下,模擬計(jì)算得到的水滴在蒸發(fā)過(guò)冷階段的溫度變化與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)基本一致,驗(yàn)證了模型的有效性。

圖5 蒸發(fā)制冰模型驗(yàn)證圖

將本文建立的轉(zhuǎn)輪除濕模型與余卓雷等[18]開(kāi)展的除濕轉(zhuǎn)輪的傳熱傳質(zhì)特性研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,在相同進(jìn)口工況下,計(jì)算了不同轉(zhuǎn)輪再生溫度對(duì)處理空氣進(jìn)出口含濕量變化和進(jìn)出口溫度變化的影響。驗(yàn)證結(jié)果如圖6所示,其中處理空氣進(jìn)出口含濕量和溫度的誤差絕大部分均在15%以?xún)?nèi),因此可以利用本模型分析和預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)輪除濕出口空氣的含濕量和溫度。

圖6 轉(zhuǎn)輪除濕模型驗(yàn)證圖

將本文建立的CO2熱泵冷卻再生模型與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)[19]進(jìn)行對(duì)比,在實(shí)驗(yàn)工況下計(jì)算了熱泵制冷COP,并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比。驗(yàn)證結(jié)果如圖7所示,模型的誤差幾乎在10%以?xún)?nèi),驗(yàn)證了建立的CO2熱泵模型的準(zhǔn)確性。

圖7 CO2熱泵模型驗(yàn)證圖

3 系統(tǒng)性能分析

3.1 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

新型的流態(tài)冰制取方法是在傳統(tǒng)過(guò)冷水法原理基礎(chǔ)上改進(jìn)的,將兩者進(jìn)行性能對(duì)比是十分有價(jià)值的。本文引入兩個(gè)對(duì)比評(píng)價(jià)指標(biāo):單周期制冰量mice和制冰性能系數(shù)CCIPP。

定義單周期制冰量為制冰系統(tǒng)循環(huán)一次所產(chǎn)生的制冰量。在循環(huán)中,當(dāng)過(guò)冷度為ΔT的水滴打破過(guò)冷狀態(tài),一部分水滴形成冰晶,而其余部分水滴則回到0 ℃,形成冰水混合物。此時(shí)產(chǎn)生的制冰量為:

mice=cp,wmwΔT/rf

(23)

定義制冰性能系數(shù)為單周期制冰量與整個(gè)制冰的系統(tǒng)輸入總能量之比:

CCIPP=mice/W總

(24)

對(duì)于傳統(tǒng)過(guò)冷水法,假設(shè)水的初始溫度為T(mén)w,in,進(jìn)水質(zhì)量流量為mw,系統(tǒng)制冷系數(shù)為COP,而傳統(tǒng)過(guò)冷水法的過(guò)冷度ΔT一般為定值,受過(guò)冷度限制一般取為2 ℃,則系統(tǒng)單周期制冰量、總能耗和制冰性能系數(shù)分別為:

mice,1=cp,wmwΔT/rf

(25)

W總,1=cp,wmw(Tw,in+ΔT)/COP

(26)

(27)

對(duì)于新型的流態(tài)冰制取方法,在進(jìn)水質(zhì)量流量mw相同下,mice主要取決于水滴的過(guò)冷度ΔT,而水滴過(guò)冷度與水滴在蒸發(fā)制冰室中的降溫效果相關(guān),因此ΔT非定值,而微小水滴在快速冷卻下的最大過(guò)冷度可以達(dá)到10 ℃以上[20-21]。假設(shè)水滴降溫最終所達(dá)到的溫度為T(mén)d,end,則ΔT=273-Td,end。新系統(tǒng)需要的能量輸入主要分為三部分:1)轉(zhuǎn)輪除濕模塊再生端需要的再生熱量輸入Qz;2)CO2熱泵冷卻再生模塊冷卻空氣所需要的能量輸入WC;3)系統(tǒng)水循環(huán)和空氣循環(huán)中水泵和風(fēng)機(jī)的能耗,由于流量較小,該部分能耗占比不到10%,本研究中總能耗W總可忽略水泵與風(fēng)機(jī)能耗。同時(shí),新系統(tǒng)高溫端的能量輸出為Qgas。若Qgas

(28)

則新型流態(tài)冰制取系統(tǒng)單周期制冰量和制冰性能系數(shù)分別為:

mice,2=cp,wmw(273-Td,end)/rf

(29)

(30)

3.2 系統(tǒng)主要參數(shù)對(duì)性能的影響

新型流態(tài)冰制取系統(tǒng)的性能表現(xiàn)與轉(zhuǎn)輪除濕、CO2熱泵的運(yùn)行參數(shù)以及水與空氣的初始參數(shù)密切相關(guān)。例如,對(duì)于轉(zhuǎn)輪除濕,再生溫度越高,除濕后空氣的含濕量越低,水滴的過(guò)冷度越大,但同時(shí)對(duì)CO2熱泵的熱量需求也增大;減少除濕轉(zhuǎn)輪再生角度,可以有效降低再生溫度,但又會(huì)影響除濕效果;不同的氣水比和水滴直徑同樣對(duì)系統(tǒng)性能影響較大。因此本文重點(diǎn)研究了以上幾個(gè)系統(tǒng)主要參數(shù)對(duì)制冰性能系數(shù)的影響,探究系統(tǒng)運(yùn)行的最優(yōu)工況條件。

系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)置如表格1所示。在保持其他參數(shù)不變的條件下,分別改變轉(zhuǎn)輪再生溫度、再生角度、水滴直徑和氣水比的變化范圍,研究不同參數(shù)對(duì)制冰性能的影響。

3.2.1 不同再生溫度

圖8所示為轉(zhuǎn)輪的不同再生溫度對(duì)制冰性能的影響。由圖8(a)可知,在70～100 ℃范圍內(nèi),CCIPP先迅速增大,然后緩慢增至最大;當(dāng)再生溫度超過(guò)100 ℃繼續(xù)提高時(shí),CCIPP反而逐漸下降。CCIPP升高是因?yàn)樵偕鷾囟仍礁?除濕越充分,水滴蒸發(fā)過(guò)冷度越大,使單周期制冰量越大。而CCIPP降低的原因來(lái)自于兩方面:1)再生溫度越高,CO2熱泵氣體冷卻器的出口溫度越高,COP的降低促使壓縮機(jī)功耗增加;2)由圖8(b)可知,隨著再生溫度的提高,轉(zhuǎn)輪所需的再生熱量不斷提高,當(dāng)CO2熱泵的熱量小于再生熱量時(shí),需要額外的壓縮機(jī)作功才能保證再生要求。因此雖然再生溫度的提高使制冰量增加,但此時(shí)系統(tǒng)能量輸入的增加量更大,導(dǎo)致CCIPP下降。為盡可能利用其他低品位熱源,增加系統(tǒng)再生端熱源利用靈活性,本系統(tǒng)選取再生溫度為90 ℃作為最佳運(yùn)行工況條件。

圖8 再生溫度對(duì)制冰性能的影響

3.2.2 不同轉(zhuǎn)輪再生角度

圖9所示為不同轉(zhuǎn)輪再生角度對(duì)制冰性能的影響。選取3種常規(guī)的轉(zhuǎn)輪再生角度進(jìn)行模擬分析,結(jié)果顯示:當(dāng)轉(zhuǎn)輪再生角度從90°變?yōu)?35°時(shí),CCIPP提高了1.8倍,而當(dāng)轉(zhuǎn)輪再生角度從135°變?yōu)?80°時(shí),CCIPP提高了5.6%。由此可知,增大轉(zhuǎn)輪再生角度可以有效提高CCIPP。此外在3種轉(zhuǎn)輪再生角度下,CO2熱泵的熱量均高于轉(zhuǎn)輪再生熱量,且再生角度越小,剩余的熱量越大,證明了在3種工況下,本系統(tǒng)均可以滿(mǎn)足再生熱量的需求。為充分利用多余的CO2熱泵熱量,本系統(tǒng)選取轉(zhuǎn)輪再生角度為180°作為最佳運(yùn)行工況條件。

表1 系統(tǒng)基本參數(shù)

圖9 轉(zhuǎn)輪再生角度對(duì)制冰性能的影響

3.2.3 不同水滴直徑

圖10所示為不同水滴直徑對(duì)制冰性能的影響。蒸發(fā)制冰室的進(jìn)水在高壓噴嘴下,霧化形成直徑非常小的水滴,如何選取噴嘴形成一定直徑大小的水滴從而提高水滴降溫效果具有重要意義。由圖10(a)可知,隨著水滴直徑的不斷降低,系統(tǒng)CCIPP不斷升高,當(dāng)水滴直徑小于200 μm時(shí),CCIPP基本保持不變。圖10(b)表明不同水滴直徑對(duì)CO2熱泵和轉(zhuǎn)輪再生區(qū)的熱量影響較小,且系統(tǒng)均可以滿(mǎn)足再生熱量的需求。為降低對(duì)霧化噴嘴的要求,本系統(tǒng)選取水滴直徑為200 μm作為最佳運(yùn)行工況條件。

圖10 水滴直徑對(duì)制冰性能的影響

3.2.4 不同氣水比

圖11所示為不同氣水比對(duì)制冰性能的影響。蒸發(fā)制冰室內(nèi)通入的空氣與水進(jìn)行逆流換熱,空氣與水的比例不僅決定著水滴的蒸發(fā)降溫效果,也決定著系統(tǒng)冷卻空氣需要的能耗。由圖11(a)可知,CCIPP隨著氣水比的增大先快速增大然后緩慢下降。這是因?yàn)檎舭l(fā)制冰室內(nèi)水滴的不斷蒸發(fā)會(huì)使空氣含濕量增大,當(dāng)氣水比較小時(shí),空氣含濕量快速增加,從而影響蒸發(fā)降溫效果,導(dǎo)致制冰量降低。然而氣水比并非越大越好,空氣流量越大,需要轉(zhuǎn)輪除濕的空氣越多,CO2熱泵將空氣冷卻至對(duì)應(yīng)露點(diǎn)溫度的能耗也越大。圖中顯示,當(dāng)氣水比為4時(shí),CCIPP反而為負(fù)數(shù),說(shuō)明此時(shí)工況已不能滿(mǎn)足將水滴降溫至0 ℃以下而結(jié)冰。當(dāng)氣水比為6時(shí),制冰性能系數(shù)達(dá)到最大,且由圖11(b)可知,此時(shí)系統(tǒng)完全可以滿(mǎn)足再生熱量的需求。因此本系統(tǒng)選取氣水比為6作為最佳運(yùn)行工況條件。

圖11 氣水比對(duì)制冰性能的影響

3.3 系統(tǒng)性能對(duì)比

在已經(jīng)確定系統(tǒng)主要參數(shù)最佳運(yùn)行工況條件的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了新型流態(tài)冰制取方法相比于傳統(tǒng)過(guò)冷水法的性能表現(xiàn)。系統(tǒng)最佳運(yùn)行參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 系統(tǒng)最佳運(yùn)行參數(shù)

在最佳運(yùn)行參數(shù)設(shè)置下,圖1所示新型流態(tài)冰制取系統(tǒng)中各循環(huán)具體運(yùn)行參數(shù)變化如下:循環(huán)1水循環(huán)中,25 ℃常溫水進(jìn)入蒸發(fā)制冰室,通過(guò)霧化噴嘴,霧化成平均直徑為200 μm的水滴,然后與入口低溫低含濕量空氣(溫度為-10.9 ℃,含濕量為1.5g/(kg干空氣))進(jìn)行充分逆流換熱,水滴快速冷卻至-10.6 ℃,經(jīng)過(guò)過(guò)冷解除裝置,一部分水滴形成冰晶。循環(huán)2冷凍空氣循環(huán)中,蒸發(fā)制冰室出口的高濕空氣(溫度為8.8 ℃,含濕量為7.1 g/(kg干空氣))進(jìn)入轉(zhuǎn)輪除濕,含濕量重新降低為1.5 g/(kg干空氣),經(jīng)過(guò)空-空換熱器與蒸發(fā)器冷卻,溫度重新降至-10.6 ℃,從而滿(mǎn)足制冰需求。循環(huán)3再生空氣循環(huán)中,含濕量為14 g/(kg干空氣)、溫度為25 ℃的環(huán)境空氣首先進(jìn)入氣體冷卻器升溫至90 ℃,再進(jìn)入轉(zhuǎn)輪除濕的再生區(qū),溫度降低為63 ℃,含濕量升為20.5 g/(kg干空氣),再次排回環(huán)境空氣中。循環(huán)4 CO2熱泵循環(huán)中,低溫CO2在蒸發(fā)器側(cè)將除濕空氣冷卻至-10.9 ℃,高溫CO2在氣體冷卻器側(cè)將再生空氣加熱至90 ℃。

圖12進(jìn)一步對(duì)比了傳統(tǒng)過(guò)冷水法和新型流態(tài)冰制取方法的性能。由圖12可知,本系統(tǒng)在最佳運(yùn)行工況條件下,相比于傳統(tǒng)過(guò)冷水法,CCIPP提高了25.9%,在減少制冰能耗的同時(shí)避免了過(guò)冷水法容易出現(xiàn)的冰堵問(wèn)題;此外本系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)過(guò)冷水法中對(duì)過(guò)冷度的限制,水滴在快速降溫下的過(guò)冷度大幅提高,單周期制冰量mice提高了4.3倍,從而極大提高了制冰效率。通過(guò)系統(tǒng)性能的對(duì)比,進(jìn)一步證明了本文提出的基于轉(zhuǎn)輪除濕的蒸發(fā)式過(guò)冷水制取流態(tài)冰方法的可行性與高效性。

圖12 兩種制冰方法的性能對(duì)比

4 結(jié)論

本文在蒸發(fā)式過(guò)冷水制取流態(tài)冰的基礎(chǔ)上,提出了一種新型的基于轉(zhuǎn)輪除濕的流態(tài)冰制取方法,通過(guò)理論模擬對(duì)系統(tǒng)制冰性能進(jìn)行綜合分析,得到以下結(jié)論:

1)通過(guò)轉(zhuǎn)輪除濕營(yíng)造低水蒸氣分壓力環(huán)境,實(shí)現(xiàn)水滴的管外過(guò)冷,既避免了傳統(tǒng)過(guò)冷水法的冰堵問(wèn)題,又不需要維持真空所需要的大量能耗;與其他溶液除濕型流態(tài)冰制取方法相比,系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單且除濕效果更好,實(shí)現(xiàn)了水滴更大的過(guò)冷度,且依靠系統(tǒng)自身的冷凝熱即可滿(mǎn)足轉(zhuǎn)輪再生需求。

2)轉(zhuǎn)輪的再生溫度并非越大越好。系統(tǒng)制冰性能系數(shù)隨再生溫度的升高先增大然后降低,當(dāng)再生溫度為90 ℃時(shí),系統(tǒng)具有較好的制冰性能,且可以靈活利用其他低品位熱源,進(jìn)一步減少能耗。

3)轉(zhuǎn)輪的再生角度越大,系統(tǒng)制冰性能越好。在滿(mǎn)足除濕空氣需求前提下,盡可能增大轉(zhuǎn)輪再生區(qū)的面積以提高制冰性能,當(dāng)選取再生角度為180°時(shí),系統(tǒng)具有更高的制冰性能系數(shù)。

4)霧化水滴的直徑越小,系統(tǒng)制冰性能越好。但隨著直徑的進(jìn)一步降低,性能系數(shù)提高的越來(lái)越少。為降低對(duì)噴嘴壓力的要求,選取霧化水滴的直徑為200 μm。

5)通入空氣和水的質(zhì)量流量比例對(duì)系統(tǒng)性能影響較大。系統(tǒng)制冰性能系數(shù)隨著氣水比的增大先增大后降低,當(dāng)氣水比為6時(shí),系統(tǒng)具有最大制冰性能系數(shù)。

6)在最佳運(yùn)行工況條件下,新型制冰系統(tǒng)的性能系數(shù)比傳統(tǒng)過(guò)冷水法提高了25.9%,單周期制冰量提高了4.3倍。

符號(hào)說(shuō)明

A——水滴的總傳質(zhì)面積,m2

CCIPP——制冰性能系數(shù),kg/kJ

COP——系統(tǒng)制冷系數(shù)

COPheat——系統(tǒng)制熱系數(shù)

cp,w——水比定壓熱容,kJ/(kg·K)

cp,a——空氣比定壓熱容,kJ/(kg·K)

ctot——吸附劑固體綜合比熱,kJ/(kg·K)

da,s——水滴表面飽和邊界層的空氣含濕量,kg/(kg干空氣)

da——流動(dòng)空氣的含濕量,kg/(kg干空氣)

Dc——?dú)怏w二元擴(kuò)散系數(shù),m2/s

Dd——水滴直徑,m

Dh——蜂窩通道的當(dāng)量直徑,m

fcv——控制體cv與整個(gè)氣體冷卻器的換熱量之比

fd——吸附劑質(zhì)量占固體基體質(zhì)量比例

h1～h6——不同制冷劑狀態(tài)點(diǎn)焓值,kJ/kg

ha——空氣的焓值,kJ/kg

hc——水滴與空氣間對(duì)流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),kW/(m2·K)

hm——水滴與空氣間單位面積傳質(zhì)速率,kg/(m2·s)

hr,cv——控制體cv處制冷劑焓值,kJ/kg

kc——空氣與吸附劑間對(duì)流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),kW/(m2·K)

km——空氣與吸附劑間傳質(zhì)系數(shù),m/s

Lw——蒸發(fā)潛熱,kJ/kg

ma——空氣的質(zhì)量流量,kg/s

mice——制冷劑流量,kg/s

mw——進(jìn)水質(zhì)量流量,kg/s

mr——制冷劑流量,kg/s

mz,a——再生空氣流量,kg/s

Mw,e——水滴的單位時(shí)間蒸發(fā)量,kg/s

Nu——努塞爾數(shù)

p2——2點(diǎn)制冷劑壓力,Pa

Qc——水滴與空氣的顯熱交換量,kW

Qcv——微元控制體cv內(nèi)換熱量,kW

Qe——水滴與空氣的潛熱交換量,kW

Qeva——蒸發(fā)器制冷量,kW

Qgas——?dú)怏w冷卻器排熱(即提供轉(zhuǎn)輪再生熱量),kW

Qz——再生熱量輸入,kW

qst——吸附熱,kJ/kg

rf——水的凝固潛熱,kJ/kg

rp——壓縮機(jī)壓比

Sh——舍伍德數(shù)

t——時(shí)間,s

T1、T2——空氣、吸附劑固體的溫度,K

ΔT——水滴的過(guò)冷度,K

ΔTcv,min——控制體cv處最小夾點(diǎn)溫差,K

ΔTpp——夾點(diǎn)溫差,K

Ta——空氣的溫度,K

Td——水滴的溫度,K

Ta,in、Ta,out——冷凍空氣進(jìn)、出口溫度,K

Td,end——水滴降溫最終所達(dá)到的溫度,K

Tr,1～6——不同制冷劑狀態(tài)點(diǎn)溫度

Tw,in——水的初始溫度,K

Tz,a,in、Tz,a,out——?dú)怏w冷卻器進(jìn)、出口空氣溫度(即再生空氣溫度),K

Tz,a,cv——控制體cv處再生空氣溫度,K

u——空氣的流動(dòng)速度,m/s

W——吸附量,kg/kg吸附劑

WC——壓縮機(jī)總功耗,kJ

w1、w2——外部空氣的含濕量、吸附劑孔隙內(nèi)的含水量,kg/kg

W總——制冰系統(tǒng)總能耗,kJ

ρa(bǔ)——空氣的密度,kg/m3

ρd——吸附劑固體的密度,kg/m3

ρw——水的密度,kg/m3

εd——吸附劑固體的孔隙率

ηall——壓縮機(jī)總效率

ηIHX——回?zé)崞鲹Q熱效率

λa——空氣傳熱系數(shù),kW/(m2·K)

下標(biāo)

a—— 空氣

cv——微元控制體

d——單個(gè)水滴

w——水

v——水蒸氣

in——進(jìn)口

out——出口

z,a——再生空氣