冰蓄冷研究的现状与展望

第1页冰蓄冷研究的现状与展望清华大学张寅平*中国科学技术大学邱国佺**PresentstateandperspectivesoficecoolstorageresearchByZhangYinpingandQiuGuoquan提要对冰蓄冷技术的研究和开发现状作了综述，讨论了其中尚未解决的一些问题及技术难点，展望了近期冰蓄冷研究和开发的走向。关键词冰蓄冷空调换热AbstractReviewsthecurrentstatusofresearchanddevelopmentoficecoolstoragetechnology.Describesanddiscussessometechnicalproblemsandnewkeytechnologies,presentspossibledevelopmentoficecoolstorageinthenearfuture.Keywordsicecoolstorage，air-conditioning，heatexchange1引言世界上很多国家都在想方设法降低电网负荷的峰谷差，而空调电耗对电网负荷有很大的影响，因此，低能耗、可用电网低谷电的空调设备及相应的蓄冷技术和系统的研究开发就成了近年来空调、储能领域的国际性热门课题，其中，尤以冰蓄冷空调的研究和应用受到研究者重视。这方面，美国、日本等发达国家的研究和应用水平较高。本文基于对日本在该领域研究状况的分析，对冰蓄冷研究的现状和今后的研究方向作一简单的介绍，希望对我国正在崛起的蓄冷空调的研究和开发有所帮助。2蓄冷空调的研究和开发现状2．1制冰方法的分类和评述与水蓄冷相比，冰蓄冷系统的优点是：蓄冷密度高，使蓄冷槽体积较小；温度稳定，便于控制；热设计的灵活性强。冰蓄冷中的制冰方式主要有两种：①静态制冰方式，即在冷却管外或盛冰容器内结冰，冰本身始终处于相对静止状态；②动态制冰方式，该方式中有冰晶、冰浆（iceslurry）生成，且冰晶、冰浆处于运动状态。静态制冰由于系统简单，现已成为应用中冰蓄冷系统的主流。然而，静态制冰法也有自身的缺点：冰层的增厚使热阻增大，导致冷冻机的性能系数（COP）降低；一些静态系统中冰块的相互粘连导致水路堵塞。目前，冰蓄冷研究的主要目标为动态制冰技术。动态制冰方式约有40多种，其中冰水混合浆（即含有很多悬浮冰晶的不，英文名为iceslurry）技术最受研究者关注。冰水混合浆可采用管道输运，其换热需采用换热器。虽然这种动态制冰方式很有前途，但迄今尚未商业化。该系统的性能测试和优化、管理技术和经济性还需进一步完善。表1对现有制冰法进行了分类。种类说明静态制冰法管外制冰（iceontube）制冰方式：传热流体通过管簇，管簇内通冷媒冷却方式：冷媒直接膨胀第2页管内制冷（iceintube）制冰方式：流体通过管外，管内结冰冷却方式：冷媒直接膨胀或盐水循环冷却密闭容器制冰式容器形状：球形，圆柱形，平板形冷却方式：盐水循环冷却动态制冰法间接换热法收获（harvest）制冰法制冰式：水或水溶液从冷却表面（圆柱内表面或外表面、竖板表面流下）除冰法；机械剥离法或热融解剥离法冷却方式：冷媒直接膨胀或盐水循环冷却液态水制冰制冰法：水溶液从冷却面自然流下冷媒蒸发器内水溶液的离心流动水溶液的管内强制流动冷却方式：冷媒直接膨胀或盐水循环过冷却制冰制冰法：流动水和水溶液通过换热器换热冷却方式：冷媒直接膨胀或盐水循环冷却直接换热法冰晶制冰法制冰法：由低沸点冷媒在水中蒸发产生冰晶或与水不相溶的低温高密度液体在水层边喷射而获得显热利用，从而制冰冷却方式：冷媒直接膨胀或盐水循环冷却其它制冰（冰）法制冰法：由真空状态下的水蒸发，导致高分子物质-水溶液相变冷却方式：水的直接蒸发冷却干燥冰晶制备法制冰法：冷媒蒸气和喷射水雾直接接触而产生冰晶或由空气的绝热膨胀而产生的低温空气和喷射水雾直接接触生成冰晶2．2制冰技术2．2．1制冰技术的现状冰蓄冷技术中制冰是关键，各类制冰法如表1所示。图1～4为几种制冰方法的示意图。图1流动过冷却水制冰法第3页图2冷媒（戊烷）蒸发制冰法图3低沸点冷媒蒸发制冰法图4低温液态冷媒显热换热制冰法2．2制冰技术课题第4页关于制冰法中的技术问题，下面列举的研究开发课题是很有意义的：（1）客观地评价各种制冰法，统一制冰效率的含义；（2）确立各种制冰法充填率（IPF，即icepackingfactor）的合适算法；（3）研究静态制冷法高IPF情况下避免冰层相互粘连的办法；（4）研究管内制冰法高IPF情况下防止冰堵塞的方法；（5）图5所示的制冰方式中，如何使水滴下时形成厚度均匀的冰层；（6）对密闭容器内的制冰方式，增加密闭容器材料的导热性能、防止相变材料的过冷和分层、防止冰生长时容器内空气压力增大导致容器破裂；（7）对收获（harvest）型制冰，寻找新型冰层剥离法和减少剥离能耗以及延长机械冰剥离器寿命和降低剥离噪声；（8）对图6所示的冰水悬浮液制冰法，如何有效增加IPF和防止管内壁冰层附着造成流道冰堵塞；图5下降液膜制冰法图6管内水溶液下降膜制冰法第5页（9）对图1所示的过冷水制冰系统，如何避免过冷水在换热器壁上冻结形成的阻塞；（10）对片状冰晶制冰法，如何提高其IPF及如何提高低温冷媒和水的换热效率；（11）高分子化合物（作为储冷相变材料）--水的流动性能及其改善的研究，它们的稳定性及其改善的研究；（12）对采用笼形化合物（Clathrate）--水的储冷系统，研配不污染环境的笼形化合物；（13）对喷射水雾型冰晶产生系统，如何防止冰片间的粘合及如何提高冷媒蒸气和水雾的高效接触和换热。2．3蓄冰和取冰技术2．3．1蓄冰槽①蓄冰槽的容量若蓄冰槽兼作冬天的热水蓄热槽，则蓄冰槽的体积需比仅考虑夏天蓄冷用的要大。一般，蓄冰槽体积按蓄冷量能满足冷气设备负荷的50%设计，这样，它在冬天作为热水蓄热槽的功能也可得以发挥。②蓄冰槽的形状蓄冰槽一般是立方体形或圆筒形。长宽比关系到充、释冷速率和蓄冰效率。要优化蓄冰槽内的换热，必须考虑蓄冰槽（或盛装相变材料的容器）的形状；蓄冰槽的设置位置和所用的冷媒决定了应采用开放型还是密闭型蓄冰槽。③蓄冰槽的隔热蓄冰槽隔热材料需作防水处理，特别是纤维系列的隔热材料，吸水后冻结，隔热性能大为下降。2．3．2蓄冰槽放冷技术①动态制冰法中冰的分散和输送动态制冰法中冰块在水溶液中处于分散状态，因此需在蓄冰槽内设置泵，强制冰--水循环形成。在蓄冰槽的冰水混合浆取出口，安有喷嘴。此外，为防止冰块进入输送管，在输送管口，需安置金属网。②冰浆取出机旋转翼型：旋转翼把蓄冰槽内的冰水混合浆送进输送管。螺杆（screw）型：如图7所示，凭借蓄冰槽内的喷射泵喷射水的力量，使冰水混合将流入配管。图7螺杆（screw）型冰浆输送法第6页球阀型：如图8所示，凭借蓄冰槽下部的泵，使冰浆流入配管。图8球阀型冰浆输送法③冰充填率（IPE）控制器为调整冰水混合浆的冰充填率（IPF），图9所示的管壁上，有一些孔穴，可将部分水排到管外，达到调整IPF的目的。此外，在冰水混合将流动方向上，可设置分流管，将水排出，达到增加IPF的目的。图9冰充填率（IPF）控制器2．3．3蓄冰和取冰技术展望为使蓄冰槽内的冰可长期储存，有必要研究防止冰块粘连的技术和取冰技术。若这些技术有所突破，则动态制冰技术将获得实质性发展。最近，下列技术得以实现或正在研究：利用冰的输送管实现小型蓄冰槽的二次利用，低温能量的分散储存，冰输送管兼作蓄冰槽。2．4冰输运技术冰水混合浆的输送技术，关系到动态制冰技术的普及。采用此技术输送冷量，与用冷水管输送相比，可大幅度缩小输送管的直径，降低配管投资。例如，与给水温度为7℃、回水温度为12℃的冷水输送情况比，输送IPF为15%冰浆，其配管管径约可减小一半。2．4．1细微冰浆的管内液体输送的现状和课题①冰浆在管内输送的流动状态和压力损失对IPF对20%以下、粒径1mm以下的细微冰粒，大致的管内流动情况和压力损失关系见图10。其中各种冰浆流动情况说明如下：第7页图10冰浆在管内输送的流动状态和压力损失示意图（a）浮冰/冷水双层流管内流速﹤0.5m/s，部分冰粒子停留在管子上部，其下部有冷水流动，形成双层流。与纯水的情况相比，此类流动压力损失较大。（b）冰粒子的飘浮流动管内流速0.5m/s，滞留在管子上部的冰粒子群向下部的水流层扩散，其压力损失和流速的关系见图10。（c）冰粒子的扩散剥离流动管内流速1m/s，冰粒子分布范围扩大到管内整个横断面，但上总后冰粒子密度仍较大，流动压力损失曲线和水的相应曲线已较接近。（d）冰粒子的均质流动管内流速2m/s，冰粒子在管内形成均匀分散的均质流动。其流动压力损失曲线和水的相应曲线很接近。若增大IPF，冰粒子会向管中央集中，与管壁的水流形成二层流，降低了流动阻力。流动压力损失曲线和水的相应曲线较接近。这里，管内流动压力损失随IPF的增大而增大，对应于压力损失最小值的临界流速也增大。如何减小管内流动阻力是今后需研究的课题。②冰块的管内阻塞现象冰块的管内阻塞现象是冰浆在管内输送的最大问题，目前，采取的防止方法有：增大管径，增大弯管的曲率和使用可挠管：为防止流量变动而采用定流量的泵；为防止冰在管内滞留而采用高速管流，以确保冰浆在管内的均质流动等。此外，更积极的办法是，采用定形相变材料颗粒，这类相变材料颗粒外部覆有一层膜，防止相变材料颗粒间的粘连；可采用乙二醇溶液作为传热液体。③采用大直径冰粒子和小直径冰粒子的混合以增大管道输送的载热能力如图11所示，直径为几cm的大粒子群和直径为1mm以下的小粒子混合，流动阻力小的小冰粒子在管壁附近流动，大的冰粒子在管道中央流动，出现了分球现象。这样，在不增加流动阻力的情况下，增大了IPF，从而增大了载热能力。第8页图11大、小直径冰粒子的混合对压力损失和IPF的影响示意图④冰浆在弯曲管、旁路管和阀门周围的流动状态和压力损失这方面的研究很少，至今仍只有定性研究结果，如：（a）垂直配管与水平配管相比，管内冰的浮力影响增大，管内流动压力损失较水小。(b)对90°弯管而言，冰浆的压力损失和水的接近或稍大。(c)分流管中冰浆的流动损失增大，且弯曲度增大，流动损失增大。(d)阀门部分（特别是喉道部分）易形成冰块阻塞。⑤输送配管可采用往返双管方式或循环单管方式。2．4．2冰粒子空气输送的现状和课题冰粒子可用空气输送。对口径为100～200mm的配管，需要的风速为15～30m/s。若用风速为5～10m/s的空气输送冰粒子，多数冰粒子以活塞（piston）状态流动，对该状态，有冰堵塞管道的危险。若冰与空气的体积比5%，用空气输送冰耗能较少。作为短距离的冰输送技术，高速空气运送是有趣的课题。2．5融冰技术的现状和展望2．5．1利用蓄冰槽内的换热器进行换热，换热器一般采用管式。2．5．2冰和回流冷媒（水、盐水、空气）的直接接触换热①由静态制冰法制成的冰和回流冷媒（水、盐水、空气）的直接接触换热蓄冰槽内的冷却管外形成冰层，回流冷媒被用来的冰层外强迫循环，靠对流换热融解冰层。这种外融式方法中，冰层周围有均一流动的回流冷媒是很重要的，这要求安装好冷媒液的均流板和分流管。此外，为增加传热，在蓄冰槽内吹空气光，也是行之有效的办法。②冰浆和回流液冷媒直接接触换热由动态制冰法获得的蓄冰槽内的冰浆分布在回流液冷媒中，因此，冷媒的温度较低，据报道，这种方法随负荷变化有很好的调节性能。2．5．3利用冰浆和回流暖空气间接接触换热同心套管式换热器，一侧流冰浆，另一侧流暖空气。换热过程中，冰粒子边第9页流动，边融解。冰粒子的融解速度是重要的释冷参数，这种方式与单管输送冰浆相比，IPF可有所增大（5%～10%），因为，这种情况下，冰层不易堵塞。但需注意回流空气冷却后的冷凝水处理问题。2．5．4利用冰浆和回流暖空气直接接触换热如图12所示，可利用冰浆和回流暖空气直接接触换热。图12冰浆和回流暖空气直接接触换热示意图2．5．5取冷技术的未来取冷技术的首要课题是研究无残存冰的融冰方法。目前，人们对冰浆技术较为关注。多数取冷法尚处于研究开发阶段