制冷与低温技术原理 (七) 多媒体教学课件 李文科 制作.

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1 制冷与低温技术原理 (七) 多媒体教学课件 李文科 制作

2 第七章 载冷与蓄冷 第一节 传统载冷剂与蓄冷剂 第二节 环保要求下载冷技术 的新发展 第三节 蓄 冷

3 第七章 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。
第七章 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。 将制冷机的蒸发器直接安装在用冷场所，使被冷却对象冷却，这是用制冷剂为冷源直接与被冷却对象热交换，叫做直接蒸发冷却或直接冷却。 以载冷剂或蓄冷剂为中间介质，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，叫做间接冷却。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，所以又将载冷剂或蓄冷剂叫做第二制冷剂(secondary refrigerant)。 载冷侧重于冷量的载输，蓄冷侧重于冷量的贮存。 载冷剂在制冷机的蒸发器与用冷场所的冷却器之间循环，作为载体传输冷量。

4 第七章 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冷却的，需要用载冷剂。采用载冷的优点在于：可以将制冷机系统集中在机房或者一个很小的范围内安装，使制冷系统的连接管道和接头减少，便于系统检漏，系统内制冷剂的充注量减少。特别是在大容量集中供冷的装置中，采用载冷的重要意义：便于解决冷量的分配和控制问题；便于机组的运行维护和管理；便于机组的使用与安装，生产厂家提供组装好的整套制冷机系统，用户只需在现场连接和安装载冷剂系统即可。 蓄冷剂作为冷量的贮存体。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。

5 第一节 传统载冷剂与蓄冷剂 内 容 提 要 一、对载冷剂性质的要求 二、常用的传统载冷剂 三、传统的蓄冷剂(共晶冰)

6 第一节 传统载冷剂与蓄冷剂 一、对载冷剂性质的要求
第一节 传统载冷剂与蓄冷剂 一、对载冷剂性质的要求 载冷剂以液态在蒸发器与用冷场所的冷却器之间循环，要求用作载冷剂的物质应在所需要的载冷温度下保持液态，不挥发；对设备无腐蚀，对人体无危害；载冷能力强；输送耗功少。因此要求载冷剂具备如下性质： (1)无毒、不可燃、无刺激性气味、化学稳定性好，在大气压力下不分解、不氧化、不改变其理化性质。 (2)在使用温度范围内呈液态。它的凝固点应低于制冷机的蒸发温度，沸点应远高于使用温度。 (3)密度小、粘度小、传热性好、比热容大。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。

7 第一节 传统载冷剂与蓄冷剂 二、常用的传统载冷剂
第一节 传统载冷剂与蓄冷剂 二、常用的传统载冷剂 常用的传统载冷剂有水、无机盐水溶液、有机液或有机物的水溶液等。各种载冷剂能够载冷的最低温度受其凝固点的限制。 (1)水 集中式空气调节中，水是最适宜的载冷剂。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。水的冰点为0℃，所以只适用于载冷温度在0℃以上的使用场合。

8 第一节 传统载冷剂与蓄冷剂 (2)无机盐水溶液
第一节 传统载冷剂与蓄冷剂 (2)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。最广泛使用的是氯化钙(CaCl2)水溶液，还有氯化钠(NaCl)和氯化镁(MgCl2)水溶液。 图7-1是盐水溶液的相图(T-w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。曲线WE为析冰线，EG为析盐线，E点为共晶点。共晶点所对应的温度和盐质量分数分别叫做共晶温度TE和共晶质量分数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(w＜wE)，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

9 第一节 传统载冷剂与蓄冷剂 图7－1 盐水溶液的相图

10 第一节 传统载冷剂与蓄冷剂 分数(w＝wE)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(w＞wE)，当溶液温度下降发生凝固时，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。共晶温度TE是溶液不出现结冰或析盐的最低温度。 依据溶液的上述特性，在配制盐水溶液载冷剂时，盐质量分数不宜超过其共晶质量分数。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5～8℃即可。CaCl2、NaCl和MgCl2水溶液的共晶温度分别是-55℃、-21℃和-34℃。

11 第一节 传统载冷剂与蓄冷剂 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，必须采取如下缓蚀措施：在盐水溶液中添加缓蚀剂。缓蚀剂通常采用二水铬酸钠(Na2Cr2O7-2H2O)溶液，其添加比例为1.5～2.0 g/L。

12 第一节 传统载冷剂与蓄冷剂 (3)有机载冷剂 1)甲醇、乙醇和它们的水溶液 甲醇的冰点为－97℃。乙醇的冰点为－117℃，可以用在低温载冷中。它们的纯液体密度和比热容都比盐水小。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。甲醇和乙醇都具有挥发性和可燃性，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)乙二醇、丙二醇和丙三醇水溶液 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。

13 第一节 传统载冷剂与蓄冷剂 3)纯有机液体 纯有机液体如二氯甲烷、三氯乙烯和其他氟利昂液体。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。

14 第一节 传统载冷剂与蓄冷剂 三、传统的蓄冷剂(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7－1所示的特征。
第一节 传统载冷剂与蓄冷剂 三、传统的蓄冷剂(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7－1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。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7－1示出某些共晶物质的共晶点和融化潜热。 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。

15 表7－1 某些共晶物质(水溶液)的共晶点和融化潜热
第一节 传统载冷剂与蓄冷剂 表7－1 某些共晶物质(水溶液)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NH3 0.33 －100 175 0.57 －87 310 0.81 －92 290 氯化钡BaCl2 0.22 －7.5 / 蔗糖C12H22O11 0.62 －14.5 氯化钙CaCl2 0.32 －55 212 氯化钠NaCl 0.23 －21 235 硫酸钠Na2SO4 0.04 －1.2 335

16 第二节 环保要求下载冷技术 的新发展 内 容 提 要 一、概 述 二、流态冰 三、环保型制冷与载冷系统

17 第二节 环保要求下载冷技术的新发展 一、概 述
第二节 环保要求下载冷技术的新发展 一、概 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。

18 第二节 环保要求下载冷技术的新发展 现在，用流态冰载冷的间接冷却产品正在获得推广。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。

19 第二节 环保要求下载冷技术的新发展 二、流态冰
第二节 环保要求下载冷技术的新发展 二、流态冰 所谓流态冰就是具有流动性的冰。它由微小的冰晶组成，每粒冰晶的尺寸很小。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。 与水或盐水相比，流态冰载冷有以下优点： (1)单位载冷能力大，故可以减少载冷剂的循环量，使载冷剂循环泵的容量和耗功明显减小。流态冰既可载冷又可蓄冷。蓄冷时，同样蓄冷能力所需的蓄冷器尺寸小。

20 第二节 环保要求下载冷技术的新发展 (2)流态冰载冷剂的输送管道尺寸明显减小，所以管道隔热设施费用少。
第二节 环保要求下载冷技术的新发展 (2)流态冰载冷剂的输送管道尺寸明显减小，所以管道隔热设施费用少。 (3)用冷场所的冷却器用流态冰循环，其进出口温差小，冷却温度分布均匀。 (4)冷却器内流态冰相变(融化)换热，表面传热系数大，可以减小冷却器的尺寸。实用情况表明，它与制冷剂直接蒸发的热交换器尺寸相近。 流态冰载冷技术的要点包括以下两方面：制冰晶机(流态冰生成器)的技术；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：磨损严重，而且造价昂贵。

21 第二节 环保要求下载冷技术的新发展 冰晶生成器的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。丹麦技术研究所(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。 流态冰传输机理研究方面所关心的问题是：冰晶的流动特性(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。 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流体，其流态由特征数(无量纲量)Hed所决定。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。

22 第二节 环保要求下载冷技术的新发展 流态冰流动过程中的压力损失与载冷混合物流体中冰晶的含量(含冰率)以及冰晶颗粒的大小有关。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)蒸发换热的表面传热系数相当。

23 第二节 环保要求下载冷技术的新发展 图7－2和图7－3是DTI对于以乙醇/水混合物为基础所产生的流态冰的实验研究结果。实验中所采用的流态冰输送管道为φ22mm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Δp＝3.3kPa，如图7－2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k＝2000～3800 W/(m2·K)，如图7－3所示。

24 第二节 环保要求下载冷技术的新发展 图7－2 流态冰的压力损失

25 第二节 环保要求下载冷技术的新发展 图7－3 流态冰的传热系数

26 第二节 环保要求下载冷技术的新发展 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。
第二节 环保要求下载冷技术的新发展 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l DTI研究的商业制冷装置 图7－4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。

27 第二节 环保要求下载冷技术的新发展 图7－4 DTI研究的商业制冷系统

28 第二节 环保要求下载冷技术的新发展 实例2 氨、丙烷制冷与流态冰载冷
第二节 环保要求下载冷技术的新发展 实例2 氨、丙烷制冷与流态冰载冷 奥地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℃。

29 第二节 环保要求下载冷技术的新发展 图7－4a 氨、丙烷制冷与流态冰载冷

30 第二节 环保要求下载冷技术的新发展 实例3 Linde公司的超市丙烯制冷设备
第二节 环保要求下载冷技术的新发展 实例3 Linde公司的超市丙烯制冷设备 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Bad Freienwalde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3000 m2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194 m3)，一个冷冻间(容积约66 m3)。 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7－5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，

31 第二节 环保要求下载冷技术的新发展 图7－5 系统原理图

32 第二节 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%。
第二节 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24 m3/h，供低温冷却设备的盐水流量为8.5 m3/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。

33 第二节 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。机房的安全性技术要求通过以下措施予以保证： (1)所有电气部件的驱动都必须通过继电器使电路接通或断开，以避免产生电火花。继电器安装在开关箱内，开关箱应在离开制冷剂管道1 m远以外的地方。 (2)机房有足够的通风，以避免燃爆性制冷剂气体的聚集。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)使用高强度钢管和小振动结构，将制冷剂外泄的危险降到最小。

34 第二节 环保要求下载冷技术的新发展 (4)使用高效传热结构的热交换器，进一步降低可燃性制冷剂的充注量。

35 第三节 蓄 冷 内 容 提 要 一、空调蓄冷概述 二、水蓄冷 三、冰蓄冷 四、气体水合物蓄冷

36 第三节 蓄 冷 蓄冷方法很多，各自针对具体的应用对象。普通制冷(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；低温制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。就载体蓄冷方式而言，可分为两大类：显热蓄冷和潜热蓄冷。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： (1)解决动力供应与用冷不同步的矛盾。 (2)平衡负荷尖峰，改善电网供电，减小制冷机的装机容量和节省运行费用。

37 第三节 蓄 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。

38 第三节 蓄 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。

39 第三节 蓄 冷 一、空调蓄冷概述 空调蓄冷方式有水蓄冷和冰蓄冷。
第三节 蓄 冷 一、空调蓄冷概述 空调蓄冷方式有水蓄冷和冰蓄冷。 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。

40 第三节 蓄 冷 进一步要研究的是空调蓄冷的节能问题。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7－6示出有蓄冷的空调系统与无蓄冷的空调系统。 表7－2给出各种空调蓄冷方式的主要特性比较。

41 第三节 蓄 冷 图7－6 有蓄冷与无蓄冷的空调系统

42 第三节 蓄 冷 图7－6 有蓄冷与无蓄冷的空调系统

43 第三节 蓄 冷 表7－2 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
第三节 蓄 冷 表7－2 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 蒸发温度/℃ 0～10 0～3 12 5～13 压缩机效率 好 低 所需制冷量 一般 高 有无除 冰装置 直接接 触蓄冷 无 非直接 接触蓄冷 有 无或有 耗 能

44 第三节 蓄 冷 二、水蓄冷 水蓄冷是利用5℃左右的低温水蓄冷。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造一个防渗水、保温的蓄冷水池，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。 水蓄冷的主要理论与设计问题是：蓄冷水池中冷水与回水之间的分隔设计。对此有专门的研究，以日本、美国为代表。日本按冷水与回水之间的分隔方式将蓄冷水池归纳为几种标准形式：完全混合槽型、温度成层型和平衡温度成层型，并系统地给出理论分析与设计方法。

45 第三节 蓄 冷 三、冰蓄冷 常规冰即水冰。以冰的融化潜热与水温升5℃的显热相比，冰蓄冷与水蓄冷的贮能密度之比为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年代后得到较快的推广和应用。 1．制冰方式 制冰方式有静态制冰和动态制冰两类。

46 第三节 蓄 冷 (1)静态制冰 即在热交换器表面形成冰，冰不流动。蓄冷与释冷过程中在同一地点反复发生结冰－融冰过程，故称这种冰为静态冰。静态冰又有外融型和内融型之分。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7－7示出最常见的静态冰的生成与融化过程。图7－7a为管式热交换器制冰中的情况；图7－7b为球罐式制冰中的情况。 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。

47 第三节 蓄 冷 图7－7 静态冰的生成与融化过程

48 第三节 蓄 冷 (2)动态制冰 即通过间歇地或连续地剥离热交换器表面的冰，消除制冰过程中的冰层热阻，提高制冰热交换器的效率。所产生的冰是细冰片或者微细冰粒与液体的混合物，具有流动性。 动态制冰方式有许多种。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7－8所示。

49 第三节 蓄 冷 图7－8a为间歇剥离的收获型(harvest)制冰方式。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。

50 第三节 蓄 冷 图7－8a 动态制冰方式

51 第三节 蓄 冷 图7－8b示出一种连续的动态制冰方式，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。

52 第三节 蓄 冷 图7－8b 动态制冰方式

53 第三节 蓄 冷 图7－8c为过冷冰的制取方式，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)。

54 第三节 蓄 冷 图7－8c 动态制冰方式

55 第三节 蓄 冷 图7－8d示出的是直接膨胀、直接换热的制冰方式，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。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。

56 第三节 蓄 冷 图7－8d 动态制冰方式

57 第三节 蓄 冷 图7－8e示出的是不要压力容器的直接换热制冰方式。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。

58 第三节 蓄 冷 图7－8e 动态制冰方式

59 第三节 蓄 冷 2．制冰热交换器 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，故热交换器的材质应选用耐腐蚀材料。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管状和球罐式。

60 第三节 蓄 冷 (1)管状制冰热交换器 它的结冰－融冰过程如前图7－8a所示，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)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7－9示出冰球蓄冷的球罐、蓄冷器及其蓄冷系统。球罐是一个蓄冷单元，用高密度聚乙烯材料做成。每个球

61 第三节 蓄 冷 罐的直径不到100 mm。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，不冻液的温度升到4℃～10℃。该蓄冷方式与其他静态冰蓄冷系统的区别在于：

62 第三节 蓄 冷 图7－9 冰球蓄冷

63 第三节 蓄 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。
第三节 蓄 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8800 kW。 (3)流态冰生成器与蓄冷系统 图7－10示出空调用的流态冰蓄冷系统。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，形成可流动的乳状冰。蒸发器为特殊的螺旋板结构，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

64 第三节 蓄 冷 图7－10 空调用的流态冰蓄冷系统

65 第三节 蓄 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20 t到111 t。

66 第三节 蓄 冷 3．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。

67 第三节 蓄 冷 空调冰蓄冷系统实例一 制冷换热器： 双螺旋聚乙烯管，管外表面结冰。IPF＝10%～20% 特点：
第三节 蓄 冷 空调冰蓄冷系统实例一 制冷换热器： 双螺旋聚乙烯管，管外表面结冰。IPF＝10%～20% 特点： 热泵型、冬(供热)夏(供冷)切换，冬季用水蓄热，夏季用不冻液制冰。

68 第三节 蓄 冷 空调冰蓄冷系统实例二 制冷换热器： 热管。IPF＝35%～40% 特点： 热泵型，利用热管技术，蓄冷效率高。

69 第三节 蓄 冷 空调冰蓄冷系统实例三 制冷换热器： U型铜管，管外表面结冰。IPF＝20%～50% 特点：
第三节 蓄 冷 空调冰蓄冷系统实例三 制冷换热器： U型铜管，管外表面结冰。IPF＝20%～50% 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。

70 第三节 蓄 冷 空调冰蓄冷系统实例四 制冷换热器： 板式，直膨型、收获型，生成板状冰。IPF＝30%～50% 特点：
第三节 蓄 冷 空调冰蓄冷系统实例四 制冷换热器： 板式，直膨型、收获型，生成板状冰。IPF＝30%～50% 特点： 热泵型，供热能力强，热泵的热源为水，COP大，可利用原有蓄冷水池。

71 第三节 蓄 冷 空调冰蓄冷系统实例五 制冷换热器： 使用过冷器进行动态制冰。IPF＝40%～60% 特点：
第三节 蓄 冷 空调冰蓄冷系统实例五 制冷换热器： 使用过冷器进行动态制冰。IPF＝40%～60% 特点： 热泵型，生成乳状冰，蓄冷材料为普通水，制冰过程中传热特性不变，蓄冷器内无制冰设备。

72 第三节 蓄 冷 四、气体水合物蓄冷 在冰蓄冷的基础上，进一步提高空调蓄冷系统效率的主要途径是： (1)用冰点温度较高的物质作蓄冷介质；
第三节 蓄 冷 四、气体水合物蓄冷 在冰蓄冷的基础上，进一步提高空调蓄冷系统效率的主要途径是： (1)用冰点温度较高的物质作蓄冷介质； (2)提高冰蓄冷热交换器的热交换效率。气体水合物就是针对这方面提出的新技术。 气体水合物蓄冷技术研究在20世纪80年代初由美国橡树岭(OrkRidge)国家实验室开始进行。最早是用传统的氟利昂物质(如R11、R12、R21等)构成气体水合物。1985年后，日本做了进一步的研究，并迅速投入工程应用。当提出CFCS物质对大气臭氧层的破坏问题后，用CFC替代物质构成气体水合物的研究成为当务之急。现已经进行了实验

73 第三节 蓄 冷 研究的有R134a、R113、R142b的气体水合物；从保持蓄冷槽常压角度考虑，R142b、R245ca等有可能作为气体水合物的构成物质，有关开发和研究国内外正在着手进行。 用气体水合物蓄冷具有以下优点： (1)蓄能密度与冰蓄冷相当； (2)相变温度为5～13℃，使制冷机蓄冷运行时能够保持正常的空调工况； (3)用气体水合物蓄冷系统，可以实现直接接触的蓄冷－释冷换热过程，免除了间壁式传热的热阻，换热效率大大提高。 正因为气体水合物蓄冷既综合了水蓄冷蒸发温度高和冰蓄冷贮能密度大的优点，又有自己独特的换热长处，所以被认为是极有前途的空调蓄冷方法。

74 第三节 蓄 冷 国外研究指出：与传统空调相比，盘管式冰蓄冷系统多耗电29%～38%；直接接触式冰蓄冷系统多耗电12%～17%；直接接触式气体水合物蓄冷系统在相变温度为6℃时仅多耗电2%～4%。 1．气体水合物 气体水合现象是一种当气体或挥发性液体与水作用时，造成水在高于其冰点温度下结冰的现象，所形成的固体叫做气体水合物。由于结冰温度高，又称之为“暖冰”。 气体水合物属于包络化合物的一种，早在19世纪就被发现。气体水合物的微观结构是由许多水分子围绕一个气体分子而呈网状晶体结构，如图7－11所示。 制冷剂(R)与水的水合反应一般式为：

75 第三节 蓄 冷 图7－11 气体水合物的网状晶体结构图

76 第三节 蓄 冷 (7－1) 式中，ΔH是形成气体水合物R·nH2O时所释放的热量，即反应热，也可视为暖冰的相变潜热；n是网状晶体中的水分子的数目。ΔH和n由气体水合物的相平衡性质决定。图7－12是典型的制冷剂气体水合物的相平衡图。图中Q1Q2代表气体水合物的相变线，即三相共存线，Q1Q2线的左侧为气体水合物与气体的混合物(固－气混合区)，右侧为水与气体的混合物。 气体水合反应热是混合物状态穿越Q1Q2线时的相变热，可由克拉贝隆方程确定： (7－2)

77 图7－12 典型的制冷剂气体水合物(R12、水)的相平衡图
第三节 蓄 冷 图7－12 典型的制冷剂气体水合物(R12、水)的相平衡图

78 第三节 蓄 冷 相图中的BQ1线代表由冰与气体作用生成气体水合物时的相变线。其相变热也由克拉贝隆方程确定。Q1Q2线与BQ1线的相变热之差应等于n摩尔水的结冰热。由此可以计算气体水合物的组成n： (7－3) 相图中Q2点被称为气体水合物形成的临界点或分解点。只有当温度低于临界点温度TQ2时，才有可能形成水合物。由于制冷剂一般不溶于水，实际点Q2为气体水合相变线与制冷剂气－液相变线的交点。当压力高于pQ2时，水合物由液体制冷剂与水作用而形成，这时压力对相变温度的影响非常小。当压力低于pQ2时，水合相变温度随压力的降低而

79 第三节 蓄 冷 降低。因此，有可能通过控制制冷剂气体的压力来控制相变温度。表7-4列出一些制冷剂气体水合物的分解点、反应热等性质。
第三节 蓄 冷 降低。因此，有可能通过控制制冷剂气体的压力来控制相变温度。表7-4列出一些制冷剂气体水合物的分解点、反应热等性质。 混合气体的水合现象叫做混合水合，是指两种或几种气体分子占据同一晶穴的水合现象。混合水合的相平衡特性与混合物的气－液相平衡特性类似，也存在与工质共沸、非共沸相对应的等压不等温的气体水合过程。混合气体水合的热力学性质由溶液热力学理论描述。

80 第三节 蓄 冷 表7－4 一些制冷剂气体水合物的性质 制冷剂 分解点温度 (℃) 分解点压力 (MPa) 反应热ΔH (kJ/kg) 密 度
第三节 蓄 冷 表7－4 一些制冷剂气体水合物的性质 制冷剂 分解点温度 (℃) 分解点压力 (MPa) 反应热ΔH (kJ/kg) 密 度 (kg/L) R170/R290 5.7 0.545 382 0.88 R22 16.3 0.816 380 1.10 R21 8.7 0.0997 337 1.05 R31 17.8 0.282 427 1.18 R141b 8.4 0.0424 344 R142b 12.1 0.225 349 R152a 15.0 0.434 383 R134a 10.0 0.410 358

81 第三节 蓄 冷 2．气体水合物蓄冷技术 气体水合物蓄冷，按蓄冷－释冷的热交换方式有4种可能的蓄冷－释冷组合，如图7－13所示。其中，非直接接触式指两种发生热交换的介质通过热交换器壁面传热；直接接触式指两种发生热交换的介质不需要热交换器而直接接触换热。直接接触式与非直接接触式的优缺点比较如表7－5和表7－6所示。在释冷循环中，以采用直接接触式为好。

82 第三节 蓄 冷 图7－l3 气体水合物的蓄冷－释冷组合方式

83 表7－5 直接接触式与非直接接触式蓄冷循环比较
第三节 蓄 冷 表7－5 直接接触式与非直接接触式蓄冷循环比较 直接接触式 非直接接触式 优点： (1)无需蒸发器盘管； (2)传热性能很好； (3)蒸发温度高，压缩机工作性能好； (4)无需除霜装置； (5)低能耗。 缺点： (1)需要蒸发器盘管； (2)传热性能不大好； (3)蒸发温度低，压缩机工作性能下降； (4)盘管上出现结冰或结晶时需除霜装置； (5)高能耗。 (1)必须使用无油压缩机； (2)必须使用水分离器； (3)投资高。 (1)使用常规制冷压缩机即可； (2)正常制冷循环系统； (3)投资低。

84 表7－6 直接接触式与非直接接触式释冷循环比较
第三节 蓄 冷 表7－6 直接接触式与非直接接触式释冷循环比较 直接接触式 非直接接触式 优点： (1)无热交换器； (2)相变介质与风机盘管中的液体之间温差极小； (3)能耗低。 缺点： (l)需要热交换器； (2)相变介质与风机盘管中的液体之间温差较大； (3)能耗高。 需要使用特殊密封的泵。 用常规泵即可。

85 第三节 蓄 冷 气体水合物蓄冷是一项正在发展中的技术。关于它的研究，理论和实际技术问题很多，研究的关键是围绕气体水合物蓄冷介质的开发与研究、蓄冷方式方面的问题进行。 对水合蓄冷介质的基本要求是：水合反应速度快，水合物稳定，相变温度适宜，工作压力不高。 在无公害的气体水合物介质研究方面，混合气体水合是一个重要方向。因为用混合气体水合反应构造出的混合气体水合物可以具有单一气体水合物所不具备的优良性质，从而大大扩展了气体水合物蓄冷介质的选择范围。目前，虽然对此研究得尚少，但前途广阔。

86 第三节 蓄 冷 至于蓄冷方式，无论是直接接触方式还是非直接接触方式，关键都是要设法使制冷剂与水充分混合，降低界面阻力，增强能量传递，保证稳定地形成水合物。现在，非直接接触蓄冷比较具备实用条件，而直接接触蓄冷有许多技术问题尚待进一步研究。随着科技的发展，相关技术难题得到解决，直接接触蓄冷的优势潜力也就逐渐发挥了出来。可以认为，前者是近期的实用技术，后者是远期的实用技术。