载冷与蓄冷.docx

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载冷与蓄冷

第7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（secondaryrefrigerant）。

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。

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，采用载冷有重要意义：

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。

7．1传统载冷剂与蓄冷剂

7．1．1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，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、不改变其物理、化学性质。

（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。

7．1．2常用的传统载冷剂

常用的传统载冷剂是水、无机盐水溶液、有机液或有机物的水溶液。

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。

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，并且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分数（w＝wE）时，析冰温度达到最低值TE。

若盐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。

图7－1盐水溶液的相图

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℃。

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1.5～2.0g/L。

3．有机载冷剂

有机载冷剂很多，这里仅列举几例。

（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。

（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。

7．1．3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。

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

7．2环保要求下载冷技术的新发展

7．2．1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。

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。

7．2．2流态冰

所谓流态冰（Flo－Ice）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。

上一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。

因而，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。

（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。

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，但是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。

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。

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＝2000～3800W/（m2·K），如图7－3所示。

图7－2流态冰的压力损失

图7－3流态冰的传热系数

7．2．3环保型制冷与载冷系统

下面通过几个典型实例，说明环保型的制冷与载冷系统。

实例lDTI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。

图7－4DTI研究的商业制冷系统

实例2氨、丙烷制冷与流态冰载冷

奥地利森林管理处的野生动物加工厂，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