冰蓄冷空调系统培训课件

冰蓄冷空调系统培训课件1．冰蓄冷空调系统冰蓄冷空调系统是以蓄冰装置的形式来划分的。主要形式有：盘管外蓄冰形式、封装冰蓄冷形式、冰片滑落式蓄冷形式和冰晶式蓄冷形式。冰片滑落式和冰晶式蓄冷又称为动态蓄冰系统。1)盘管外蓄冰系统盘管外蓄冰是空调系统中常用的一种蓄冰形式。①蓄冰装置的组成：由盘管和蓄冰槽，盘管伸入蓄冰槽内，槽内装有水，如图8-6所示。②盘管结构：可用钢管或聚乙烯管浇制成蛇形或圆形，管内走制冷剂或载冷剂；③储槽结构：大型储槽用钢制或为混凝土矩形槽，小型储槽也可用玻璃钢或高密度聚乙烯板制成圆筒形。④蓄冷装置工作原理充冷时，制冷剂直接在盘管内蒸发，蒸发温度在-6~-4℃，制冷剂吸收储槽中水的热量，直至盘管外形成冰层。充冷初期，由于水的过冷度使蒸发温度降低，当开始结冰后水的结冰点回到0℃，制冷剂蒸发温度也相应提高。结冰初期冰层很薄，其传热过程很快，随着冰层厚度的增加，冰的导热热阻增大，结冰速度将逐渐降低。⑤盘管外蓄冰系统特点制冷剂直接流过盘管，结构紧凑、传热温差小；需制冷剂多，只适合小型蓄冷空调装置。大型蓄冷空调装置：如图8-7（a）所示，一般用乙二醇溶液作载冷剂循环于制冷机的蒸发器与蓄冰槽的盘管间。这种方式节省制冷剂量，但因增加了一个换热环节，制冷机的蒸发温度必须再降低2-3℃，即蒸发温度为-10~-6℃，才能使载冷剂降温达到将管外水冻成冰的程度。⑥盘管外融冰方式盘管外融冰和盘管内融冰。（ⅰ）盘管外融冰a.工作原理如图8-7(a)所示，盘管外融冰是由温度较高的空调回水直接进入结有冰的盘管外储槽内，空调回水与冰直接接触，使盘管外表面的冰层逐渐融化，融冰速率高，放冷温度为1-2℃，从蓄冰槽流出的低温冷冻水可与空调回水掺混至5℃左右送到用户的盘管风机。b.特点冰槽不可结满冰，应留有融冰的水流通道。盘管外的结冰厚度以3cm内为宜，冰槽的蓄冰率不可能很高，约0．6左右。为防止融冰不均匀，应在储槽内设置水流扰动装置，用压缩空气鼓泡，加强水流扰动，使换热均匀。尽可能每天都把管外所结的冰融化完，以免残冰在再次充冷时堵塞外融冰时的水流通道（ⅱ）管内融冰a.工作原理如图8-7(b)所示，采用乙二醇溶液载冷剂循环于制冷机的蒸发器、蓄冰槽的盘管以及空调回水的隔离换热器之间时进行的。融冰时，从空调流回的载冷剂通过盘管内循环，由管壁将热量传给冰层，使盘管表面的冰层自内向外融化释冷，将载冷剂冷却到需要的温度。冰层与管壁表面之间的水层难以流动，换热能力差，随水层厚度逐渐增加，融冰速度减缓。b.特点管外可完全结冰，蓄冷槽制冰率高，在不完全化冰的情况下再结冰时安全，相对于自身系统来说是处于低热阻优先工作区。适用于大型蓄冷。⑦蛇形盘管的冰蓄冷器蛇形盘管的冰蓄冷器以美国B.A.C公司为代表，如图8-8所示。(ⅰ)蓄冷器盘管结构蓄冷器盘管为钢制、连续卷焊而成的立置蛇形盘管，外表面热镀锌，管外径1.05″(26.67mm)，冰层厚度约30mm，盘管外表面积折合为0.62m2／RTH。(ⅱ)蓄冰槽体结构盘管放置在蓄冰水槽内，蓄冰槽体可为钢制、玻璃钢制或钢筋混凝土制，槽体壁面覆有80-100mm厚保温层。冰盘管式蓄冷槽：分为外融冰式和内融冰式⑧圆形盘管冰蓄冷器圆形盘管的冰蓄冷器以美国Clamac公司和Dunham-BudI公司的Ice-Cel为代表,如图8-9所示。该类型蓄冰装置为内融冰方式，并做成整体式蓄冰筒，筒体为高密度聚乙烯板，外设保温层或采用双层玻璃纤维壁体，内夹保温材料，故耐腐蚀。盘管为聚乙烯管，Clamac公司的冰盘管管外径为16mm，Ice-Cel盘管的管外径为19mm。冰盘管式蓄冷槽可为外融冰式，也可设计为内融冰式。(2)封装冰蓄冷为了避免管外结冰形式在留有残冰和再结冰时结冰率失控造成融冰通道堵塞的危险，提出了封装冰蓄冷空调。封装冰蓄冷是将封装在一定形状的塑料容器内的水制成冰的过程。充注于容器内的是水或凝固热较高的溶液。封装容器形式：冰球、冰板和蕊芯摺囊式冰球。①冰球冰球封装式蓄冰装置以法国CIAT公司和深圳中亚特公司的产品为代表。图8-10所示封装球为硬质塑料制空心球，壁厚1.5mm，外径95mm或77mm封装球内充注水，预留约9％的膨胀空间，水在其中冻结蓄冷。外径95mm的冰球，换热表面约2.8m2／RTH，每立方米罐体空间容纳495mm冰球1300个，477mm冰球2550个，总蓄冷量约16.2RTH，潜冷蓄冷量约13.8RTH。注意：无论采用开放式槽体还是密封罐，均需注意冰球要密集堆放，防止载冷剂从自由水面或无球空间旁通流过。②蕊芯摺囊式冰球图8-11所示为中国台湾产的蕊芯蓄冰摺囊冰球。蕊芯摺囊由高弹性高强度聚乙烯制成，摺皱有利于适应冻结和融冰时内部冰/水体积变化而产生的膨胀与收缩。两侧设有中空金属蕊芯，一方面可增强热交换，另一方面起配重作用，在开放式槽体内放置时冻结后不会浮起，但增加了成本。蕊芯摺囊式冰球直径为130mm，长度242mm，球内充注95％的水和5％添加剂，以促进冻结。每1000个摺囊球的潜冷蓄冷量为58.85RTH。③冰板冰板封装式蓄冰装置以美国Reaction公司的产品为代表。中空冰板的外形尺寸为812×304×44.5(mm)，由高密度聚乙烯制成，板中充注去离子水，或掺有消除水过冷度的增核剂，其换热表面积为2.32m2／RTH。冰板有次序地放置在卧式圆形密封罐内，冰板约占罐体积的80％，罐中载冷剂的可为1、2和4流程。蓄冰罐可置于室内、室外或地下。(3)冰片滑落式蓄冷上述两种管外结冰或容器内结冰方式系一次冻结完成，故称为静态蓄冰。这两种蓄冷方式有较大的结冰热阻，冰层冻结得越厚，制冷机的蒸发温度越低，性能系数也越低，且贮冰槽价格贵。因此，提出槽外结薄冰的方式。①结构由蓄冰槽和位于其上方的若干片平行板状蒸发器组成，如图8-12所示。②工作原理循环水泵不断将水从蒸发器上方喷洒而下，在蒸发器表面结成薄冰。待冰达到一定厚度后，制冷设备的四通阀切换，原来的蒸发器变为冷凝器，从压缩机来的高温制冷剂进入其中，使冰片脱落滑入蓄冰槽内。②工作原理循环水泵不断将水从蒸发器上方喷洒而下，在蒸发器表面结成薄冰。待冰达到一定厚度后，制冷设备的四通阀切换，原来的蒸发器变为冷凝器，从压缩机来的高温制冷剂进入其中，使冰片脱落滑入蓄冰槽内。（ⅰ）蓄冰过程：片冰冻结及蓄冷过程。通过水泵将蓄冰水槽的水自上向下喷洒在制冷机的板状蒸发器表面，使其冻结成薄冰层。当冰层厚度达到3-6mm时，通过制冰机上的四通阀，将高温气态制冷剂通入蒸发器，使与蒸发器板面接触的冰融化，片冰靠自重滑落至蓄冰水槽内，如此反复进行“冻结”和“取冰”过程。蓄冰水槽的蓄冰率为40％-50％。（ⅱ）取冷过程：融冰取冷过程。空调回水自上向下地喷洒在制冷机的板状蒸发器表面，或向蓄冰水槽均匀送入空调回水，使槽内片冰不断融化，而送出温度颇低的空调用水。为了满足全日供冷需要，取冷过程制冷机可同时运行，以降低流经板状蒸发器表面的空调回水，使其降温后流入蓄冰水槽，这样，可以延缓融冰过程，以保证供冷要求。③特点系统简单、结冰时制冷机的蒸发温度(约-4~-8℃)比采用冰盘管时高2-3℃、融冰速率快；间歇式制冰效率低。取冷供水温度低，融冰放冷速率极快，特别适合尖峰用冷。初投资较高，需要较高的机房。4)冰晶蓄冷冰晶式蓄冷系统是一种连续制冰动态蓄冰方式。①工作原理通过冰晶制冷机将低浓度的乙烯乙二醇水溶液冷却至0℃以下，然后，将此状态的过冷水溶液送入蓄冰水槽，溶液中特殊的晶核使水出现“冰析”现象，可分解出0℃的冰晶。由于单颗粒冰晶十分细小，冰晶在蓄冰水槽中分布十分均匀，水槽蓄冰率约50％。结晶化的溶液可用泵直接输送。②特点制冷循环效率高、性能稳定，冰蓄冷槽设备简单。难点:冰晶的生成从材料配方和结冰均含有高技术问。2．蓄冰特性蓄冰和融冰的过程都是非稳态过程，系统的传热能力是不断变化的。在设计中既要考虑供冷周期内总热量平衡，又要考虑实时传热功率的平衡，关键是要弄清蓄冰和融冰过程的特性。(1)结冰的过冷度水的冰点或融点是0℃，但并非周围的温度低于0℃水就可以结冰。在稳定状态下纯净水初始结冰的温度可以下降至-6℃左右，一旦开始结冰，其结冰温度又可以恢复至0℃，而后维持在0℃继续结冰。这种凝固相变起始温度低于正常的凝固温度或融点的现象称为过冷，二者的温度差称之为过冷度。①水的过冷度及其相关影响因素的实验研究首先在不同材料的试管，如玻璃试管、铜管、塑料管内分别装上水，另外配制不同浓度的乙二醇水溶液使其融点分别在-3℃，-5℃，-9℃，-15℃盛装在塑料杯内，并放在冰箱冷冻室内预先冻结凝固。实验时将其取出，使之处于半融状态并放在隔热箱内，而后把装着水的试管放在定温低温杯的半融状态的乙二醇冰中，根据试管内的热电偶在温度图或计算机数据采集图上记下试管内水—冰温度变动情况。实验观察到：在-5℃的冷槽中水的温度冻到-5℃也不结冰。在-9℃的冷槽中试管内的水降至-6℃开始结冰。在-15℃冷槽中测试时，水没降到-6℃，而在-5℃左右就开始结冰。这不是水结冰的过冷度减少，这是因为在大温差之下试管内壁面温度低于热电偶测到的水温，实际上试管内壁表面温度早已低于-6℃，壁面已有冰核生成。实验观察到：如水中残留有冰，或开始成冰后，水的冰点可维持在0℃。其原因是已成冰的固相区温度会低于0℃，冰的热导率约为水的3．5倍，在冰晶界面上水分子可以逐层附着，瞬间结晶粒度不大，所需过冷度不大。实验观察到：水的初始状态与结冰的过冷度有关，结过冰的水融化后保持在5℃以下，再结冰就比较容易，过冷度小。同样的水从40℃开始冷冻结冰，第一次结冰的过冷度就大，要达-6℃才开始结冰。这可以认为刚融化了冰的水还保留有近乎冰的分子排序。②晶核结冰理论结冰有晶核形成期和冰晶生长期，晶核形成是由于液体内部温度不均的热起伏(或热涨落)可能使原子或分子一时聚集成为新相集团(又称新相的胚芽)，若胚芽大于临界尺寸r*时成为晶核。图8-13（a)表示形成冰相胚芽和晶核过程中所需的形成能的变化规律，在临界尺寸r*处出现峰值，若液相分子热起伏聚集成的冰相集团尺寸大于r*，则结冰过程就成为自发过程。如图8-13(b)所示，当水的过冷度增加时，偏离平衡态的程度增加，冰晶核的临界尺寸及其形成能就剧烈降低，这样就极大地提高了形成冰晶核的几率。成核又分为非均匀成核和均匀成核。非均匀成核又称异相成核，是指水在尘埃、容器表面及其他异相表面等处形成晶核。均匀成核要求有较大的过冷度。对于非均匀成核，所要求的过冷度比均匀成核要小得多，对于体积较大的水，一般均具有异相成核的条件。③异相成核理论的应用由于异相成核能减少水的过冷度，因此人们努力寻找能使水中形成异相晶核的成核剂。文献报道水中添加碘化银(Agl)可改善水的过冷度，实验证明有些作用，但碘化银太贵。中国科技大学陈则韶教授课题组通过大量实验找到了一种廉价的添加剂，可以在-5℃的环境下使水在-1℃左右开始结冰，使水的过冷度减小至1℃。其实验测试结果见图8-14。(2)结冰过程的传热特性过冷的存在使系统运行工况恶化。当蓄冰开始时，由于水的结冰过冷度，制冷机的蒸发温度要降到-10℃左右，制冷效率急剧降低，当恢复到正常冰点结冰时，蒸发温度可升到-4℃。因此，减少结冰的过冷度是冰蓄冷技术的重要环节。在扁平盒、球壳、圆筒内的水结冰形式中，蓄冰槽由许多单元冰块堆积而成，见图8-15、当低温的载冷剂从制冷机的蒸发器出来后流经蓄冰槽时将使管外或封冰容器内的水结冰，在结冰过程除过冷期外，结冰的速度越来越小。(3)结冰过程的传热特性实验研究对于相变堆积床的传热特性一般需要进行实验确定。实验装置原理如图8-17所示。阀F2用于调节流量；电热调节器用于调节流体进口温度和在融化实验时作热负载；阀F1在做融化实验时开通；蒸发器由制冷机提供冷量测温点布置：在蓄冷槽的流体通道上等间距多布置几个测温点。通过实验可以测得出口温度的关系测试原理方程为（8-45）结冰或PCM材料凝固的百分比：（8-47）式中Δi为PCM材料自温度T0降至Tout的比焓(包括潜热焓和显热焓)。图8-17(a)是冰球蓄冷罐蓄冷过程的实验曲线。定性分析可知，载冷剂进口温度低、流速大、冰层薄，结冰速度就快些，总蓄冷时间就短些，反之则反。(a)蓄冷过程蓄冷槽出口温度与流量关系(b)冰率与流量的关系图8-17冰球床冻结过程变流量蓄冷特性球式结冰，随结冰进程冰厚增速很快，热阻增大快，末期相变蓄冷量增长慢，要使球内水都结成冰，末期必须把载冷剂进口温度进一步降低才可能实现。这对制冷机运行不利，只好放弃球内一部分水不结成冰。因此，就有蓄冷有效度的问题，也可称之为总蓄冷率，记作，定义为实际蓄冷量与理论上最大允许蓄冷量之比：（8-49）图8-18为变进口温度蓄冷过程结冰率与进水温度关系曲线。图8-18变进口温度蓄冷过程结冰率与进水温度关系t/h：1-12;2-10;3-83封装冰的熔冰特性(1)盘管蓄冰熔冰特性图8-19为盘管外蓄冰内熔冰特性。可以看出在融冰取冷过程中，来自空调负载的回水温度(即蓄冰设备的进水温度)和流量都会影响融冰量和给空调负载所提供的冷水温度。从图8-19(a)得知：当进水温度一定，出水温度越高，在一定时间内的总取冷量越大；要求的出水温度越低，能够取出的总冷量越少，也就是说，蓄冰装置中残冰率越高。其根本的原因：换热温差ΔTm加大。例如进水温度为10℃，出水温度恒定为7.2℃，冰的平均对数温差为8.52℃，8h可取出冷量162RTH，平均供冷量为20.25RT，正好等于该装置总潜冷蓄冷量。如果所需供冷水温为4.4℃，冰的平均对数温差为6.82℃，8h总取冷量仅为140RTH，平均供冷量为17.5RT，剩余蓄冰量，即残冰率约14％。二者的传热温差相差为25％，并不与供冷量的提高一致，这是由于要保持较高的出水温度，熔冰水流量就得减少，换热系数也减少。此外，取冷速率还与蓄冰装置中保存的冰量多少有关，存冰量越多，取冷率越大，存冰量减少，取冷率降低。图8-19(b)给出在定流量条件下，盘管式蓄冰装置的融冰取冷特性。从图中可以看出：当进水温度一定，流量越小，出水温度越低，取冷延续时间越长；反之，则取冷水温越高，取冷延续时间越短。如果要等出水温度取冷，随着取冷时间的延续，需要逐渐减小流量才能实现。图8-20是一种冰球罐的熔冰取冷受进口水温和流量影响的特性。图8-20冰球罐熔冰特性冰球罐的单位体积的换热表面较大，熔冰较容易，流量大，进口水温高则蓄冷罐水温也升得快。相对结冰过程来说，熔冰过程是个更复杂的换热过程。(2)平板冰床融冰特性在实际的冰蓄冷熔冰过程中，相变界面不仅受到传热和液体对流的影响，冰块整体还要受浮力作用逐渐向上浮动，始终贴于顶部，液相区水在4℃密度最大，沉于底部，随着熔化时间的推移，底部水层增厚，顶层维持薄水层厚度基本不变。对于矩形腔平板冰堆积床，基本可以抽象为顶面和底面有流体强迫流加热模型处理。图8-21和图8-22分别为矩形盒封装的平板板冰熔化时上、下表面的传热速率，熔化率与熔化时间的关系。由图8-21可知：上表面传热速率远大于下表面。上表面为主融冰面，在估算时可忽略下表面传热速率。图8-21平板板冰熔化时上、下表面传热速率与时间关系图8-22平板板冰熔化率与时间关系(3)冰球融冰特性冰球的融冰过程更要复杂，有着与冰盘管设备和板冰有不同的特性。①球体单位冰体的表面积最大，即当球内融冰换热时，冰水接触界面面积大；②一般球体内水冲注并不满，留有一定结冰膨胀空间，即存在空气。由于空气的不可凝结特性，在结冰过程中析出的空气会形成一种类似“蓉花”状的毛细孔道。当融冰时，毛细孔道又被融化的水渗入，相当于进一步加大了冰与水的接触表面积。因而冰球罐取冷速率会很大，可以很好地适用于有限电量的地区。如图8-22所示，取冷速率的变化是很大的，即当取冷水量和水温不变的情况下，冰球罐的出水温度变化非常大若要保持稳定的取水温度，必须配合灵活恰当的流量控制装置与冷机相应的负荷调节装置。4动态蓄冰空调盘管外和封装冰蓄冷空调属于静态蓄冰空调范畴，是较早开发的蓄冰空调方式，比较成熟。现在蓄冰空调技术逐渐转向开发动态制冰、冰晶浆的管内输送和低温供冷技术。(1)冰晶制作①流动过冷却水制冰法利用传统换热器，在换热器外表流动过冷却水制冰，见图8-23。图8-23流动过冷却水制冰法②低沸点冷媒蒸发制冰法，见图8-24图8-24低沸点冷媒蒸发制冰法③正戊烷蒸发制冰法，见图8-25。图8-25正戊烷蒸发制冰法④低温冷媒喷射接触显热制冰法，见图8-26。图8-26低温冷媒喷射接触显热制冰法⑤管内乙二醇水溶液流下膜制冰法，见图8-27。图8-27管内乙二醇水溶液流下膜制冰法(2)动态储冰和取冷技术动态制冰法制的冰水混合物若长时间保存，冰晶可能结合形成冰块，冰充填率高和冰水中含有空气都会加剧冰块的形成，当形成冰块后有可能使蓄冰槽道堵塞。用动态制冰法制的冰在储冰槽内储存一段时间后，取用时要用取冰机把它从蓄冰槽内搬出。取冷方法及步骤：①使储冰槽内的冰分散混合用储冰槽内水中的泵强迫搅混，使冰水混合物成冰晶浆状；或通过设置一组喷嘴往冰浆出口喷射高压水的方法将薄冰碎成冰浆；或用喷射空气方法制取冰浆。为防止冰块进入送冰水管道，冰浆出口处应设置适当的金属滤网。②使用冰浆取出机a．储冰槽内冰浆通过回转翼送往管道这种场合要利用在储冰槽内设置空气喷射把冰收集至回转翼前。b．螺旋推进型输冰器如图8-28所示，螺旋输送器把储冰槽水中冰片送到左下端，冰片借浮力集于出口处，由高压喷射水流泵把螺旋输送器送来的冰片碎成冰晶浆送往配管。图8-28螺旋输送器冰浆输送法c．旋转门阀型输冰器如图8-29所示，旋转门阀置于储冰槽底部，通过其转动把冰浆送进配管内。图8-29回转叶阀型冰浆输送法d．冰充填率(IPF)控制器为控制管内冰的充填率，如图8-30在管内设置有一定孔径的金属网，分离出多余的水分。冰浆储存最大问题是要防止储冰期结成冰块。目前已在配制新溶液、制作纳米冰。图8-30冰充填率管内控制器(3)冰浆的输运技术管道输冰水技术可以使输水管和换热器造价降低，例如冰水含冰率15％，其送水管径只有送7℃冷水，回水15℃的管径的一半即可。送冰水需注意的四个问题：流动阻力防止管内冰塞冰粒大小混合度对流动阻力的影响冰浆输送管方式与末端换热器5冰蓄冷空调系统(1)基本系统根据用户要求不同，冰蓄冷空调系统有许多不同的设计方案。包括有：制冷机的制冷剂回路、空调负荷换热器的供冷水回路，充冷蓄冷回路、蓄冷罐单独供冷回路、制冷机充冷兼供冷回路，制冷机和蓄冷罐连合供冷回路。图8-35是冰蓄冷空调基本系统示意图。①充冷蓄冷回路由储冰罐、泵P1、制冷机蒸发器、阀V1、阀V2组成。回路内载冷剂为乙二醇，储冰罐为封装冰或盘管外结冰融冰式。制冷机供水温度为-5℃，回水温度为-1.7℃。②蓄冷罐单独供冷回路由储冰罐、泵P2、板式隔离换热器、阀V2、阀V4组成。回路内载冷剂为乙二醇，板式隔离换热器的另一侧是空调循环水。蓄冷罐供水温度为5.6℃，回水为10.6℃。③制冷机冷充兼供冷回路在夜间有部分用冷情况下才使用。由储冰罐、泵Pl、泵P2、制冷机蒸发器、板式隔离换热器、阀V1、阀V2、阀V3和阀V4组成。运行时载冷剂有两个回路：一个是充冷蓄冷回路，即储冰罐、泵Pl、制冷机蒸发器、阀Vl、阀V2回路；另一是制冷机供冷回路，即泵Pl、制冷机蒸发器、阀Vl、阀V4、泵P2、板式隔离换热器回路，阀V3支路配合阀V4是用于调节通过板式隔离换热器回路的流量，以保证供水温度大于0℃。制冷机供水温度为-5℃，回水温度为-1.7℃，但应控制进板式隔离换热器供水温度为5.6℃，回水为10.6℃。④制冷机和蓄冷罐联合供冷回路当阀V3关闭，通过调节阀Vl、阀V2开度即可实现制冷机和蓄冷罐连合供冷。实际回路中这种调节可以由自动控制阀完成蓄冷罐供水温度为5.6℃，制冷机和蓄冷罐回水为10.6℃。这种蓄冷空调系统属于并联系统。(2)基本串联系统图8-36为串联型蓄冷空调系统。各工况运行组织和参数见表8-6。(3)外融冰系统外融冰系统是用温度较高的空调回水直接送入盘管表面结有冰层的蓄冰水槽，使盘管表面上的冰层自外向内逐渐融化，故称为外融冰方式，也称开式流程，见图8-37。图8-37（a）储冰槽的管内走冷媒，图8-37（b）为直接蒸发制冷。(4)冰晶或冰浆蓄冷空调系统将低浓度载冷剂(如乙二醇水溶液)经特殊设计的制冷机组(称之为超冰机)冷却至冻结点温度以下，使之产生直径约为100μm，且均匀的冰晶，与载冷剂形成泥浆状的物质，经泵输送蓄冰槽储存，以提供尖峰负荷的需求，见图8-38。