改進型真空制冰系統的性能研究

時競競 劉道平 余守杰 彭富裕

(上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093)

冰漿是由水溶液和冰晶粒子組成的泥漿狀懸濁液，具有蓄冷能力大、流動性強、較快的供冷速率和較好的溫度調解特性等特點。由于冰漿良好的傳熱與冷卻特性，使得換熱器的流量、水泵的能耗及相應的管道、設備尺寸等大大減小，從而降低了初投資與運行費用。冰漿可以廣泛用于蓄冷空調、工業生產、食品的加工保存、換熱器和管道的內部清洗、手術醫療和撲滅火災等領域[1-3]，并具有重要的現實意義。

當前，制備冰漿的方式主要有過冷水式動態制冰、刮削式制冰、下降液膜式制冰、直接接觸式制冰、流化床式制冰、真空制冰等[4-7]。其中，大多制冰方式主要依靠熱傳導的方式，而真空制冰主要通過液體閃蒸帶走自身熱量，達到凍結的效果，克服了傳統制冰方式易結冰或冰堵、換熱效率低、設備結構復雜、對溫度控制要求高、載冷劑的選擇范圍狹窄和容易老化等問題，具有巨大優勢，是目前生產冰漿的理想方法之一。

由于冰漿在日常生產生活當中的重要作用，以及真空制冰方式的相對優勢，加強真空冰漿制備的研究受到了國內外的重視。B S Kim等[8]說明了水噴射蒸發真空冰漿制備的原理，重點研究單個液滴的蒸發特性。Isao Satoh等[9]研究了水滴的真空蒸發特性與初溫、直徑大小、真空度的關系。陳光明、張紹志等[10-11]先后建立了水滴的閃蒸降溫數學模型，對真空冰漿制備過程的理論方程分別進行了無因次化。劉偉民等[12]研究了水滴在不同絕對壓力(p=200～800Pa)下的閃發過程，同時測定了水滴內部不同位置的降溫過程。章學來等[13]采用數值計算軟件處理數據得出經驗公式。但是現有的真空冰漿制備系統依然存在運行真空度較高的問題，因此這里引入了中介物質對真空制冰系統加以改進，進行了真空蒸發性能研究實驗臺系統的設計、選型、搭建，研究加入代表性中介物質氨后，水溶液真空蒸發降溫特性的變化，旨在找出降低對真空制冰系統運行真空度的要求的方法，降低真空泵的負荷及真空室的承壓，改善系統的運行性能，從而在探索和完善真空制冰方面，提出改進的措施及方向。

1 工作原理及實驗系統設計

1.1 運行原理

改進型真空制冰系統[4]主要采用中介物質來改善真空制冰系統的性能。作為冰漿制備的中介物質，在水中的溶解性要好，且具有較大的溶解潛熱。在相同壓力下中介物質的氣化溫度要低于水，在低真空壓力下中介物質會先于水發生閃發。

原理介紹：在高于水的三相點壓力下，中介物質水溶液發生閃發，這時的閃發氣體主要是低沸點組分中介物質，由于中介物質溶液整體處于過熱狀態，閃發會在液滴內部和外部同時進行，有效的強化了液滴的閃蒸強度，傳熱傳質效率大幅提高。中介物質閃蒸帶走大量的熱量，使水溶液的溫度降低，有效的強化了預冷作用，甚至有部分水會結晶成冰。該閃發過程的真空壓力高于水的三相點壓力，即降低了系統運行真空度，減小了對真空泵的負荷要求；該壓力下閃發氣體的比體積相對較小，相應也提高了真空泵的抽氣效率。

1.2 實驗系統組成

自行設計搭建的實驗臺如圖1所示，該實驗裝置主要由真空發生系統、溫度和壓力測量系統、數據采集系統等組成。

圖1 真空蒸發性能實驗臺系統圖Fig.1 Vacuum evaporation experimental system

真空發生系統包括真空室和真空泵。真空室用于制冰，頂部采用鋼化玻璃材料做透明視窗，便于觀察實驗過程；殼體材料為奧氏體型不銹鋼，內部直徑304mm，真空室桶壁下端焊接三塊角鐵放上開有透氣孔的平板用以放置容器。為了調節抽氣速率，系統設計了兩個抽氣口，分別連接兩臺抽速不同的真空泵。真空泵是型號為2XZ-4和2XZ-1的直連旋片式真空泵，采用KF16真空擋板閥防止真空泵油倒流；通過開停抽速不同的真空泵和真空閥來對真空室壓力進行控制，從而控制真空度。

測壓裝置選用上海天沐自動化儀表有限公司生產的NS-F型壓力變送器，絕對壓力范圍0～10kPa，綜合精度0.05%，輸出信號4～20mA；溫度傳感器采用PT100鉑電阻，精度1%，耐腐蝕，靈敏度高，布置在真空室的壁面上，用來測量真空室內氣體溫度和水溫的變化。數據采集設備選取Agilent安捷倫34970A數據采集器，可配置成20～120個通道，可測量交直流電流、電阻、頻率和周期，以及由熱電偶、熱電阻和熱敏電阻提供的溫度直流和交流電壓，標準HP-IB和RS232接口；數據采集通過接口與電腦連接，通過儀器自帶的程序形成圖表，功能滿足實驗要求，方便快捷。

1.3 實驗內容

選用濃度為26%的氨水作為中介物質溶液，氨水和蒸餾水的起始溫度設定為15℃，進行如下三組實驗。

實驗一：分別取15mL的蒸餾水和濃度為26%的氨水，初溫分別為15℃。將氨水和蒸餾水同時放入真空室內的平板上，固定好鉑電阻，蓋上玻璃罩，開啟真空泵，保持真空室內的壓力不低于1.5kPa。

實驗二：做一組蒸餾水的真空蒸發降溫實驗，作為參照對象。

a.取150mL初始溫度為15℃的蒸餾水，測量其在絕對壓力不低于1kPa條件下的降溫特性。

b.取150mL初始溫度為15℃的蒸餾水，測量其有冰晶生成時的最低壓力。

實驗三：研究不同的真空度壓力下氨水的蒸發溫度特性。取初始溫度為15℃、濃度為26%的氨水溶液，測量其在絕對壓力不低于1kPa、5kPa、10kPa的壓力下的蒸發特性。

2 結果與分析

2.1 氨水和蒸餾水的蒸發特性比較

實驗一過程中氨水和蒸餾水的溫度變化如圖2所示。在相同真空壓力下，氨水的降溫速率明顯大于蒸餾水。在壓力維持在絕對壓力1.5kPa以上時，蒸餾水溫度最低降至11.4℃，氨水溫度最低降至-20.6℃，并且氨水中有冰晶形成，如圖3所示。蒸餾水的溫度遠高于冰點0℃，沒有冰晶生成。

圖2 蒸餾水和氨水在不低于1.5kPa絕對壓力下的蒸發溫度特性Fig.2 Evaporation temperature’s characteristics of distilled water and ammonia water above the absolute pressure 1.5kPa

圖3 氨水在不低于1.5kPa絕對壓力下閃發形成的冰漿Fig.3 Ice slurry formed with ammonia water fl ashed above the absolute pressure 1.5kPa

根據以上實驗數據可知，在真空冰漿制備系統中加入氨后，大大增強了真空制冰系統閃發強度，在高于水的三相點壓力(611Pa)的條件下，有冰晶形成。可見在真空冰漿制備系統中加入氨后，降低了真空冰漿制備系統對真空度的要求，并且溫度達到-20.6℃，遠低于純水的冰漿溫度0℃。

2.2 蒸餾水的真空蒸發特性

實驗二中方案a的實驗結果如圖4所示。實驗過程中蒸餾水的最低溫度為6.6℃，隨著抽氣時間的增加，水溫基本不變，實驗過程中沒有冰晶生成。

方案b的實驗結果如圖5所示。實驗過程中真空室內的絕對壓力降至600Pa左右，此時(如圖5所示，在第1290s時刻)水開始大量閃發，蒸餾水的溫度迅速降低，蒸餾水表面有冰層生成。該現象符合水的三相點理論(水的三相點壓力611Pa)。

由此可見，純水的大量閃發需要較高的真空度條件。

圖4 蒸餾水在不低于1kPa絕對壓力下的蒸發溫度特性Fig.4 Evaporation temperature’s characteristics of distilled water above the absolute pressure 1kPa

圖5 蒸餾水中有冰晶生成的蒸發溫度特性及壓力曲線Fig.5 Evaporation temperature’s characteristics and pressure of distilled water with ice crystal formed

2.3 氨水的真空蒸發特性

實驗三中，當絕對壓力不低于1kPa的壓力下的實驗數據如圖6所示。實驗過程中，氨水溫度在第440s時降至-20℃，降溫速率明顯比水快。氨水的溫度最低降至-23℃，并且有冰晶生成。

圖6 濃度為26%的氨水在不低于1kPa絕對壓力下的蒸發溫度特性Fig.6 Evaporation temperature’s characteristics of ammonia water with concentration of 26% above the absolute pressure 1kPa

在絕對壓力不低于5kPa的壓力下，實驗數據如圖7所示。實驗過程中，氨水的最低溫度為-12.2℃，氨水中沒有冰晶生成。

圖7 濃度為26%的氨水在不低于5kPa絕對壓力下的蒸發溫度特性Fig.7 Evaporation temperature’s characteristics of ammonia water with concentration of 26% above the absolute pressure 5kPa

在絕對壓力不低于10kPa的壓力下，實驗數據如圖8所示。實驗過程中氨水的最低溫度為-5.9℃，氨水中沒有冰晶生成。

圖8 濃度為26%的氨水在不低于10kPa絕對壓力下的蒸發溫度特性Fig.8 Evaporation temperature’s characteristics of ammonia water with concentration of 26% above the absolute pressure 10kPa

對比可知氨水的真空蒸發溫度跟真空壓力關系緊密，真空度越高，氨水的降溫速率和降溫幅度越明顯。真空度不夠高時，氨水中不會有冰晶生成。濃度為26%的氨水即使在10kPa的低真空壓力下，也可以降至-5.9℃，低于純水的三相點溫度0℃，可見同等真空條件下氨水的真空蒸發降溫效果遠遠優于蒸餾水。另一方面，要降低到相同的蒸發溫度，氨水對真空度的要求遠低于蒸餾水。所以在純水中加入中介物質氨后對真空冰漿制備系統的真空度要求大大降低，有效的減小了真空泵的負荷，和對真空泵極限壓力的要求。較低的真空度壓力下，閃發蒸汽的比體積較小，真空泵在相同的抽速下，閃發蒸汽的實際質量抽速大大提高，對真空冰漿制備系統的能效比的提高有重要的促進作用。

3 結論

針對真空冰漿制備系統中加入中介物質氨進行改進，設計了一套真空蒸發性能研究實驗臺系統，并進行實驗研究，得出以下結論。

1)加入中介物質氨后，在相同的真空度壓力下，氨水的降溫速率遠遠高于蒸餾水的降溫速率。

2)要達到相同的蒸發溫度，氨水對真空度的要求遠低于蒸餾水。

實驗研究結果表明改進型真空制冰系統減小了對真空度的要求，但加入中介物質后，可能存在水溶液凝固點降低，不利于冰晶的形成和中介物質的腐蝕性問題，對其進一步的深入研究將推進真空制冰的實用化，提高冰漿的生產效率與能效比。如何選取恰當的中介物質，揚其長避其短，是今后研究的重要方向。

本文受上海市重點學科建設項目(S30503)資助。(The project was supported by Shanghai Key Discipline Construction(No.S30503).)

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