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冰上芭蕾——“冰蓄冷”技术

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时间: 2018-12-22
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冰上芭蕾——“冰蓄冷”技术

冰蓄冷技术自诞生之日起,就被广泛应用于空调和制冷。尤其是它能够大幅减少制冷设备高峰时段的能耗,功效卓著。

冰蓄冷技术不简单

说起冰蓄冷的原理,其实非常简单。就像大家在夏天为了能随时喝上冰饮料,而在冰箱里常备些冰块儿。冰蓄冷技术也一样,为了能够在需要时快速降温,就得提前蓄冰制冷。说来简单,但是想要完全掌握冰蓄冷技术,就像滑好冰上芭蕾一样,需要掌握很多技巧。

水是最佳介质

在冰蓄冷技术中使用的介质不单单只有水,任何在相变过程中能吸收或者放出热量的物质,都可以拿来用作介质。在可接受的经济范围内,目前已经开发出来用于冰蓄冷的介质,如:一些盐溶液,其相变温度可在零下10摄氏度到10摄氏度的范围之间按需求调整配方。相比较于水而言,它们的单位质量熔化热降低40%以上。就是说,同样质量的介质,储存的能量比水要少很多。所以说,水不是唯一能用于冰蓄冷的介质,但水是最好的介质。

蓄冰池的结冰过程

结冰蓄冷的效果和冰蓄冷装置内部的结构有着非常大的关系。不讲复杂的理论和公式,这里就用最简单的模型来分析一下。

冰上芭蕾——“冰蓄冷”技术

①:如图所示,我们假设在蓄冷池中均匀的放入换热管。在蓄冷的初期,制冷机刚刚启动,换热管内部流动的冷媒渐渐地降低蓄冷池中的水温,此时并没有发生相变(结冰)。在图的下半部分对应的出水(outlet)和入水(inlet)温度曲线,双双匀速缓缓下降。

②:在换热管管壁开始结冰的一瞬间,温度曲线出现拐点,继续结冰所需要的温度就不需要之前那么低,而是慢慢回升到冰点温度。此时换热管和蓄冰池的换热方式从之前的对流变成了传导,冰层厚度开始增加,传热的阻力主要由换热管产生。

③:在冰层厚度增加的过程中,出口和入口的水温基本保持在冰点不变,但总体温度趋于下降。冰层的加厚带来了更大的换热面积,但也增加了传热的热阻力。

④:当所有换热管周围的冰圈,结成一个整体时,之前存在于换热管缝隙之间的换热面积消失,也就是在蓄冷池中已经形成了一个大冰坨。此时若要继续蓄冷,只能靠大冰坨最外面的表面继续结冰,所需的冷媒温度就必须比冰坨更低,所以温度曲线又双双下降。但这种情况下再继续蓄冷,已经没有了经济效益,可以视为蓄冷过程的结束。

蓄冰池的融化方式

在我们需要制冷时,就可以让蓄冷池中大冰坨融化。最简单的融化方式,就是在换热管中直接通入需要冷却的介质。冰上芭蕾——“冰蓄冷”技术

和结冰过程相反,最先开始融化的是换热管周围的冰。此时的大冰坨变成了蜂窝,从内部开始“瓦解”。为了加快这个过程,获得单位时间更多的制冷量,还可以在蓄冰池里利用鼓风机吹入气泡,加快对流。

冰上芭蕾——“冰蓄冷”技术

另一种融化方法是:利用水泵,循环蓄冷池内那部分没有结冰的水,从外部来融化大冰坨。这样的好处是能获得更低的温度。

冰上芭蕾——“冰蓄冷”技术

在负荷起伏变化很大的地方,比如剧院和数据中心,为了获得更高的制冷功率,可以将两种方式结合起来,融化速度及其对应的制冷功率可以提高10倍。


冰上芭蕾——“冰蓄冷”技术

合理的尺寸和结构是设计的难点

理想的情况当然是每一个“蓄冰——融化”周期结束后,蓄冰池内不存在没有融化的冰块。同时,蓄冰池和换热管的几何布置能达到需要的功率,适应负荷的变化。换热管不是越多越好,越密越好,蓄冰池有时候也必须根据需要进行合理的分割。

冰上芭蕾——“冰蓄冷”技术

在控制和测量方面,如何准确把握蓄冰池内蓄冰和融冰的情况,是在设计之初就要考虑的问题。冰的密度比水小,如何排除冰块上浮对测量的影响,是一个非常关键的问题。


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