文档介绍：真空制冰动态特性可视化实验研究
章学来,李志伟,王为,李晓菲,高文忠,刘小微
(上海海事大学蓄冷技术研究所,上海 200135)
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摘要:本文自行设计一套真空制冰动态特性可视化研究实验系统,在改变闪蒸室内压力、水套温度、供水
水温、速率、不同水质等,测试各种因素对二元冰晶生成的影响。并根据理论分析和实验结果的对比,得
到水滴温度随时间变化与各影响因素的关系。
关键词:二元冰,水滴,温度
0 引言
二元冰是指某类(如乙二醇)水溶液和冰晶粒子的混合物,是呈泥浆状的悬浮液,其流
动性很好,能够被泵送,通常也称为“冰浆”。由于二元冰内含有冰晶颗粒,所以在冰晶融
解时将吸收大量的融解热(冰的融解热约为 335kJ/kg),提高了流体的单位体积热容量。同
时,有研究表明在一定的含冰率(Ice Packing Factor)下,二元冰能在某种程度上起到减阻
剂的效果,其在单位长度管路中的阻力损失比水更小,从而减少水泵的电耗。目前,二元冰
技术已应用于区域供冷及建筑物空调,工业冷却和食品冷藏等领域,潜在的应用包括消防灭
火、矿井冷却及人体器官的快速冷却。Wang, M J 通过实例分析了冰浆在大型建筑物空调方
面的应用,指出系统运行费用只有吸收式方式的 2/3 ,蓄能密度可达到 kW·h/m3,可以转
移约 50%的峰值电负荷[1-5]。可以看出,二元冰是一种具有相当前途的供冷介质。因此,对
真空制冰进行理论和实验研究显得十分有意义。
韩国理工学院热流控制中心 Shin . ,Kim [6-7]研究了真空制冰现象,探讨了真
空制冰的理论基础。针对单个液滴的蒸发现象,建立了扩散过程控制的蒸发模型,但只分析
了水滴闪蒸的全液相阶段。浙江大学的张绍志、陈光明等[8-9]对真空环境下二元冰晶形成过
程进行了理论分析,建立了闪蒸器内冰晶形成过程的数学模型,通过对闪蒸器内冰晶形成过
程数学模型中的各方程进行无因次化,将其简化为可直接求解的方程或非线性常微分方程,
对此过程的定量分析提供了一定的依据。其分析主要集中在固液两相阶段,全液相及全固相
阶段并未涉及。而关于真空制取二元冰的实验研究多集中在对单个静态水滴的研究,对真空
制冰整体参数的实验研究相对较少。
1 真空制冰动态特性可视化研究实验系统
真空制冰动态特性可视化研究实验系统整体示意图及实物图如图 1、图 2 所示。整个系
统,主要由真空罐、闪蒸室、供水装置、真空维持设备、温度调节设备、数字摄像设备及压
力、温度测量设备等组成。其包括主要设备的实物实验台系统如图 2 所示。其中,可视窗和
采光窗的设计为可视性提供了条件,D 高速摄像机对闪蒸室中现象进行观察和记录。

图 1 真空制冰动态特性可视化研究实验系统示意图
图 2 试验系统实物
2 理论分析
水滴的稳态闪蒸、结冰过程是实验研究的主要内容,实验所测的闪蒸室环境内,大部分
的水滴处于此状态下,虽然水滴的稳态闪蒸、结冰只是多种闪蒸形态中的一种,但其过程也
存在许多变化,受各种因素的影响。
液态水滴闪蒸开始时刻由于蒸发速率较大,由蒸发带走的显热量很大,此刻,水滴内部
温