王士存 田麗亭 劉陽 劉聯(lián)勝

摘要 在常壓凍結塔內進行了水經過噴嘴霧化后的凍結實驗，研究冷空氣入口溫度、噴霧水溫和成核添加劑對凍結效率和空氣溫升的影響。結果表明：冷空氣入口溫度越低，液滴的凍結效率越大，空氣溫升越高，液滴凍結后的形態(tài)越接近干雪，液滴凍結越完全;即使冷空氣入口溫度為-8 ℃時，液滴的凍結效率和空氣溫升已分別達到61.7%和4.95 ℃，表明常壓下噴霧凍結提取凝固潛熱的方法具有凍結效率高和空氣溫升大的優(yōu)點;噴霧水溫升高，液滴的顯熱換熱時間增加，導致凍結時間縮短，液滴凍結效率下降，但冷空氣入口溫度越低，噴霧水溫對液滴的凍結效率影響越小;硼砂作為水溶液的成核劑，質量分數為1.5%硼砂溶液的導熱系數相對于水提高了9.5%，硼砂溶液濃度越高，液滴的導熱系數越大，液滴凍結成核能力越強，凍結效率和空氣溫升越大。當冷空氣入口溫度為-17 ℃時，質量分數為1.5%硼砂溶液的凍結效率和空氣溫升相對于水分別提高了13.6%和1 ℃。

關 鍵 詞 噴霧凍結;凍結效率;空氣溫升;成核添加劑

中圖分類號 TK124? ? ?文獻標志碼 A

文章編號：1007-2373（2021）06-0077-07

Abstract The freezing experiment of water atomized by nozzle was carried out in atmospheric pressure freezing tower. The effects of inlet air temperature， spray water temperature and nucleating additives on the freezing efficiency and the air temperature rise were studied. The results show that the lower the inlet temperature of cold air is， the higher the freezing efficiency of droplets is， the higher the temperature rise of air is， and the better the freezing effect is. When inlet temperature of cold air is -8 ℃， the freezing efficiency and air temperature rise are 61.7% and 4.95 ℃， respectively， which show that spraying to extract the latent heat of solidification under atmospheric pressure has higher freezing efficiency and air temperature rise. With the increase of spray water temperature， the time of sensible heat transfer for droplets increases， which results in the reduction of freezing time and the drop of freezing efficiency for droplets; however， when the inlet temperature of cold air is too low， the spray water temperature has little effect on the freezing efficiency of droplets. When borax was used as nucleating additive， the thermal conductivity of 1.5% borax solution increased by 9.5% compared with that of water. Meanwhile the concentration of borax solution increases， which leads to the rise in thermal conductivity of the droplet， the enhancement of nucleating ability， and the growth of freezing efficiency and air temperature rise. When the inlet temperature of cold air is -17 ℃， the freezing efficiency and air temperature rise of 1.5% borax solution are 13.6% and 1℃ higher than that of water， respectively.

Key words spray freezing; freezing efficiency; air temperature rise; nucleation additive

0 引言

最新統(tǒng)計，全球建筑物能耗約占總能耗的40%左右，中國建筑能源消費總量為9.47 億t標準煤[1-2]，全國建筑總面積達到 642.47 億m2，其中暖通空調的能耗在逐年增加，占據舉足輕重的地位?？諝庠礋岜靡云涓咝?、節(jié)能、環(huán)保的特點被廣泛應用[3-4]，但在低溫工況運行時，系統(tǒng)面臨蒸發(fā)溫度過低、壓縮比大、運行不穩(wěn)定、制熱效率明顯下降等問題[5-6]，當機組排氣溫度過高時，甚至出現非正常停機現象。

為提高空氣源熱泵在低溫下供熱性能和運行穩(wěn)定性，學者已開展大量的相關研究[7]。Zhu等[8]提出了一種太陽能作為輔助熱源，雙噴嘴引射器的空氣源熱泵循環(huán)系統(tǒng)，拓寬了工作溫度區(qū)間，減少了節(jié)流損失，提高了系統(tǒng)性能。Li等[9]對太陽能-空氣耦合熱泵的不同制冷劑進行模擬，結果表明R22、R134a和R744工作性能相似，但CO2制冷劑可用于低溫環(huán)境。Wei等[10]提出了一種控制空氣源熱泵排氣溫度過高的方法，采用R410A作為制冷劑，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，排氣溫度合理，經濟系數高于普通的集中供暖。還有學者研究采用新型制冷劑[11]、多級壓縮系統(tǒng)[12]、制冷劑噴射技術[13-14]等，提高空氣源熱泵的經濟系數。

以上學者都是通過改進熱泵循環(huán)系統(tǒng)，來適應低溫環(huán)境。此外，鮮有學者研究提取水的凝固潛熱從源頭上提高蒸發(fā)器的溫度，進而提高空氣源熱泵的性能系數[15-16]。1 t水完全凍結釋放的凝固潛熱量，可以將10 000 m3的空氣提升27 ℃，相當于27 kg標準煤完全燃燒所釋放的熱能，并會減少80 kg二氧化碳的排放[17]。在提取凝固潛熱時，換熱器表面會大量結冰，系統(tǒng)要及時除冰才能不斷取熱和避免系統(tǒng)的冰堵。Kim等[18]和李麗娜[19]采用機械除冰取熱裝置來提取水的凝固潛熱，通過機器帶動除冰部件運動，除去換熱裝置上的冰層;武瀟等[20]采用液固流化床的方法除冰，通過固體顆粒頻繁碰撞換熱器壁面上的冰層，避免冰晶在壁面沉積影響換熱;Wang等[21]利用熱熔法，將冷凝器產生的高溫末端水溶化凝固換熱器上的冰層。

綜上，在低溫工況下即使改進空氣源熱泵的循環(huán)系統(tǒng)，也不能解決入口冷空氣溫度過低的問題。同時相變換熱器在提取潛熱時，只有靠近蒸發(fā)器管道的水才能實現凍結，并且需要復雜的除冰設備，降低了凍結效率、增加了系統(tǒng)的復雜性?；谝陨涎芯?，本文提出用噴霧凍結的方式來提取凝固潛熱，搭建噴霧凍結實驗臺，進行凝固換熱實驗。該方法的優(yōu)點是霧化后的液滴能快速凍結成雪，瞬間釋放大量凝固潛熱，具有較高的凍結效率，并且本實驗不需要除冰，凍結產物也可以利用到滑雪場或者冰蓄冷等領域上。同時本文分析了冷空氣入口溫度、噴霧水溫和成核添加劑對凍結效率和空氣溫升的影響。

1 實驗裝置和方法

提取凝固潛熱的實驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示，系統(tǒng)由4部分組成，分別為供冷系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、霧化凍結系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)。其基本工作原理：水路系統(tǒng)中的恒溫水和氣路系統(tǒng)中的高壓空氣經過流量計調節(jié)后，同時進入氣泡霧化噴嘴進行充分混合，呈霧狀的液滴自上而下噴入噴霧凍結塔內。與此同時，供冷系統(tǒng)中的冷空氣通過風機吹到噴霧凍結塔內，霧狀液滴與冷空氣充分接觸不斷進行傳熱傳質，液滴自身溫度下降并過冷至成核溫度，此時液滴內部產生部分冰晶，并在極短的時間內發(fā)生復輝現象使得液滴溫度再回升至凍結溫度，開始發(fā)生局部的固化相變直至固化完全，最終液滴變成雪粒被收集到噴霧凍結塔底部的積冰盤上[22]。此時液滴釋放的熱量傳遞到冷空氣中，被加熱后的空氣從出風管道中排出。本文前期設計了氣泡霧化噴嘴，并利用噴霧流量測試系統(tǒng)和馬爾文進行了噴嘴流量特性和霧化特性分析，測試系統(tǒng)詳見文獻[23-25]。當噴嘴在工作壓力0.4 MPa、氣液質量流量比為0.12時，液滴的索泰爾平均直徑在50 μm以內，直徑大于100 μm的顆粒數量僅占噴霧總顆粒數的5%左右，液滴的初始速度為24 m/s。同時氣泡霧化噴嘴相較于其他類型噴嘴具有工作壓力低、耗能少、成本低廉等優(yōu)勢。

圖2是噴霧凍結塔的實物圖。凍結塔由3部分組成，噴霧凍結塔的整體高度為175 cm，上部是不銹鋼梯形臺，梯形臺內外表面均附有3 cm厚的保溫棉;凍結塔的中間部分為矩形通道，矩形通道的截面為60 cm×45 cm，高度為150 cm，通道由6 cm厚的高密度聚苯乙烯保溫板構成;凍結塔的下部為積冰盤，積冰盤的材質也是保溫板，積冰盤與矩形箱體的連接處，用發(fā)泡膠封填，使整個噴霧凍結塔具有良好的保溫和密封效果。實驗中，恒溫水由保溫水箱提供，同時在保溫水箱里放置1個T型熱電偶;在距離凍結塔入口30 cm處的送風管道內，沿直徑等距放置3個T型熱電偶，取這3個熱電偶溫度的平均值作為冷空氣的入口溫度;凍結塔下部有2個出風管，在出風管的90 cm處，分別布置3個T型熱電偶，取這6個熱電偶溫度的平均值作為空氣出口溫度。冷空氣經風機進入凍結塔內，在左右出風管道處，用熱線風速儀多次測量風速求平均值，實驗風量為284 m3/h。

2 數據處理與誤差分析

2.1 數據處理

水的顯熱放熱量為

水的潛熱放熱量為

由表1可知，水的比熱是冰的2倍，水的潛熱是冰比熱的158.8倍。液滴凍結釋放的總熱量中，冰粒放出的顯熱量在總熱量中占比很小，因此忽略0 ℃冰再次降溫放出的熱量。

空氣的吸熱量為

式中：[qv]為冷空氣的體積流量，m3?h-1;[ρa]為冷空氣的密度，kg?m-3;[cpa]為冷空氣的比熱容， kJ?kg-1?K-1;[ta2]為冷空氣在噴霧凍結塔的出口溫度，K;[ta1]為冷空氣在噴霧凍結塔的進口溫度，K。

實驗的凍結效率φ[26]：

2.2 誤差分析

實驗中，所用的測溫元件為T型熱電偶，經恒溫水浴標定后，測量精度為±0.1 K;噴霧凍結塔的風量用德圖testo-405-v1熱線風速儀測量，其風速儀的測量精度為±0.685 m/s;水路系統(tǒng)中液相轉子流量計的額定流量為8 kg?h-1，實驗前用500 mL量筒進行標定，標定中所用量筒的精度為±5 mL。實驗的空氣溫升和凍結效率只能通過直接測量的進出口溫度、出口風速、噴霧流量等參數去計算，因此根據誤差分析理論，采用二次冪法對實驗結果進行不確定度的分析。

經計算得出，本實驗中進出口空氣溫升和凍結效率的不確定度為2.42%和4.24%。

3 結果與分析

3.1 冷空氣入口溫度對凍結換熱的影響

圖3是不同冷空氣入口溫度下，實驗結束時，積冰盤上承接的凍結產物圖。由圖中發(fā)現，冷空氣入口溫度不同，凍結產物的形態(tài)差別較大。圖3a）的冷空氣入口溫度為-8 ℃，此時有些液滴被凍結，凍結的液滴與未被凍結的液滴在積冰盤上均勻混合，形成了流動性較好的“冰漿”;圖3b）的冷空氣入口溫度是-11 ℃，此時積冰盤上開始出現雪，但雪浸入到未凍結的水中，形成雪與水的混合物“雪漿”，說明一部分液滴可以被完全凍結，釋放凝固潛熱;圖3c）的冷空氣入口溫度是-14 ℃，此時大部分液滴被凍結成雪，但用手攥仍能擠壓出水，說明雪中仍含較多的水;圖3d）的冷空氣入口溫度是-20 ℃，此時液滴被完全凍結變成白色雪粒，雪粒較細，雪層蓬松，接近干雪狀態(tài)，說明此時噴霧凍結的效果最好。因此，冷空氣入口溫度越低，液滴凍結后越接近“雪”態(tài)，液滴凍結越完全，釋放的凝固潛熱越多。

噴霧流量為[qm]= 8 kg/h，冷空氣風量為[qv]= 284 m3/h，改變冷空氣入口溫度對凍結效率和空氣溫升的影響如圖4所示。由圖可見，隨著冷空氣入口溫度的升高，凍結效率和空氣溫升逐漸減小。這主要是噴霧凍結塔內液滴與空氣之間的溫差減小，液滴凍結的驅動力下降，導致液滴與空氣間的傳熱速率減小，液滴的凍結速度減慢。單位時間內，凍結的液滴數量變少，導致液滴的凍結效率下降，釋放的相變潛熱量減少，進而引起空氣溫升的下降。噴霧流量為8 kg/h時，液滴完全凍結引起的理論空氣溫升為7.74 ℃，實驗中，當冷空氣入口溫度分別為-8 ℃、-11 ℃、-14 ℃、-17 ℃和-20 ℃時，實測空氣溫升分別為4.95 ℃、5.28 ℃、5.72 ℃、6.29 ℃、7.05 ℃，這說明冷空氣入口溫度越低，完成凍結的液滴越多，噴霧凍結塔的實測空氣溫升越接近理論空氣溫升，提取的凝固潛熱量越多。在我國，冬季北方大部分地區(qū)最冷月的氣溫低于-8 ℃[27]，實驗中冷空氣入口溫度最高為-8 ℃時，凍結效率和空氣溫升分別為61.7%和4.95 ℃，說明一半以上液滴被凍結，釋放相變潛熱。因此用噴霧凍結來提取凝固潛熱的方式，具有凍結效率高，空氣溫升大，實用性強的優(yōu)點。

3.2 噴霧水溫對凍結換熱的影響

在冷空氣入口溫度為-20 ℃、-17 ℃和-11 ℃時，改變噴霧水溫對凍結效率的影響如圖5所示。由圖中發(fā)現，隨著噴霧水溫的升高，3條曲線的凍結效率均不斷降低。這是由于在液滴凍結過程中，先進行顯熱放熱，接著進行凝固潛熱放熱，最后進行冰粒顯熱放熱，當噴霧水溫大于0 ℃時，液滴在噴霧凍結塔內先進行顯熱換熱，將自身的溫度降到0 ℃，液滴才被凍結。實驗中凍結塔內冷空氣的平均風速為0.3 m/s，液滴在1 s內下落到凍結塔的積冰盤上[28]。液滴的溫度越高，下落行程中，液滴的顯熱換熱時間越長，凍結換熱時間變短，部分液滴來不及與冷空氣換熱，直接濺落到積冰盤上，這導致液滴凍結不徹底，凝固潛熱釋放不完全，因此凍結效率隨著噴霧水溫的升高而不斷下降。從圖中還可以發(fā)現，3條曲線的下降幅度不同，當冷空氣入口溫度分別為-20 ℃、-17 ℃和-11 ℃時，凍結效率曲線的降幅分別為5.7%、13.8%、18.9%，冷空氣入口溫度越低，噴霧水溫對液滴的凍結效率影響越小。這是-20 ℃的冷空氣入口溫度相對-17 ℃和-11 ℃時，噴霧凍結塔內液滴與冷空氣之間的溫差更大，液滴與冷空氣之間的對流換熱更強，液滴完成顯熱換熱的時間變短，同時凍結塔內有足夠多的冷量，使完成顯熱換熱的0 ℃液滴被凍結，釋放相變潛熱，因此噴霧水溫對凍結效率影響不大。

噴霧水溫對空氣溫升的影響如圖6所示，圖中3條曲線隨著噴霧水溫的增加而升高。這是由于在噴霧流量一定時，噴霧水溫越高，液滴含有的總熱量越多，液滴凍結釋放的熱量也越多，空氣溫升越明顯。5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃的液滴冷卻到0 ℃放出顯熱量，理論上可讓流量為284 m3/h的冷空氣分別升高0.46 ℃、0.91 ℃、1.36 ℃、1.82 ℃。實驗時，水路系統(tǒng)的水管內徑為4 mm，氣泡霧化噴嘴的噴孔直徑為1 mm，在冷空氣入口溫度低于-17 ℃時，水管和噴嘴中流動的水也極易被凍結，影響實驗的穩(wěn)定和安全。綜合考慮噴霧水溫對凍結效率、空氣溫升和實驗安全性的影響，故在冷空氣入口溫度高于-17 ℃時，選擇5 ℃及以下的水溫;在冷空氣入口溫度低于-17 ℃時，應選擇10 ℃及以上的高溫水，這樣既可以保證較高的凍結效率和空氣溫升，又能提高實驗的安全可靠性。

3.3 成核劑對凍結換熱的影響

相關文獻[29]研究表明，硼砂是一種有效的成核劑，在水溶液中加入硼砂，有助于液滴的凍結。在室溫條件下，用DRE-2B導熱系數測試儀測量不同濃度硼砂溶液的導熱系數，如圖7所示。圖中導熱系數曲線隨著硼砂溶液濃度增加呈線性升高，溶液濃度越高，導熱能力越強，圖中水溶液的導熱系數為0.57 W×m-1×K-1，質量分數為1.5%硼砂溶液的導熱系數為0.62 W×m-1×K-1，其導熱系數相對于水提高了9.5%。

圖8是液滴凍結效率和空氣溫升隨硼砂溶液濃度的變化曲線。由圖中發(fā)現，在不同冷空氣入口溫度下，凍結效率和空氣溫升均隨著溶液濃度的增大而升高。從宏觀上分析，這是由于硼砂溶液濃度增加，霧化后液滴導熱系數升高，單位時間內液滴傳熱能力增強，能及時將自身的熱量傳遞給冷空氣，液滴的凍結速率加快，曲線逐漸升高;從微觀上分析，液滴中加入硼砂，有助于減小臨界成核半徑，促進液滴的非均勻成核，同時硼砂溶液濃度越高，液滴中含有的硼砂越多，液滴凍結時，有助于晶核的形成和枝晶的生長，減小過冷度，提高了液滴的凍結速度，因此硼砂溶液濃度越高，液滴的凍結效率越大，釋放的凝固潛熱越多，空氣溫升越明顯。當冷空氣入口溫度為-17 ℃時，水溶液的凍結效率和空氣溫升分別為80.2%、6.29 ℃，1.5%硼砂溶液的凍結效率和空氣溫升分別為93.8%、7.29 ℃，其凍結效率和空氣溫升相對于水溶液分別提高了13.6%和1 ℃，說明加入硼砂成核劑明顯提高了液滴的凍結效率和空氣溫升，同時硼砂價格便宜，性質穩(wěn)定，導熱系數大，是一種良好的成核添加劑，可在工程中廣泛應用。

4 結論

本文進行了常壓下采集水中凝固潛熱的噴霧凍結實驗，研究了冷空氣入口溫度、噴霧水溫和成核添加劑對凍結效率和空氣溫升的影響。結果顯示：1）冷空氣入口溫度越低，液滴凍結越完全，空氣出口溫度越高。冷空氣入口溫度為-8 ℃時，液滴凍結效率已有61.7%，空氣溫升已達4.95 ℃，表明噴霧凍結提取凝固潛熱的方式具有凍結效率高、空氣溫升大的優(yōu)點。2）噴霧水溫越高，液滴的凍結效率下降，但空氣進出口溫升增加。噴霧水溫對液滴凍結效率的影響隨著冷空氣入口溫度的降低而減弱。3）硼砂溶液濃度越高，凍結成核能力越強，凍結效率和空氣溫升越大。冷空氣入口溫度為-17 ℃時，質量分數為1.5%硼砂溶液的凍結效率和空氣溫升相對于水分別提高了13.6%和1 ℃。

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