冷媒进口温度对管外结冰过程的影响

    0 引言

    制冰设备在制冷、空调、医疗、食品、生物保鲜等行业中被普遍使用[1],单位时间内的制冰量和耗电量是制冰设备的两个主要性能指标。

    在制冰过程中既要保证水能够迅速而稳定地结冰,又要考虑制冷机组的COP不至下降太多,因此,必须对进入结冰换热器的冷媒温度进行合理选择。

    水在到达0℃ 后的结冰过程随通入冷媒温度的不同而有所不同。当冷媒温度较高,即稍低于0e时,是结冰的第一个过程,水分子结构重排,形成规则排列的水分子,称为晶胚;当晶胚的尺寸和数量满足一定条件后,便进入晶胚成长为冰晶晶核的过程,这一过程称为结晶过程的孕育期;之后是晶核稳定长大的过程,这一过程称为晶核生长期[2]。如果冷媒温度较低,则结冰过程只有两个阶段,这时晶核首先在换热器表面迅速形成,接着进入晶核的生长期。

    冷媒进口温度不同导致结冰过程不同,结冰过程的不同阶段所占时间长短也不相同,这些都会使制冰设备在相同时间内的制冰量各不相同。晶核的生长期是冰晶稳定形成的主要时期,这一时期经历的时间越长,则结冰量相对越大。本文通过实验研究0℃ 水在冷媒不同进口温度下晶胚形成期和晶核形成孕育期的长短,冷媒进口温度对孕育期内晶核形成速率的影响以及对结冰量的影响。

    1 实验研究

    本实验研究所采用的管外结冰实验装置如图1所示。结冰槽外壁敷设聚氨酯泡沫和塑料泡沫保温层,恒温浴槽内为乙二醇水溶液,乙二醇溶液温度可以下降到0℃ 以下,控温精度为±0.01℃ 。乙二醇溶液作为冷媒流入结冰槽内的铜管,使得结冰槽内的水温度下降并在管外结冰。热电偶、数据采集仪和计算机构成温度测量记录系统,热电偶用精密玻璃温度计进行标定,测温精度为±0.1±,通过对结冰槽内水温度变化的分析,可以了解水结冰过程晶胚形成期、晶核形成孕育期和晶核生长期的时间长短。

    实验步骤为:在结冰槽内充入水,打开阀门2和7,关闭阀门1,启动恒温浴槽,将恒温浴槽控制温度设定为-2℃,接通搅拌器3电源,对水进行冷却,这种冷却方式可确保管外水在冷却过程中不会结冰。启动数据采集系统,对水温进行测量和记录。当水温达到0℃时,断开搅拌器3电源,打开阀门1,关闭阀门2和7,将恒温浴槽控制温度设定为实验所需要的温度。乙二醇温度达到实验温度时,打开阀门2和7,关闭阀门1,将低温乙二醇溶液送入结冰槽,使结冰槽中水发生结冰相变。管外结冰过程结束后,关闭制冷机,打开阀门1,关闭阀门2和7,用虹吸管抽出结冰槽中剩余水。打开阀门2和7,关闭阀门1,将恒温浴槽控制温度设定为20℃,通入高温乙二醇溶液,使管外冰层融化。管外冰层完全融化后,再次用虹吸管将水吸出,测量水的质量,即为结冰质量。