日本过冷水动态制冰研究开发现状
详细内容
Research and development status in dynamic freezing of supercooled water in Japan
日本过冷水动态制冰研究开发现状 : 2 过冷却器
图2～图8是几种比较典型的过冷却器的示意图。根据对过冷水过冷度影响因素的研究，为了在过冷却器中得到具有较高过冷度、状态稳定的过冷水，过冷却器的研制开发一般从以下几个方面考虑：
2.1 传热面水侧应具有较高的光洁度。这是作为过冷却器的最基本的要求[21,25-28]。同时，传热面水侧不应设肋片，管子连接部分应尽可能光滑[21,25-26]或者将管子连接部分置于传热部之外[21]（如图2[21]所示，图2中的放大部分是管子光滑连接的方式），甚至对管子的连接部分进行加热[26]。
图2 过冷却器1
2.2 传热面上应具有较高的水流速度。一般通过在截面上产生回旋流来实现。
图3[20]所示的过冷却器中，在水容器中设置搅拌叶轮，在搅拌叶轮的搅拌下，传热面上水流速度能够保持在0.1m/s以上。文献[20]同时指出，当使用盘管式过冷却器时，可通过加大湍流度来保证传热面的水流速不低于0.1m/s。与图3类似的装置在文献[23]中也可以见到，但文献[23]同时指出，当搅拌叶轮高速旋转时，会解除过冷状态。
图3 过冷却器2
图4所示的过冷却器中，由于离心力的作用，盘管的截面上形成回旋流（如图4b所示），使得传热面上具有较高的水流速度。
图4 过冷却器3
2.3 水流应具有比较规则和定常的流型。
过冷水管形状应比较规则，不能有急弯或突扩、突缩。
上述过冷水管不同管段之间的光滑连接也是为了避免滞流、偏流等局部涡流区域的产生，保证水流具有规则和定常的流型。
在各种不同形状、结构的过冷却器中，要采取不同的具体措施来保证水流的流型。
图5[24]所示的过冷却器中，1为过冷水管，2为冷媒容器。水容器3上部设溢流口，使其中水位保持一定。水由下部的入水口进入水容器，入水口的位置低于水管的端部，可以避免水入口处产生的涡旋影响管1内的水流。水管1的入口部设整流板（图中未示出）。通过以上三项措施来保证过冷水管1中的水流具有规则和定常的流型。
图5 过冷却器4
文献[22]中也要求水流在进入换热部之前进行整流。
2.4 当过冷却器中的水管不只一根时，要尽量保证各水管与冷媒的换热情况基本相同，对于同一根水管，要尽量保证其各部位与冷媒的换热情况基本相同，避免局部温度过低。
图6[27]中用满液式蒸发器作为过冷却器，为了避免因满液式蒸发器上下部蒸发温度和热交换系数的不同而造成各水管中水温不同，水管被分成三组，各组的水流量可单独调节，通过水流量的调节来补偿蒸发温度和热交换系数的差异。
图6 过冷却器5
图7[29]中使用管壳式换热器作为过冷却器，考虑到在分隔板的缺口处（图中3）的换热管与中心部的换热管与冷媒之间的换热情况差别较大，在分隔板的缺口部不安装换热管。
图7 过冷却器6
图8[28]所示的过冷却器中，冷媒由上部喷淋而下，与水管进行热交换。但由于从喷嘴1喷出的冷媒在靠近喷嘴处尚未形成均匀的流场，不能与水管进行均匀的热交换，考虑可能会因此造成水管中局部温度过低，因而在靠近喷嘴处设置模拟管2（与水管外形相同，但其中不通过冷水），冷媒流体经过两排模拟管，逐渐形成均匀的流场时，再与水管接触进行热交换。
图8 过冷却器7
另外，也常通过在制冷系统中采用变频控制来保证过冷却器中冷媒温度和流量不至有太大波动[40]。
过冷却器是实现过冷水动态制冰最关键的环节。目前所能实现的最大过冷度为4-6℃，一般为2-3℃。如果希望获得更高的过冷度，仅仅从以上四个方面考虑显然不够，需要有新的突破。
日本过冷水动态制冰研究开发现状 : 3 过冷却解除装置与蓄冰槽
在过冷水制冰系统中，蓄冰槽常常成为过冷却解除装置的一部分，所以这里将过冷却解除装置与蓄冰槽合在一起介绍。
常用的过冷却解除方法有下面的三种：
3.1 过冷水与挡板或器壁或两部分过冷水之间发生激烈冲击，破坏过冷水的过冷状态。
这种方法装置简单，易于实现，应用较为广泛。这种方法可以分为四种情形：
a. 过冷水与固体表面发生冲击[30-34]，如图9、10、11所示；
图9 过冷解除装置1
日本过冷水动态制冰研究开发现状 : 4 系统运行控制
过冷状态是水的亚稳状态，现有的技术条件还不能保证其绝对稳定地存在，如果水的过冷状态在过冷却器中被破坏，产生冰晶，冰晶长大后京就会堵塞甚至破坏过冷却器。实际系统中，一方面要防止蓄冰槽的冰晶进入过冷却器，另一方面要实时地检测出过冷却器中是否有冰晶存在，并及时采取措施消除冰晶。
为防止冰晶由蓄冰槽进入过冷却器，除了在蓄冰槽中尽可能使冰水完全分离外，通常在系统中也采取一定的措施。一般的方法是在过冷却器之前在预热换热器中对蓄冰槽中抽出来的水加热，使其温度稍高于0℃，确切保其中不含有冰晶。使用的热源有以下几种形式：
(1) 冷凝器的冷却水[44]。
(2) 空调系统的回水[45]。
(3) 从外部引入的温水[46]。
以上三种方式都可以通过预热器的冷却水流量或温度，或者调节分流通过预热换热器的冷水流量来控制进入过冷却器的冷水的温度。
(4) 从冷凝器出来的液体冷媒[46-47]。这种方式一般以调节分流通过预热换热器的冷水流量来控制进入过冷却器的冷水温度。
检测过冷却器中是否有冰晶产生的方法有下面的几种：
(1) 检测过冷却器中压力降[49]。过冷却器中有冰生成时，流道变窄，流阻增大，压力降增大，因而通过检测过冷却器中的压力降可以判断过冷却器中是否有冰生成。这种方法装置简单，易于实现，应用较为广泛。
(2) 检测管路中液体的光透过率[48,50-51]。过冷却器中有冰生成时，管路中光透过率、超声波透过率、电磁波透过率都将发生变化。
当检测到过冷却器中有冰晶产生时，应停止过冷却器中低温冷媒的供应，并对过冷却器加热，尽快消除冰晶。热源的选取方式与预热换热器相同[37,52-56]。另外由于并非连续运行，有时也使用电加热[37,52,54]。
.系统运行控制技术一方面弥补了过冷却器和过冷解除装置技术的不成熟，另一方面保证系统在运行过程中不受损坏。该技术中需要对从蓄冰槽中取出的水进行加热或加热融化在过冷却器生成的冰，为了减少能量损失，热源的选取要与具体的系统相结合。
图18[46]是一种比较典型的系统运行控制方案。预热换热器的热量由高温液体冷媒提供，以调节通过预热换热器的冷水流量来控制进入过冷却器的冷水的温度。当压力传感器检测到过冷却器中有冰产生时，打开阀1，将压缩机中的高温蒸气直接导入过冷却器，进行融冰。
图18 系统运行控制示例
5 结论与展望
日本对过冷水动态制冰蓄冷系统的研究迄今已经有将近10年的时间，进行了大量的研究工作，也有在工程实际中应用的例子，但目前这项技术并未完全成熟，还不能够与传统的静态制冰技术相竞争，不能够在工程实际中广泛推广。
目前这顶技术的主要缺陷在于过冷却器内结冰的发生过于频繁，频繁的融冰动作使得系统的可靠性和用能效率下降。另外，水的过冷度较低也限制了制冰速率的提高。解决问题的关键在于对水的过冷却现象的进一步认识和把握。
目前，许多日本公司都将此项技术作为自己拥有的高新技术的代表在展览会上展出，并投入大量人力物力进行进一步的深入研究。我们有理由相信，在不久的将来，这项技术将成为制冰技术的一支新军，从而大大推动冰蓄冷技术的发展。
日本过冷水动态制冰研究开发现状 : 6 参考文献
1．D Kema, I Kondou, Y Shigenaga, K Torikoshi and Y Katayama. Development of a Dynamic-Type Ice Thermal Storage Air C Conditioning System of Individual Control for Building Use.Megostock'97 Proceedings (7th International Conference on Thermal Energy Ste), Volume II, 1997.
2．Heat Pump Technology Centre of Japan, Heat Storage Type Heat Pumps in Japan,1992.
3．公开特许公报，平1-114682，日本国特许?，1989.
4．公开特许公报，昭63-271074，日本国特许?，1989.
5．稻叶英男，冰蓄热システムの现状とその新展开，冷冻，1996，71（830）：1346.
6．蓄热式空调システムの计划，设计マニユアル，日本工业出版，1996.
7．六串俊巳，高桥灿吉，管内流にぉける过冷却度と冰の成长について.化学工学论文集，1981，7（5）：449.
8．斋藤彬夫，宇高义郎，玉木淳，他2名，过冷却をともなう凝固过程の研究.日本机械学会论文集（B），1987，54（502），1439.
9．斋藤彬夫，宇高义郎，大河诚司，他2名.?热热面上にぉける过冷却解消过程に关する基础研究，日本冷冻协会论文集，1988,5(2):207.
10. 斋藤彬夫，大河诚司，小金泽新治，水の过冷却凝固に关する研究，冷冻，1991，66（764）：589.
11．A Saito, S Okewa, A Tojiki. Fundamental Research on External Factors Affecting the Freezing of Supercooled Water, Int J Heat Mass Transfer, 1992,35(10):2527.
12. 斋藤彬夫，大河诚司，玉木淳, 过冷却をともなう凝固过程の研究, 日本冷冻协会论文集，1989,6(1):31.
13．斋藤彬夫，大河诚司，宇根浩，过冷却水の凝固に影响を及ぼす外的要因に关する研究，日本冷冻协会论文集，1991，8（2）：141.
14．稻叶英男，武谷健吾，野津兹，流动过冷却水によろ连续制冰に关する研究，日本机械学会论文集（B），1992，58（548）：1321.
15．稻叶英男，武谷健吾，野津兹，静止状态にぉけるルク状水ぉよび水溶液の过冷却现象に影响を及ぼす诸因子の效果. 日本机械学会论文集（B），1993，59（560）：1202.
16．稻叶英男，武谷健吾，静止水の过冷却现象ぼす诸因子の影响. 日本机械学会论文集（B），1993，59（567）：3557.
17．稻叶英男，武谷健吾，流动过冷却水ぉよび水溶液の管内冻结半生限界に及ぼす诸因子の影响.日本机械学会论文集，1994，60（578）：3440.
18．H Inaba, K Takeya, S Nozu. Foundamental Study on Continuous Ice Making Using Flowing Supercooled Water. J JSME Int (B),1994,37(2):385.
19. 稻叶英男宫原里支，武谷健吾.流动水溶液にょゐ基础研究.日本机械学会论文集（B）,1994,60(578):3440.
20．公开特许公报，昭62-147271，日本国特许?，1987.
21. 公开特许公报，昭63-14063，日本国特许?，1988.
22. 公开特许公报，昭63-217171，日本国特许?，1988.
23. 公开特许公报，昭63-231157，日本国特许?，1988.
24. 公开特许公报，昭63-271074，日本国特许?，1988.
25. 公开特许公报，平2-97893，日本国特许?，1990.
26．公开特许公报，平4-170，日本国特许?，1992.
27．公开特许公报，平5-118728，日本国特许?，1993.
28．公开特许公报，平6-341734，日本国特许?，1994.
29．公开特许公报，平8-240364，日本国特许?，1996.
30．公开特许公报，平7-19540，日本国特许?，1995.
31．公开特许公报，平5-346280，日本国特许?，1993.
32．公开特许公报，平8-210743，日本国特许?，1996.
33．公开特许公报，平8-29030，日本国特许?，1996.
34．公开特许公报，平7-174442，日本国特许?，1995.
35．公开特许公报，平7-120017，日本国特许?，1995.
36．公开特许公报，平6-11218，日本国特许?，1994.
37．公开特许公报，平5-141824，日本国特许?，1993.
38．公开特许公报，平7-293945，日本国特许?，1995.
39．公开特许公报，平8-285418，日本国特许?，1996.
40．公开特许公报，平6-74631，日本国特许?，1994.
41．公开特许公报，昭64-90973，日本国特许?，1989.
42．公开特许公报，平5-346280，日本国特许?，1993.
43．公开特许公报，平7-4800，日本国特许?，1995.
44．公开特许公报，平6-257925，日本国特许?，1994.
45．公开特许公报，平5-172444，日本国特许?，1993.
46．公开特许公报，平8-313128，日本国特许?，1996.
47．公开特许公报，平7-63451，日本国特许?，1995.
48．公开特许公报，昭63-123968，日本国特许?，1988.
49．公开特许公报，昭63-123969，日本国特许?，1988.
50．公开特许公报，昭63-129274，日本国特许?，1988.
51．公开特许公报，昭63-129275，日本国特许?，1988.
52．公开特许公报，平5-141824，日本国特许?，1993.
53．公开特许公报，平7-4799，日本国特许?，1995.
54．公开特许公报，平5-113279，日本国特许?，1993.
55．公开特许公报，平5-118726，日本国特许?，1993
56．公开特许公报，平5-118727，日本国特许?，1993.
57．公开特许公报，平7-139770，日本国特许?，1995.
日本过冷水动态制冰研究开发现状 :