1界面漸進(jìn)冷凍系統(tǒng)試驗(yàn)裝置

　　1.1試驗(yàn)裝置在本系統(tǒng)建設(shè)過程中，發(fā)現(xiàn)原系統(tǒng)方案中的普通四通閥工作時(shí)會出現(xiàn)換向異常的情況。原因是本系統(tǒng)工作時(shí)高低壓力差較小，不足以克服主滑閥移動時(shí)的摩擦阻力，導(dǎo)致主滑閥處于中間位置狀態(tài)，從而造成四通閥換向異常。因此，將原系統(tǒng)改進(jìn)為采用兩臺壓縮機(jī)的熱泵系統(tǒng)，省略了四通閥，并在每個(gè)壓縮機(jī)吸氣側(cè)增加一個(gè)電磁閥，以防止一臺壓縮機(jī)工作時(shí)的排氣對另一臺造成影響。

　　改進(jìn)后的界面漸進(jìn)冷凍系統(tǒng)主要設(shè)有3臺壓縮機(jī)，2個(gè)結(jié)冰水箱，節(jié)流部件等。系統(tǒng)裝置圖如圖1所示，3臺壓縮機(jī)分別構(gòu)成3套熱泵系統(tǒng)。系統(tǒng)中的壓第2期韓強(qiáng)，等：界面漸進(jìn)結(jié)冰融冰過程的試驗(yàn)研究縮機(jī)為上海日立電器有限公司（HIGHLY）生產(chǎn)的SHW33TC4-U型壓縮機(jī)，功率分別為15，075，075 kW，使用R22作為制冷劑。

　　1）輔助制冷系統(tǒng)制冷劑從高位結(jié)冰水箱中吸收熱量，高位結(jié)冰水箱中的直光管換熱器表面結(jié)冰，吸收熱量后的制冷劑氣體經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入室外冷凝器放出熱量后經(jīng)儲液器，干燥過濾器，電磁閥后進(jìn)入節(jié)流閥節(jié)流，*后進(jìn)入高位結(jié)冰水箱。

　　2）熱泵循環(huán)1制冷劑從低位結(jié)冰水箱中吸收熱量，低位結(jié)冰水箱中的直光管換熱器表面結(jié)冰，吸收熱量后的制冷劑氣體經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入高位結(jié)冰水箱放出熱量后經(jīng)單向閥，電磁閥，儲液器，干燥過濾器，單向閥后進(jìn)入節(jié)流閥節(jié)流，*后進(jìn)入低位結(jié)冰水箱。

　　3）熱泵循環(huán)2制冷劑從高位結(jié)冰水箱中吸收熱量，高位結(jié)冰水箱中的直光管換熱器表面結(jié)冰，吸收熱量后的制冷劑氣體經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入低位結(jié)冰水箱放出熱量后經(jīng)單向閥，儲液器，干燥過濾器，電磁閥，單向閥后進(jìn)入節(jié)流閥節(jié)流，*后進(jìn)入高位結(jié)冰水箱。

　　1.2界面漸進(jìn)冷凍系統(tǒng)工作過程1）系統(tǒng)啟動時(shí)，先將原料溶液加入高位結(jié)冰水箱，打開輔助制冷系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)的蒸發(fā)器將高位結(jié)冰水箱內(nèi)形成冰層，待冰層達(dá)到一定厚度后，關(guān)閉輔助制冷系統(tǒng)，打開高位結(jié)冰水箱的濃溶液排放閥，讓未結(jié)冰的濃溶液靠重力作用從高位結(jié)冰水箱自動流入低位結(jié)冰水箱。

　　2）待濃溶液流完后，啟動冰層噴淋洗滌系統(tǒng)，用少量水將冰層表面的溶質(zhì)去除，待沖洗液全部流出高位結(jié)冰水箱，排放到低位結(jié)冰水箱后，關(guān)閉高位結(jié)冰水箱的濃溶液排放閥，啟動熱泵循環(huán)1，該系統(tǒng)將從流入到低位結(jié)冰水箱的濃溶液中吸收熱量，使其形成冰層而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步濃縮，同時(shí)將獲得的熱量送到高位結(jié)冰水箱的換熱器中，使高位結(jié)冰水箱的冰層融化，形成融化水。

　　3）待高位結(jié)冰水箱的冰層全部融化后，關(guān)閉熱泵循環(huán)子系統(tǒng)，同時(shí)打開高位結(jié)冰水箱的融化水閥，低位結(jié)冰水箱的濃溶液排放閥，融化水流入融化水箱，濃溶液排到濃溶液箱。

　　4）待低位結(jié)冰水箱的濃溶液流完后，啟動冰層洗滌子系統(tǒng)，用少量水將冰層表面的溶質(zhì)沖洗干凈，待沖洗液全部流出低位結(jié)冰水箱，排放到濃溶液箱后，關(guān)閉高位結(jié)冰水箱的融化水閥及低位結(jié)冰水箱的濃溶液排放閥。

　　5）打開進(jìn)料溶液泵，進(jìn)料溶液經(jīng)濃溶液箱和融化水箱吸收濃溶液與融化水的冷量，實(shí)現(xiàn)預(yù)冷后進(jìn)入高位結(jié)冰水箱，達(dá)到要求的液位高度后，關(guān)閉進(jìn)料溶液泵，啟動熱泵循環(huán)2，高位結(jié)冰水箱內(nèi)的換熱器轉(zhuǎn)變?yōu)闊岜孟到y(tǒng)的蒸發(fā)器，從高位結(jié)冰水箱的溶液中吸收熱量從而形成冰層，同時(shí)，低位結(jié)冰水箱內(nèi)的換熱器作為熱泵系統(tǒng)的冷凝器，將熱量傳遞給低位結(jié)冰水箱的冰層，使其融化產(chǎn)生融化水。

　　6）在低位結(jié)冰水箱的冰層全部融化后，關(guān)閉熱泵循環(huán)2，打開低位結(jié)冰水箱的融化水排放閥，讓融化水從低位結(jié)冰水箱流入融化水箱。

　　7）低位結(jié)冰水箱的融化水全部流出后，關(guān)閉融化水排放閥，打開高位水箱的濃溶液排放閥，讓未結(jié)冰的濃溶液靠重力作用從高位結(jié)冰水箱自動流入低位結(jié)冰水箱。

　　8）待濃溶液流完后，啟動冰層洗滌子系統(tǒng)，用少量水將高位結(jié)冰水箱冰層表面的溶質(zhì)去除，沖洗液全部流出高位水箱后，關(guān)閉高位水箱的濃溶液排放閥，啟動熱泵循環(huán)1，該系統(tǒng)將從低位結(jié)冰水箱的濃溶液中吸收熱量，從而形成冰層，同時(shí)將獲得的熱量送到高位結(jié)冰水箱的換熱器，使高位結(jié)冰水箱的冰層融化，形成融化水，如此循環(huán)往復(fù)。

　　2試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析本界面漸進(jìn)冷凍系統(tǒng)試驗(yàn)條件：溶液初始溫度5，實(shí)驗(yàn)裝置所處環(huán)境溫度8.試驗(yàn)中，測試溫度參數(shù)采用鉑電阻和國家二級標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)；冰層厚度由游標(biāo)卡尺測量；蒸發(fā)，冷凝壓力由壓力表測量。所有試驗(yàn)儀器，儀表在測定前均經(jīng)過標(biāo)定，以保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

　　2.1輔助制冷系統(tǒng)通過3組試驗(yàn)得到的輔助制冷系統(tǒng)性能曲線。

　　可知，系統(tǒng)運(yùn)行5min后，高位結(jié)冰水箱內(nèi)水溶液開始結(jié)冰，隨著冰層在換熱管上的生成并成長，在固液相界面，溶質(zhì)從固相測被排除到液相測。開始結(jié)冰時(shí)，由于換熱熱阻較小，由于冰層厚度小，換熱熱阻小，故系統(tǒng)COP較大，為5；隨著冰層厚度增加，換熱熱阻增大，系統(tǒng)COP迅速降低，系統(tǒng)運(yùn)行20min后，COP緩慢降低；系統(tǒng)運(yùn)行到40min后，COP再次迅速降低到2.輔助制冷系統(tǒng)平均COP為35.可知，輔助制冷系統(tǒng)開始結(jié)冰時(shí)，由于換熱熱阻較小，結(jié)冰速率較快；隨著冰層變厚，換熱熱阻增加，結(jié)冰速率迅速降低；當(dāng)結(jié)冰厚度達(dá)到35mm左右后，結(jié)冰速率緩慢降低；當(dāng)結(jié)冰厚度達(dá)到5mm左右后，結(jié)冰速率再次迅速降低。

　　可知，相同時(shí)刻結(jié)冰厚度相差很小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性良好，驗(yàn)證了輔助制冷系統(tǒng)的可靠性。

　　2.2熱泵循環(huán)1）通過3組試驗(yàn)得到的熱泵循環(huán)1性能曲線。

　　可知，熱泵循環(huán)1運(yùn)行5min后，低位結(jié)冰水箱沿?fù)Q熱管表面開始生成冰層，高位結(jié)冰水箱內(nèi)換熱管上的冰層開始融化。在低位結(jié)冰水箱內(nèi)，開始結(jié)冰時(shí)，由于換熱熱阻較小，結(jié)冰速率較快，系統(tǒng)COP較大，為95，隨著冰層變厚，換熱熱阻增加，系統(tǒng)COP迅速降低到7；系統(tǒng)運(yùn)行30min后，COP緩慢降低；系統(tǒng)運(yùn)行到70min后，COP再次迅速降低到5.熱泵循環(huán)一平均COP為62.可知，熱泵循環(huán)1開始結(jié)冰時(shí)，由于換熱熱阻較小，結(jié)冰速率較快；隨著冰層變厚，換熱熱阻增加，結(jié)冰速率迅速降低；當(dāng)結(jié)冰厚度達(dá)到35mm左右后，結(jié)冰速率緩慢降低；當(dāng)結(jié)冰厚度達(dá)到5mm左右后，結(jié)冰速率再次迅速降低。

　　可知，熱泵循環(huán)1相同時(shí)刻結(jié)冰厚度，COP，結(jié)冰速率相差很小，驗(yàn)證了熱泵循環(huán)1的可靠性。

　　2）熱泵循環(huán)1系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)壓力變化曲線見；實(shí)際COP與卡諾循環(huán)COP比較見。

　　可知，熱泵循環(huán)COP與卡諾循環(huán)COP循環(huán)相差較大，原因是本系統(tǒng)采用了普通壓縮機(jī)，因此在低壓比運(yùn)行時(shí)效率較低。而熱泵循環(huán)COP約為輔助制冷系統(tǒng)COP的2倍，原因是本系統(tǒng)將蒸發(fā)器，冷凝器與界面漸進(jìn)冷凍系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器與冷凝器的功能互換，既去除固體壁面冰層，且回收利用了冰層融化過程中放出的冷量，大幅度降低了冷凍濃縮過程的能耗。

　　系統(tǒng)換熱管表面融冰時(shí)，由于熱量從管內(nèi)向外傳遞，因此內(nèi)側(cè)冰層先融化，融化水沿冰層內(nèi)側(cè)形成的槽道緩慢流出；系統(tǒng)運(yùn)行20min后，冰層內(nèi)側(cè)形成的槽道已經(jīng)非常明顯，部分融化較快的冰層已經(jīng)從換熱管脫落；此時(shí)系統(tǒng)高壓開始顯著升高，需要啟動冰層洗滌噴淋系統(tǒng)，一方面加速冰層融化，另一方面為冰層脫落后的換熱管提供冷量。

　　熱泵循環(huán)2與熱泵循環(huán)1性能相似，在此不再贅述。

　　2.3誤差分析本系統(tǒng)中的誤差主要由壓縮機(jī)產(chǎn)生，原因是本系統(tǒng)采用了普通壓縮機(jī)，因此在低壓比運(yùn)行時(shí)效率較低，如采用特殊設(shè)計(jì)的在低壓比下高效運(yùn)行的壓縮機(jī)，系統(tǒng)的性能系數(shù)將會大幅提高。

　　3結(jié)論

　　本文提出了一種應(yīng)用熱泵節(jié)能技術(shù)的界面漸進(jìn)冷凍試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性良好，驗(yàn)證了所建試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性。通過試驗(yàn)研究得出以下結(jié)論：

　　1）系統(tǒng)開始結(jié)冰時(shí)，由于熱阻較小，系統(tǒng)COP較大，結(jié)冰速率較大；隨著熱阻增加，COP迅速減小，結(jié)冰速率迅速降低；當(dāng)冰層厚度到一定程度時(shí)，COP和結(jié)冰速率變化趨于平緩；當(dāng)冰層厚度再次增加時(shí)，COP和結(jié)冰速率再次迅速降低。

　　2）采用特殊設(shè)計(jì)的在低壓比下高效運(yùn)行的壓縮機(jī)，能夠大幅提高系統(tǒng)的性能系數(shù)。

　　3）增加管排密度，減小結(jié)冰厚度或采用帶肋片的換熱器，能夠顯著提高系統(tǒng)的性能系數(shù)。

　　4）冰層洗滌噴淋系統(tǒng)能夠較大幅度地提高系統(tǒng)的性能系數(shù)。