真空制冰系统性能研究及改进

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3.0 陈辉 2024-11-20 9 4 1.96MB 61 页 15积分

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摘要

本论文综合分析了冰浆在日常生产生活当中的重要作用和真空冰浆制备系统

目前的发展现状，对比分析了该系统与其他非真空制冷方式的冰浆制备系统各自

的优缺点。针对真空冰浆制备系统运行真空度较高的问题进行分析，提出了中介

物质的概念，要求中介物质具有易溶于水、溶解潜热大、在相同压力下沸点低于

水等特点。

本论文提出利用在水中加入中介物质的方法来降低真空冰浆制备系统对真空

度的要求。本文利用物质的化学势平衡理论与溶液相图相结合，从理论上验证了

在真空冰浆制备系统中加入中介物质具有降低系统对真空度要求的作用。为了验

证中介物质对真空冰浆制备系统运行真空度的影响，选取符合上述物性要求的物

质氨为代表性的中介物质，并介绍了真空蒸发性能研究实验台系统的设计、选型、

搭建过程。

实验过程中将相同初温的浓度为 26%的氨水和蒸馏水置于相同真空环境中，

测试其液体温度变化。实验表明，在相同的初温和真空条件下，氨水的降温速率

明显高于蒸馏水，降温范围也明显大于蒸馏水，并且氨水先于蒸馏水生成冰晶。

本文分别介绍了在不低于 1kPa、5kPa、10kPa 几种绝对压力下，氨水的降温特点。

实验表明随着真空度的降低，氨水的降温幅度逐渐减小，但仍远大于蒸馏水，在

不低于 1kPa 的绝对压力下有冰晶生成。实验表明加入氨后，系统的真空度不必降

至水的三相点以下，水即可结冰，降低了对真空度的要求。

根据实验结果，本文提出了真空冰浆制备系统的改进方案，改进后的真空制

冰系统降低了真空泵的负荷及对运行真空度的要求，降低了系统对承压能力的要

求。分析了加入中介物质后，可能存在水溶液凝固点降低，不利于冰晶的形成和

中介物质的腐蚀性问题，并指出了本课题下一步的研究任务。

关键词：真空冰浆制备系统冰浆中介物质真空度

ABSTRACT

In this thesis, I have analyzed the importance role of ice slurry in our daily life and

the current development status of the vacuum ice slurry making equipment, compared

with other non-vacuum ice slurry making equipments’ respective advantages and

disadvantages comprehensively. Analyzed the issues which run with a high vacuum

degree that vacuum ice slurry making equipment have, and put forward the concept of

intermediary substances. It requires that the intermediary substances are soluble in

water, having a high soluble latent heat, and its boiling temperature is lower than water

at the same pressure.

This thesis proposed that use the intermediary substances added to the water to

reduce the vacuum degree that the vacuum ice slurry equipment needs. This paper used

the theory of the equilibrium of the chemical potential and combined with the phase

diagram of the solution to verify that the intermediary substances added to the vacuum

ice slurry making system can water down the system’s requirements on vacuum degree.

In order to verify the effects of intermediary substances, I chose ammonia as a

representative of the intermediary substances, and introduced the vacuum evaporation

experimental system’s design, selection and set up process.

Make sure that the ammonia with concentration of 26% and distilled water have the

same initial temperature, put them in the same vacuum environment, and then test their

temperature changes. Experiments show that in conditions of same initial temperature

and vacuum degree, the cooling rate of ammonia was significantly higher than distilled

water; the temperature’s drop range of ammonia was larger than distilled water; and the

ammonia generated ice crystals before distilled. This paper describes the ammonia

cooling characteristics with the several absolute pressure no less than 1kPa, 5kPa,

10kPa. Experiments show that with the decrease of vacuum degree, ammonia’s cooling

rate decreases, but still much faster than the distilled water; and formatted ice and the

absolute pressure of 1kPa. Experiments show that if adding ammonia to water, the

vacuum ice slurry system do not have to drop the pressure down to the pressure of

water’s triple point to generate ice crystals, have reduced the requirements on the

vacuum degree.

According to the experiments, this thesis has given out the improvements of the

vacuum ice slurry equipment. The improved equipment low down the requirements of

vacuum degree and reduced the pressure that the system need to bear. But if add

intermediary substances to water, the freezing temperature will go down, it’s not

conducive to the generation of ice crystal, and maybe have the problem of corrosion.

This thesis also pointed out the projects that need to study in the future.

Keywords ：Vacuum Ice Slurry Making Equipment, Ice Slurry,

Intermediary Substance, Vacuum Degree

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ....................................................... 1

§1.1 冰浆概述 ................................................... 1

§1.2 冰浆的制备方法 ............................................. 2

§1.2.1 过冷水动态制冰 ....................................... 2

§1.2.2 刮削式制冰法 .......................................... 3

§1.2.3 下降液膜式制冰法 ..................................... 4

§1.2.4 直接接触式制冰法 ..................................... 4

§1.2.5 流化床式制冰法 ....................................... 5

§1.3 真空制冰简介 ............................................... 6

§1.3.1 水的相图 ............................................. 6

§1.3.2 真空制冰的研究现状 ................................... 7

§1.3.3 真空制冰方式的优点及存在的问题 ........................ 9

§1.4 本文的研究内容 ............................................ 10

第二章真空制冰的原理 .............................................. 12

§2.1 真空压力下物质的特性 ...................................... 12

§2.1.1 真空的特点 .......................................... 12

§2.1.2 真空压力下气体分子的热效应 .......................... 13

§2.2 真空压力下的传热、传质 .................................... 14

§2.2.1 真空压力下的热传导 ................................... 14

§2.2.2 真空压力下的热辐射 ................................... 17

§2.2.3 真空环境下的传质 .................................... 17

§2.3 真空冰浆制备过程数学模型的建立 ............................ 23

§2.3.1 水滴的质量减少率 .................................... 24

§2.3.2 水滴大小的变化规律 .................................. 24

§2.3.3 水滴表面的温度变化 ................................... 25

第三章真空制冰系统的改进 .......................................... 27

§3.1 真空制冰系统存在的问题 .................................... 27

§3.2 改进方法 .................................................. 27

§3.2.1 中介物质的特性要求 ................................... 27

§3.2.2 原理介绍 ............................................ 27

§3.3 改进后的真空制冰系统 ...................................... 31

第四章真空制冰实验装置的设计 ...................................... 33

§4.1 试验台系统设计 ............................................ 33

§4.2 真空室设计 ................................................ 33

§4.2.1 真空室壳体的设计 .................................... 33

§4.2.2 材料选取 ............................................ 35

§4.3 阀门选取 .................................................. 37

§4.4 真空泵的选用 .............................................. 37

§4.4.1 真空泵抽速计算 ...................................... 37

§4.4.2 真空泵选型 .......................................... 39

§4.5 数据采集系统设计 .......................................... 40

§4.5.1 测压装置的选用 ...................................... 40

§4.5.2 测温设备选取 ........................................ 41

§4.5.3 数据采集设备选取 .................................... 41

第五章实验与数据分析 .............................................. 42

§5.1 试验方案制定 .............................................. 42

§5.2 氨水和蒸馏水的蒸发特性对比 ................................ 42

§5.3 蒸馏水的真空蒸发特性 ...................................... 43

§5.4 氨水的真空蒸发特性 ........................................ 45

§5.5 氨对真空制冰系统的影响 .................................... 47

第六章结论 ........................................................ 48

符号表 ............................................................. 50

参考文献 ........................................................... 52

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 57

致谢 ............................................................. 58

第一章绪论

§1.1 冰浆概述

冰浆是指水溶液和冰晶粒子的悬浊液混合物，呈泥浆状，通常是由直径为

50～100μm 的冰晶颗粒与水构成的混合物。

冰浆的优点众多，所以冰浆的用途愈来愈广泛。例如冰浆可以用于蓄冷空调、

工业生产、食品的加工保存、换热器和管道的内部清洗、手术医疗和扑灭火灾等

领域[1,2,3,4]。

冰浆融解潜热大（冰的融解热为 335kJ/kg），使得冰浆具有较高的蓄冷密度。

冰浆的流动性强，在一定的含冰率（Ice Packing Factor）下，其在单位管路中的流

动阻力损失比水小，可以减少冰浆泵的电耗[5]。故冰浆用于蓄冷空调系统，可使

整个系统小巧、紧凑。冰晶处于颗粒形状，相对比表面积较大，传热表面积较大，

换热速率较高，所以具有较快的供冷速率和较好的温度调解特性，可用于舒适性

空调领域[6]。冰浆储存冷量较大，温度较低，相比于冷水管道可以降低空调系统

的风管和水管尺寸，减小流动阻力，降低系统的投资和运营成本[7]。

冰浆可以应用于工业生产领域。冰浆蓄冷能力大，输送过程中流速和输送量

较小，减小了输送设备的能耗损失、负荷和成本。在采矿工作深度超过 3000m 时，

地下温度超过 50℃，需要采取措施降温，矿井内采用冰浆降温具有巨大的优势。

上世纪 80 年代南非金矿就使用了冰降温技术。德国在上世纪 80 年代的煤矿井下

降温使用到了冰浆[8-11]。

冰浆可应用于食品的加工保存。相对于冰块来说，冰浆的冷量释放速率快，

用于食品降温时降温速率快，有效的减少了冷却时间，抑制细菌的滋生，保证食

品的品质；食品的冷藏运输、贮藏以及冷冻销售等领域也经常使用到冰浆[12-14]。

形状复杂的管道和换热器很难用机械方法来清洗和去污，但可以用浓度为

10%的冰浆来清洗[4]。

冰浆可以用于人体器官的快速降温。手术过程中可以将生理盐水以冰浆的形

式注入人体动脉，经血管输送至人体器官内，快速降低器官的温度。另外，运动

过程中的挫伤、扭伤等可以利用冰浆来冷敷，其降温效果比冰块好[4]。

由于冰浆储存的冷量大，流动性强，融化后的水也可以灭火，所以是灭火的

理想物质之一。通常灭火可以采用浓度为 30%的冰浆，大大减少了灭火的时间，

另外相对于水来说，冰浆的使用量较少[15]。

综上所述，冰浆具有众多的优点，在日常生产生活当中应用非常广泛。所以

真空制冰系统性能研究及改进

加强对冰浆制备设备及生产工艺的研究有重要的现实意义。鉴于全世界当前的能

源环境状况，选取合适的冰浆制备方法，并提高冰浆的生产效率与能效比也势在

必行。

§1.2 冰浆的制备方法

当前，制备冰浆的方法和方式主要有过冷水式动态制冰、刮削式制冰、下降

液膜式制冰、直接接触式制冰、流化床式制冰等[16-24]。

§1.2.1 过冷水动态制冰

图1-1 过冷水动态制冰示意图

图1-2 过冷水连续制冰法示意图

过冷状态是一种亚稳定状态，也即当水或水溶液的温度降至低于凝固点温度

时，仍保持液态的状态[25]。过冷状态的水或者水溶液受到扰动，例如让流动的过

冷水冲击平板表面，其过冷状态被破坏，此时会有部分冰晶生成[26]。这种冰浆制

过冷

却器

过冷

消除

冰水

分离

过冷水

冰水混合物冰

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摘要本论文综合分析了冰浆在日常生产生活当中的重要作用和真空冰浆制备系统目前的发展现状，对比分析了该系统与其他非真空制冷方式的冰浆制备系统各自的优缺点。针对真空冰浆制备系统运行真空度较高的问题进行分析，提出了中介物质的概念，要求中介物质具有易溶于水、溶解潜热大、在相同压力下沸点低于水等特点。本论文提出利用在水中加入中介物质的方法来降低真空冰浆制备系统对真空度的要求。本文利用物质的化学势平衡理论与溶液相图相结合，从理论上验证了在真空冰浆制备系统中加入中介物质具有降低系统对真空度要求的作用。为了验证中介物质对真空冰浆制备系统运行真空度的影响，选取符合上述物性要求的物质氨为代表性的中介物质，并介绍了真...

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