1界面漸進冷凍系統(tǒng)試驗裝置

　　1.1試驗裝置在本系統(tǒng)建設過程中，發(fā)現(xiàn)原系統(tǒng)方案中的普通四通閥工作時會出現(xiàn)換向異常的情況。原因是本系統(tǒng)工作時高低壓力差較小，不足以克服主滑閥移動時的摩擦阻力，導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)改進為采用兩臺壓縮機的熱泵系統(tǒng)，省略了四通閥，并在每個壓縮機吸氣側增加一個電磁閥，以防止一臺壓縮機工作時的排氣對另一臺造成影響。

　　改進后的界面漸進冷凍系統(tǒng)主要設有3臺壓縮機，2個結冰水箱，節(jié)流部件等。系統(tǒng)裝置圖如圖1所示，3臺壓縮機分別構成3套熱泵系統(tǒng)。系統(tǒng)中的壓第2期韓強，等：界面漸進結冰融冰過程的試驗研究縮機為上海日立電器有限公司（HIGHLY）生產的SHW33TC4-U型壓縮機，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)制冷劑從高位結冰水箱中吸收熱量，高位結冰水箱中的直光管換熱器表面結冰，吸收熱量后的制冷劑氣體經壓縮機壓縮后進入室外冷凝器放出熱量后經儲液器，干燥過濾器，電磁閥后進入節(jié)流閥節(jié)流，*后進入高位結冰水箱。

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

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

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

　　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去除，待沖洗液全部流出高位結冰水箱，排放到低位結冰水箱后，關閉高位結冰水箱的濃溶液排放閥，啟動熱泵循環(huán)1，該系統(tǒng)將從流入到低位結冰水箱的濃溶液中吸收熱量，使其形成冰層而實現(xiàn)進一步濃縮，同時將獲得的熱量送到高位結冰水箱的換熱器中，使高位結冰水箱的冰層融化，形成融化水。

　　3）待高位結冰水箱的冰層全部融化后，關閉熱泵循環(huán)子系統(tǒng)，同時打開高位結冰水箱的融化水閥，低位結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沖洗干凈，待沖洗液全部流出低位結冰水箱，排放到濃溶液箱后，關閉高位結冰水箱的融化水閥及低位結冰水箱的濃溶液排放閥。

　　5）打開進料溶液泵，進料溶液經濃溶液箱和融化水箱吸收濃溶液與融化水的冷量，實現(xiàn)預冷后進入高位結冰水箱，達到要求的液位高度后，關閉進料溶液泵，啟動熱泵循環(huán)2，高位結冰水箱內的換熱器轉變?yōu)闊岜孟到y(tǒng)的蒸發(fā)器，從高位結冰水箱的溶液中吸收熱量從而形成冰層，同時，低位結冰水箱內的換熱器作為熱泵系統(tǒng)的冷凝器，將熱量傳遞給低位結冰水箱的冰層，使其融化產生融化水。

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

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

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

　　2試驗數(shù)據(jù)處理與分析本界面漸進冷凍系統(tǒng)試驗條件：溶液初始溫度5，實驗裝置所處環(huán)境溫度8.試驗中，測試溫度參數(shù)采用鉑電阻和國家二級標準水銀溫度計；冰層厚度由游標卡尺測量；蒸發(fā)，冷凝壓力由壓力表測量。所有試驗儀器，儀表在測定前均經過標定，以保證測量數(shù)據(jù)的準確性。

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

　　可知，系統(tǒng)運行5min后，高位結冰水箱內水溶液開始結冰，隨著冰層在換熱管上的生成并成長，在固液相界面，溶質從固相測被排除到液相測。開始結冰時，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)運行20min后，COP緩慢降低；系統(tǒng)運行到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)開始結冰時，由于換熱熱阻較小，結冰速率較快；隨著冰層變厚，換熱熱阻增加，結冰速率迅速降低；當結冰厚度達到35mm左右后，結冰速率緩慢降低；當結冰厚度達到5mm左右后，結冰速率再次迅速降低。

　　可知，相同時刻結冰厚度相差很小，試驗數(shù)據(jù)重復性良好，驗證了輔助制冷系統(tǒng)的可靠性。

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

　　可知，熱泵循環(huán)1運行5min后，低位結冰水箱沿換熱管表面開始生成冰層，高位結冰水箱內換熱管上的冰層開始融化。在低位結冰水箱內，開始結冰時，由于換熱熱阻較小，結冰速率較快，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)運行30min后，COP緩慢降低；系統(tǒng)運行到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開始結冰時，由于換熱熱阻較小，結冰速率較快；隨著冰層變厚，換熱熱阻增加，結冰速率迅速降低；當結冰厚度達到35mm左右后，結冰速率緩慢降低；當結冰厚度達到5mm左右后，結冰速率再次迅速降低。

　　可知，熱泵循環(huán)1相同時刻結冰厚度，COP，結冰速率相差很小，驗證了熱泵循環(huán)1的可靠性。

　　2）熱泵循環(huán)1系統(tǒng)運行時壓力變化曲線見；實際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，因此在低壓比運行時效率較低。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，冷凝器與界面漸進冷凍系統(tǒng)有機結合起來，實現(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，由于熱量從管內向外傳遞，因此內側冰層先融化，融化水沿冰層內側形成的槽道緩慢流出；系統(tǒng)運行20min后，冰層內側形成的槽道已經非常明顯，部分融化較快的冰層已經從換熱管脫落；此時系統(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產生，原因是本系統(tǒng)采用了普通壓縮機，因此在低壓比運行時效率較低，如采用特殊設計的在低壓比下高效運行的壓縮機，系統(tǒng)的性能系數(shù)將會大幅提高。

　　3結論

　　本文提出了一種應用熱泵節(jié)能技術的界面漸進冷凍試驗系統(tǒng)，試驗數(shù)據(jù)重復性良好，驗證了所建試驗系統(tǒng)的可靠性。通過試驗研究得出以下結論：

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

　　2）采用特殊設計的在低壓比下高效運行的壓縮機，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)。