高效采集凝固潜热的喷雾冻结实验研究

王士存 田丽亭 刘阳 刘联胜

摘要 在常压冻结塔内进行了水经过喷嘴雾化后的冻结实验，研究冷空气入口温度、喷雾水温和成核添加剂对冻结效率和空气温升的影响。结果表明：冷空气入口温度越低，液滴的冻结效率越大，空气温升越高，液滴冻结后的形态越接近干雪，液滴冻结越完全;即使冷空气入口温度为-8 ℃时，液滴的冻结效率和空气温升已分别达到61.7%和4.95 ℃，表明常压下喷雾冻结提取凝固潜热的方法具有冻结效率高和空气温升大的优点;喷雾水温升高，液滴的显热换热时间增加，导致冻结时间缩短，液滴冻结效率下降，但冷空气入口温度越低，喷雾水温对液滴的冻结效率影响越小;硼砂作为水溶液的成核剂，质量分数为1.5%硼砂溶液的导热系数相对于水提高了9.5%，硼砂溶液浓度越高，液滴的导热系数越大，液滴冻结成核能力越强，冻结效率和空气温升越大。当冷空气入口温度为-17 ℃时，质量分数为1.5%硼砂溶液的冻结效率和空气温升相对于水分别提高了13.6%和1 ℃。

关 键 词 喷雾冻结;冻结效率;空气温升;成核添加剂

中图分类号 TK124     文献标志码 A

文章编号：1007-2373（2021）06-0077-07

Abstract The freezing experiment of water atomized by nozzle was carried out in atmospheric pressure freezing tower. The effects of inlet air temperature， spray water temperature and nucleating additives on the freezing efficiency and the air temperature rise were studied. The results show that the lower the inlet temperature of cold air is， the higher the freezing efficiency of droplets is， the higher the temperature rise of air is， and the better the freezing effect is. When inlet temperature of cold air is -8 ℃， the freezing efficiency and air temperature rise are 61.7% and 4.95 ℃， respectively， which show that spraying to extract the latent heat of solidification under atmospheric pressure has higher freezing efficiency and air temperature rise. With the increase of spray water temperature， the time of sensible heat transfer for droplets increases， which results in the reduction of freezing time and the drop of freezing efficiency for droplets; however， when the inlet temperature of cold air is too low， the spray water temperature has little effect on the freezing efficiency of droplets. When borax was used as nucleating additive， the thermal conductivity of 1.5% borax solution increased by 9.5% compared with that of water. Meanwhile the concentration of borax solution increases， which leads to the rise in thermal conductivity of the droplet， the enhancement of nucleating ability， and the growth of freezing efficiency and air temperature rise. When the inlet temperature of cold air is -17 ℃， the freezing efficiency and air temperature rise of 1.5% borax solution are 13.6% and 1℃ higher than that of water， respectively.

Key words spray freezing; freezing efficiency; air temperature rise; nucleation additive

0 引言

最新統计，全球建筑物能耗约占总能耗的40%左右，中国建筑能源消费总量为9.47 亿t标准煤[1-2]，全国建筑总面积达到 642.47 亿m2，其中暖通空调的能耗在逐年增加，占据举足轻重的地位。空气源热泵以其高效、节能、环保的特点被广泛应用[3-4]，但在低温工况运行时，系统面临蒸发温度过低、压缩比大、运行不稳定、制热效率明显下降等问题[5-6]，当机组排气温度过高时，甚至出现非正常停机现象。

为提高空气源热泵在低温下供热性能和运行稳定性，学者已开展大量的相关研究[7]。Zhu等[8]提出了一種太阳能作为辅助热源，双喷嘴引射器的空气源热泵循环系统，拓宽了工作温度区间，减少了节流损失，提高了系统性能。Li等[9]对太阳能-空气耦合热泵的不同制冷剂进行模拟，结果表明R22、R134a和R744工作性能相似，但CO2制冷剂可用于低温环境。Wei等[10]提出了一种控制空气源热泵排气温度过高的方法，采用R410A作为制冷剂，系统运行平稳，排气温度合理，经济系数高于普通的集中供暖。还有学者研究采用新型制冷剂[11]、多级压缩系统[12]、制冷剂喷射技术[13-14]等，提高空气源热泵的经济系数。

以上学者都是通过改进热泵循环系统，来适应低温环境。此外，鲜有学者研究提取水的凝固潜热从源头上提高蒸发器的温度，进而提高空气源热泵的性能系数[15-16]。1 t水完全冻结释放的凝固潜热量，可以将10 000 m3的空气提升27 ℃，相当于27 kg标准煤完全燃烧所释放的热能，并会减少80 kg二氧化碳的排放[17]。在提取凝固潜热时，换热器表面会大量结冰，系统要及时除冰才能不断取热和避免系统的冰堵。Kim等[18]和李丽娜[19]采用机械除冰取热装置来提取水的凝固潜热，通过机器带动除冰部件运动，除去换热装置上的冰层;武潇等[20]采用液固流化床的方法除冰，通过固体颗粒频繁碰撞换热器壁面上的冰层，避免冰晶在壁面沉积影响换热;Wang等[21]利用热熔法，将冷凝器产生的高温末端水溶化凝固换热器上的冰层。

综上，在低温工况下即使改进空气源热泵的循环系统，也不能解决入口冷空气温度过低的问题。同时相变换热器在提取潜热时，只有靠近蒸发器管道的水才能实现冻结，并且需要复杂的除冰设备，降低了冻结效率、增加了系统的复杂性。基于以上研究，本文提出用喷雾冻结的方式来提取凝固潜热，搭建喷雾冻结实验台，进行凝固换热实验。该方法的优点是雾化后的液滴能快速冻结成雪，瞬间释放大量凝固潜热，具有较高的冻结效率，并且本实验不需要除冰，冻结产物也可以利用到滑雪场或者冰蓄冷等领域上。同时本文分析了冷空气入口温度、喷雾水温和成核添加剂对冻结效率和空气温升的影响。

1 实验装置和方法

提取凝固潜热的实验系统示意图如图1所示，系统由4部分组成，分别为供冷系统、水路系统、雾化冻结系统和气路系统。其基本工作原理：水路系统中的恒温水和气路系统中的高压空气经过流量计调节后，同时进入气泡雾化喷嘴进行充分混合，呈雾状的液滴自上而下喷入喷雾冻结塔内。与此同时，供冷系统中的冷空气通过风机吹到喷雾冻结塔内，雾状液滴与冷空气充分接触不断进行传热传质，液滴自身温度下降并过冷至成核温度，此时液滴内部产生部分冰晶，并在极短的时间内发生复辉现象使得液滴温度再回升至冻结温度，开始发生局部的固化相变直至固化完全，最终液滴变成雪粒被收集到喷雾冻结塔底部的积冰盘上[22]。此时液滴释放的热量传递到冷空气中，被加热后的空气从出风管道中排出。本文前期设计了气泡雾化喷嘴，并利用喷雾流量测试系统和马尔文进行了喷嘴流量特性和雾化特性分析，测试系统详见文献[23-25]。当喷嘴在工作压力0.4 MPa、气液质量流量比为0.12时，液滴的索泰尔平均直径在50 μm以内，直径大于100 μm的颗粒数量仅占喷雾总颗粒数的5%左右，液滴的初始速度为24 m/s。同时气泡雾化喷嘴相较于其他类型喷嘴具有工作压力低、耗能少、成本低廉等优势。

图2是喷雾冻结塔的实物图。冻结塔由3部分组成，喷雾冻结塔的整体高度为175 cm，上部是不锈钢梯形台，梯形台内外表面均附有3 cm厚的保温棉;冻结塔的中间部分为矩形通道，矩形通道的截面为60 cm×45 cm，高度为150 cm，通道由6 cm厚的高密度聚苯乙烯保温板构成;冻结塔的下部为积冰盘，积冰盘的材质也是保温板，积冰盘与矩形箱体的连接处，用发泡胶封填，使整个喷雾冻结塔具有良好的保温和密封效果。实验中，恒温水由保温水箱提供，同时在保温水箱里放置1个T型热电偶;在距离冻结塔入口30 cm处的送风管道内，沿直径等距放置3个T型热电偶，取这3个热电偶温度的平均值作为冷空气的入口温度;冻结塔下部有2个出风管，在出风管的90 cm处，分别布置3个T型热电偶，取这6个热电偶温度的平均值作为空气出口温度。冷空气经风机进入冻结塔内，在左右出风管道处，用热线风速仪多次测量风速求平均值，实验风量为284 m3/h。

2 数据处理与误差分析

2.1 数据处理

水的显热放热量为

水的潜热放热量为

由表1可知，水的比热是冰的2倍，水的潜热是冰比热的158.8倍。液滴冻结释放的总热量中，冰粒放出的显热量在总热量中占比很小，因此忽略0 ℃冰再次降温放出的热量。

空气的吸热量为

式中：[qv]为冷空气的体积流量，m3∙h-1;[ρa]为冷空气的密度，kg∙m-3;[cpa]为冷空气的比热容， kJ∙kg-1∙K-1;[ta2]为冷空气在喷雾冻结塔的出口温度，K;[ta1]为冷空气在喷雾冻结塔的进口温度，K。

实验的冻结效率φ[26]：

2.2 误差分析

实验中，所用的测温元件为T型热电偶，经恒温水浴标定后，测量精度为±0.1 K;喷雾冻结塔的风量用德图testo-405-v1热线风速仪测量，其风速仪的测量精度为±0.685 m/s;水路系统中液相转子流量计的额定流量为8 kg∙h-1，实验前用500 mL量筒进行标定，标定中所用量筒的精度为±5 mL。实验的空气温升和冻结效率只能通过直接测量的进出口温度、出口风速、喷雾流量等参数去计算，因此根据误差分析理论，采用二次幂法对实验结果进行不确定度的分析。

经计算得出，本实验中进出口空气温升和冻结效率的不确定度为2.42%和4.24%。

3 结果与分析

3.1 冷空气入口温度对冻结换热的影响

图3是不同冷空气入口温度下，实验结束时，积冰盘上承接的冻结产物图。由图中发现，冷空气入口温度不同，冻结产物的形态差别较大。图3a）的冷空气入口温度为-8 ℃，此时有些液滴被冻结，冻结的液滴与未被冻结的液滴在积冰盘上均匀混合，形成了流动性较好的“冰浆”;图3b）的冷空气入口温度是-11 ℃，此时积冰盘上开始出现雪，但雪浸入到未冻结的水中，形成雪与水的混合物“雪浆”，说明一部分液滴可以被完全冻结，释放凝固潜热;图3c）的冷空气入口温度是-14 ℃，此时大部分液滴被冻结成雪，但用手攥仍能挤压出水，说明雪中仍含较多的水;图3d）的冷空气入口温度是-20 ℃，此时液滴被完全冻结变成白色雪粒，雪粒较细，雪层蓬松，接近干雪状态，说明此时喷雾冻结的效果最好。因此，冷空气入口温度越低，液滴冻结后越接近“雪”态，液滴冻结越完全，释放的凝固潜热越多。

喷雾流量为[qm]= 8 kg/h，冷空气风量为[qv]= 284 m3/h，改变冷空气入口温度对冻结效率和空气温升的影响如图4所示。由图可见，随着冷空气入口温度的升高，冻结效率和空气温升逐渐减小。这主要是喷雾冻结塔内液滴与空气之间的温差减小，液滴冻结的驱动力下降，导致液滴与空气间的传热速率减小，液滴的冻结速度减慢。单位时间内，冻结的液滴数量变少，导致液滴的冻结效率下降，释放的相变潜热量减少，进而引起空气温升的下降。喷雾流量为8 kg/h时，液滴完全冻结引起的理论空气温升为7.74 ℃，实验中，当冷空气入口温度分别为-8 ℃、-11 ℃、-14 ℃、-17 ℃和-20 ℃时，实测空气温升分别为4.95 ℃、5.28 ℃、5.72 ℃、6.29 ℃、7.05 ℃，这说明冷空气入口温度越低，完成冻结的液滴越多，喷雾冻结塔的实测空气温升越接近理论空气温升，提取的凝固潜热量越多。在我国，冬季北方大部分地区最冷月的气温低于-8 ℃[27]，实验中冷空气入口温度最高为-8 ℃时，冻结效率和空气温升分别为61.7%和4.95 ℃，说明一半以上液滴被冻结，释放相变潜热。因此用喷雾冻结来提取凝固潜热的方式，具有冻结效率高，空气温升大，实用性强的优点。

3.2 喷雾水温对冻结换热的影响

在冷空气入口温度为-20 ℃、-17 ℃和-11 ℃时，改变喷雾水温对冻结效率的影响如图5所示。由图中发现，随着喷雾水温的升高，3条曲线的冻结效率均不断降低。这是由于在液滴冻结过程中，先进行显热放热，接着进行凝固潜热放热，最后进行冰粒显热放热，当喷雾水温大于0 ℃时，液滴在喷雾冻结塔内先进行显热换热，将自身的温度降到0 ℃，液滴才被冻结。实验中冻结塔内冷空气的平均风速为0.3 m/s，液滴在1 s内下落到冻结塔的积冰盘上[28]。液滴的温度越高，下落行程中，液滴的显热换热时间越长，冻结换热时间变短，部分液滴来不及与冷空气换热，直接溅落到积冰盘上，这导致液滴冻结不彻底，凝固潜热释放不完全，因此冻结效率随着喷雾水温的升高而不断下降。从图中还可以发现，3条曲线的下降幅度不同，当冷空气入口温度分别为-20 ℃、-17 ℃和-11 ℃时，冻结效率曲线的降幅分别为5.7%、13.8%、18.9%，冷空气入口温度越低，喷雾水温对液滴的冻结效率影响越小。这是-20 ℃的冷空气入口温度相对-17 ℃和-11 ℃时，喷雾冻结塔内液滴与冷空气之间的温差更大，液滴与冷空气之间的对流换热更强，液滴完成显热换热的时间变短，同时冻结塔内有足够多的冷量，使完成显热换热的0 ℃液滴被冻结，释放相变潜热，因此喷雾水温对冻结效率影响不大。

喷雾水温对空气温升的影响如图6所示，图中3条曲线随着喷雾水温的增加而升高。这是由于在喷雾流量一定时，喷雾水温越高，液滴含有的总热量越多，液滴冻结释放的热量也越多，空气温升越明显。5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃的液滴冷却到0 ℃放出显热量，理论上可让流量为284 m3/h的冷空气分别升高0.46 ℃、0.91 ℃、1.36 ℃、1.82 ℃。实验时，水路系统的水管内径为4 mm，气泡霧化喷嘴的喷孔直径为1 mm，在冷空气入口温度低于-17 ℃时，水管和喷嘴中流动的水也极易被冻结，影响实验的稳定和安全。综合考虑喷雾水温对冻结效率、空气温升和实验安全性的影响，故在冷空气入口温度高于-17 ℃时，选择5 ℃及以下的水温;在冷空气入口温度低于-17 ℃时，应选择10 ℃及以上的高温水，这样既可以保证较高的冻结效率和空气温升，又能提高实验的安全可靠性。

3.3 成核剂对冻结换热的影响

相关文献[29]研究表明，硼砂是一种有效的成核剂，在水溶液中加入硼砂，有助于液滴的冻结。在室温条件下，用DRE-2B导热系数测试仪测量不同浓度硼砂溶液的导热系数，如图7所示。图中导热系数曲线随着硼砂溶液浓度增加呈线性升高，溶液浓度越高，导热能力越强，图中水溶液的导热系数为0.57 W×m-1×K-1，质量分数为1.5%硼砂溶液的导热系数为0.62 W×m-1×K-1，其导热系数相对于水提高了9.5%。

图8是液滴冻结效率和空气温升随硼砂溶液浓度的变化曲线。由图中发现，在不同冷空气入口温度下，冻结效率和空气温升均随着溶液浓度的增大而升高。从宏观上分析，这是由于硼砂溶液浓度增加，雾化后液滴导热系数升高，单位时间内液滴传热能力增强，能及时将自身的热量传递给冷空气，液滴的冻结速率加快，曲线逐渐升高;从微观上分析，液滴中加入硼砂，有助于减小临界成核半径，促进液滴的非均匀成核，同时硼砂溶液浓度越高，液滴中含有的硼砂越多，液滴冻结时，有助于晶核的形成和枝晶的生长，减小过冷度，提高了液滴的冻结速度，因此硼砂溶液浓度越高，液滴的冻结效率越大，释放的凝固潜热越多，空气温升越明显。当冷空气入口温度为-17 ℃时，水溶液的冻结效率和空气温升分别为80.2%、6.29 ℃，1.5%硼砂溶液的冻结效率和空气温升分别为93.8%、7.29 ℃，其冻结效率和空气温升相对于水溶液分别提高了13.6%和1 ℃，说明加入硼砂成核剂明显提高了液滴的冻结效率和空气温升，同时硼砂价格便宜，性质稳定，导热系数大，是一种良好的成核添加剂，可在工程中广泛应用。

4 結论

本文进行了常压下采集水中凝固潜热的喷雾冻结实验，研究了冷空气入口温度、喷雾水温和成核添加剂对冻结效率和空气温升的影响。结果显示：1）冷空气入口温度越低，液滴冻结越完全，空气出口温度越高。冷空气入口温度为-8 ℃时，液滴冻结效率已有61.7%，空气温升已达4.95 ℃，表明喷雾冻结提取凝固潜热的方式具有冻结效率高、空气温升大的优点。2）喷雾水温越高，液滴的冻结效率下降，但空气进出口温升增加。喷雾水温对液滴冻结效率的影响随着冷空气入口温度的降低而减弱。3）硼砂溶液浓度越高，冻结成核能力越强，冻结效率和空气温升越大。冷空气入口温度为-17 ℃时，质量分数为1.5%硼砂溶液的冻结效率和空气温升相对于水分别提高了13.6%和1 ℃。

参考文献：

[1]    张宏，MANFRED N F，胡心怡，等. 基于光伏建筑一体化（BIPV）的智慧化产能建筑设计研究[J]. 供用电，2020，37（8）：21-27.

[2]    IEA. World Energy Outlook 2017[R]. Paris：International Energy Agency，2017：512-538.

[3]    王艳，高文学，杨林，等. 空气源热泵频繁除霜下供热采暖运行特性研究[J]. 河北工业大学学报，2019，48（2）：62-68.

[4]    CARROLL P，CHESSER M，LYONS P. Air Source Heat Pumps field studies：a systematic literature review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2020，134：110275.

[5]    GAO P，WANG L W. Investigation on the air-source chemisorption heat pump for the severely cold regions[J]. Applied Thermal Engineering，2020，179：115694.

[6]    王亮，李欣林. 高原地区空气源热泵及辅助热源复合系统能耗研究[J]. 可再生能源，2016，34（5）：732-736.

[7]    ZHOU C H，NI L，WANG J，et al. Investigation on the performance of ASHP heating system using frequency-conversion technique based on a temperature and hydraulic-balance control strategy[J]. Renewable Energy，2020，147：141-154.

[8]    ZHU L，YU J L，ZHOU M L，et al. Performance analysis of a novel dual-nozzle ejector enhanced cycle for solar assisted air-source heat pump systems[J]. Renewable Energy，2014，63：735-740.

[9]    LI S S，LI S H，ZHANG X S. Comparison analysis of different refrigerants in solar-air hybrid heat source heat pump water heater[J]. International Journal of Refrigeration，2015，57：138-146.

[10]  WEI W Z，NI L，ZHOU C H，et al. Performance analysis of a quasi-two stage compression air source heat pump in severe cold region with a new control strategy[J]. Applied Thermal Engineering，2020，174：115317.

[11]  HAKKAKI-FARD A，AIDOUN Z，OUZZANE M. Applying refrigerant mixtures with thermal glide in cold climate air-source heat pumps[J]. Applied Thermal Engineering，2014，62（2）：714-722.

[12]  WU J H，YANG Z G，WU Q H，et al. Transient behavior and dynamic performance of cascade heat pump water heater with thermal storage system[J]. Applied Energy，2012，91（1）：187-196.

[13]  WEI W Z，NI L，XU L F，et al. Application characteristics of variable refrigerant flow heat pump system with vapor injection in severe cold region[J]. Energy and Buildings，2020，211：109798.

[14]  WEI W Z，NI L，WANG W，et al. Experimental and theoretical investigation on defrosting characteristics of a multi-split air source heat pump with vapor injection[J]. Energy and Buildings，2020，217：109938.

[15]  章文杰，李念平，王丽洁. 热源塔热泵系统相变潜热的应用研究[J]. 重庆大学学报，2011，34（S1）：58-61.

[16]  GUO X C，MA Z X，MA L D，et al. Experimental study on the performance of a novel in-house heat pump water heater with freezing latent heat evaporator and assisted by domestic drain water[J]. Applied Energy，2019，235：442-450.

[17]  STEWART K M. Physical properties of water[M]. Encyclopedia of Inland Waters. Amsterdam：Elsevier，2009：148-154.

[18]  KIM B S，SHIN H T，LEE Y P，et al. Study on ice slurry production by water spray[J]. International Journal of Refrigeration，2001，24（2）：176-184.

[19]  李丽娜. 非清洁水源凝固潜热采集装置及其热泵系统运行性能研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨商业大学，2014.

[20]  武潇，吴荣华，吴昊. 冷水相变能热泵系统性能实验分析[J]. 青岛大学学报（工程技术版），2019，34（1）：105-110.

[21]  WANG Y，WONG K K L，LIU Q H，et al. Improvement of energy efficiency for an open-loop surface water source heat pump system via optimal design of water-intake[J]. Energy and Buildings，2012，51：93-100.

[22]  耿县如，徐庆，李占勇，等. 喷雾冷冻法单个液滴冻结过程模拟[J]. 化工进展，2012，31（5）：981-986.

[23]  刘联胜，王露露，于祥，等. 混合室结构对气泡雾化喷嘴喷雾特性的影响[J]. 热科学与技术，2017，16（2）：114-119.

[24]  樊建广. 气泡雾化喷嘴的实验与模拟研究[D]. 天津：河北工业大学，2015.

[25]  毕江纯. 气泡雾化喷嘴结构对喷雾特性的影响规律研究[D]. 天津：河北工业大学，2015.

[26]  徐爱祥. 新型真空液滴制冰特性研究[D]. 长沙：中南大学，2010.

[27]  李俊. 嚴寒寒冷地区空气源热泵系统室外计算温度选择的研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2018.

[28]  马善军，李鹏辉，孔令健，等. 蒸发式过冷水制冰液滴蒸发结晶的模拟[J]. 农业工程学报，2016，32（23）：213-217.

[29]  ZHAO Y，ZHANG X L，XU X F，et al. Research progress in nucleation and supercooling induced by phase change materials[J]. Journal of Energy Storage，2020，27：101156.