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1、真空闪蒸制冰技术及其发展章学来 教授上海海事大学商船学院能源与动力工程专业委员会主任动力工程与工程热物理一级硕士点分委会主席Email:2023年4月CONTENTS目 录1 研究背景与意义235674 真空闪蒸制冰技术基本原理 真空闪蒸制冰关键技术 真空闪蒸制冰技术国内外研究现状 我们实验室目前的研究成果 真空闪蒸制冰技术目前存在的问题 真空闪蒸制冰技术未来的发展方向01研究背景与意义PART ONE生活水平提高科学技术发展 对生活质量追求越来越高 空调舒适性需求愈加强烈用电高峰负荷 逐年增长空调蓄冷技术“移峰填谷”减少装机容量 提高发电效率如何如何解决解决1 研究背景与意义妥善利用改善能源
2、结构符合新时代发展的绿色要求02真空闪蒸制冰技术基本原理PART TWO2.1 常见的制冰类型制冰方式优 点缺 点直接接触式传热热阻小、热效率高喷嘴易冰堵、需要特别设计过冷水式系统简单、热效率高含冰率低、易冰堵真空式环保、热效率高真空度维持、保证系统密封性刮削式效率高、无冰堵刮片需要定期更换、能耗高下降膜式控制简单、操作方便压缩机负荷大、竖转轴有磨耗2.2 真空闪蒸制冰原理水的三相图三相点(611Pa、0.01)水的蒸发潜热(2501.4 KJ/Kg)约为凝固热(334 KJ/Kg)的近七倍2.3 真空闪蒸制冰技术分类u 仅考虑并冰浆生成方式,不考虑真空系统维持的设计方式真空闪蒸制冰技术动态静
3、态2.3 真空闪蒸制冰技术分类u考虑真空维持去除水蒸气的设计方式真空闪蒸制冰技术 吸收式冷凝式 吸附式组合式 吸附式+冷凝式 吸收式+冷凝式03真空闪蒸制冰关键技术PART FOUR3 真空闪蒸制冰关键技术 01.闪蒸过程中产生大量水蒸气容易破坏真空环境难以满足制冰真空度的要求02.闪蒸过程的沸腾载体区域的压力降低导致传热强度下降不能满足小温差下闪蒸结冰要求05.溶液过冷要求制冰系统的结冰温度更低真空度更小,降低系统制冰效率,通过添加剂来强化闪蒸03.真空闪蒸系统的结构设计要求高闪蒸室设计,真空泵的选择等04.真空泵油的乳化影响和危害避免真空泵抽水蒸气时存在油乳化问题3 真空闪蒸制冰关键技术水
4、蒸气的捕捉水蒸气的捕捉利用吸附剂(活性炭、分子筛)吸附水蒸气,通过太阳能等自然能源对吸附剂进行解析。通过制冷系统对水蒸气进行冷凝回收,降低能耗尽量制冷剂和制冷机组的使用。冰的收集冰的收集真空环境下冰的产生和存储如何分离。创建真空环境创建真空环境真空泵的选择需要考虑真空度、抽气速率和耐腐蚀性,并且采用金属密封或者橡胶密封的方式,同时做到真空度和泄漏率的检测和控制,最后设计和操作过程中需要注意安全措施。闪蒸器的设计闪蒸器的设计闪蒸器材料选择需要考虑材料、尺寸和形状。保温很重要,同时需要方便日常维护和清洁。04真空闪蒸技术国内外研究现状PART FIVE国内山东大学搭建一套可视化的冷凝式真空法制取冰
5、浆的实验台并进行分析。西安交通大学研究水滴在真空闪蒸过程中的六种形态。福州大学设计一套搅拌式真空闪蒸制冰装置,对冰晶粒径特性进行试验研究,丰富真空状态下冰晶生长动力学理论。4 真空闪蒸制冰技术国内研究现状中国科技大学真空冷却机理分析建立冷却换热模型/扩散控制蒸发模型并结合导热方程,为真空闪蒸冷却在航空热控方面的应用提供理论基础。中南大学带双层夹套容器闪蒸室的真空制冰系统和带喷射泵的真空制冰系统。4 真空闪蒸制冰技术国外研究现状国外韩国-韩国科技学院探讨真空制冰的理论基础,在扩散过程蒸发模型的基础上建立了闪蒸室内冰晶形成过程的数学模型,研究了闪蒸室内真空闪蒸过程的热质交换。建立一套冷凝式真空闪蒸
6、制冰系统并对真空系统进行改进将液氮与真空泵组合形成真空维持系统。日本-东京工业大学研究水滴的真空闪蒸结冰现象,真空闪蒸而产生的冰粒所需最大真空度取决于水的冻结温度。提出搅拌式真空闪蒸制冰系统,测量了制冰工质在常温和冷冻温度下的气液平衡数据。05我们实验室目前的研究成果PART FIVE5.1 二元冰研究内容过冷式冷盘管真空式吸收式吸附式添加剂Part ThreePart OnePart Two直接接触式5.2 真空闪蒸制冰技术研究内容真空制冰装置添加剂冷凝式吸收式吸附式溴化锂降膜吸收的传热传质问题超声波与添加剂的耦合研究吸附模块存在下强化真空闪蒸真空制冰静/动态特性理论和实验研究各类型添加剂对
7、制冰的影响去除水蒸气强化闪蒸5.3 冷凝式真空制冰技术冷凝式真空制冰系统实物图主要工作 研究了冰的结晶机理以及添加剂的原理 建立了冷凝式真空制冰系统实验台 研究了冷凝式真空制冰特性5.4 吸收式真空制冰技术吸收室主要工作 搭建了溶液吸收驱动下的二元冰真空制备研究实验台 对系统建立了数学模型,并进行了分析 研究了吸收式真空制冰特性吸附室结构5.5 吸附式真空制冰技术 研究固体吸附作用对真空制冰系统性能参数的影响 发展超声波与吸附式真空制冰耦合的方式,提高制冰效率主要工作5.6 真空闪蒸制冰技术研究内容-添加剂u 强化真空闪蒸-研制高效真空制冰材料5.6 真空闪蒸制冰技术研究内容-添加剂10%的盐
8、类添加剂溶液制冰周期内温度变化5.6 真空闪蒸制冰技术研究内容-添加剂0.04%的纳米流体类添加剂制冰周期内温度变化5.6 真空闪蒸制冰技术研究内容-添加剂5.6 真空闪蒸制冰技术研究内容-添加剂06真空闪蒸技术目前存在问题PART FIVE6 真空闪蒸制冰技术目前存在的问题真空状态下冰晶形成的各项机理,真空状态下冰晶形成的各项机理,如冰晶生成的热力学规律、动力学如冰晶生成的热力学规律、动力学特性、冰晶形态与分布。同时含冰特性、冰晶形态与分布。同时含冰率的测量较为粗略,整个系统制冰率的测量较为粗略,整个系统制冰过程难以控制。过程难以控制。使用添加剂来强化真空闪蒸过程,使用添加剂来强化真空闪蒸过
9、程,需要考虑添加剂的稳定性,同时添需要考虑添加剂的稳定性,同时添加剂应用场合的局限性。加剂应用场合的局限性。当用户侧的环境需要保持真空才能当用户侧的环境需要保持真空才能保证冰浆的流动状态因此实际应用保证冰浆的流动状态因此实际应用中真空制冰处于真空环境和常压环中真空制冰处于真空环境和常压环境比较难结合。境比较难结合。吸附式的解析和利用制冷机组吸附式的解析和利用制冷机组冷凝的过程耗能较大双碳背景冷凝的过程耗能较大双碳背景下需要考虑如何利用自然能源下需要考虑如何利用自然能源来降低系统能耗。来降低系统能耗。07真空闪蒸制冰技术未来的发展方向PART EIGHT037 真空闪蒸制冰技术未来的发展方向04真空闪蒸制冰技术领域内,仍然存在很多可供研究的问题:真空闪蒸制冰技术领域内,仍然存在很多可供研究的问题:01节能减排降低系统能耗,吸附模块解析和冷凝机组冷凝可以采用太阳能等自然能源,同时抽真空也可以考虑利用可再生能源。02添加剂可以强化真空闪蒸过程,使用的添加剂需要考虑是否对系统产生腐蚀,环境干扰,传热传质等问题,同时需要考虑添加剂的应用场景。真空制冰系统与蓄冷空调系统相结合,保证冰浆的流动性尽可能使末端和用户端都维持在真空环境,如何避免真空系统不被破坏。采用电磁场、超声波等新型传热传质方法强化真空闪蒸过程,提高真空闪蒸制冰系统的制冰效率。Thank you!