载冷剂循环式冰蓄冷系统

载冷剂循环式冰蓄冷系统

本文所讨论的冰蓄冷系统采用二冷传热流体（载冷剂）的，而不是制冷剂直接蒸发式的。制冷剂直接蒸发式的冰蓄冷系统将在另一篇论文中阐述。

正如在《冰蓄冷系统的配置》一文中所解释的那样，不论采用载冷剂循环式或采用制冷剂直接蒸发式，冰蓄冷系统的系统配置均应很好的考虑，以便系统的良好的控制及运行。

任何冰蓄冷系统，不论它是载冷剂循环式或是制冷剂直接蒸发式，它均包括以下三个主要部分：

（1）制冷系统

（2）贮冰装置

（3）空调系统

在一个载冷剂循环式的部分蓄冷式冰蓄冷系统中，制冷机是载冷剂式机组，在夜间非高峰期，它提供载冷剂至贮冰装置而制冰，并且，在空调期间，按需要由贮冰装置中供出冷剂至空调系统。

采用载冷剂机组而不采用制冷剂直接蒸发式，其理由如下：

1、可采用诸如往复式、螺杆和离心式等标准冷水机组，因而，初投资可低。

2、一些贮冰装置基本上是为载冷剂循环式，而不是为制冷剂直接蒸发式而设计的。

3、基本按提供冷冻水而设计的标准的冷水机组同样可提供载冷剂。并且该制冷机组是工厂组装式的，不需要谘询工程师或物主就可完成制冷系统及制冷剂回路的设计。

4、采用标准的、工厂组装式的制冷机组，其机场安装量也是最小的。

5、制冷剂充注量最少，特别是当采用水冷式冷凝哭时。

6、仅在制冷机和贮冰装置之间才有载冷剂管路。

载冷剂机组

不论是标准型还是特殊型的载冷剂机组，它均包括冷凝器、压缩机和载冷剂冷却器。

用于冰蓄冷系统运行的压缩机的吸气温度经常地变化。图1给出了一个压缩机吸气温度的典型变化图。当制冷周期开始时，比方说是在下午6时，此时供出

的载冷剂温度相当高，所以压缩机吸气温度可动行在28℉。制冰过程中，吸气温度逐渐下降。对一些贮冰装置，制冰过程最后一小时压缩机的最终拉低温度可低至10℉，然后，为空调系统补充供冷，则压缩机吸气温度又增至36℉左右，这个温度一直维持到下午6时，制冰周期天始才变回到28℉。

图1表示了制冰期和空调补充供冷运行期的24小时周期内的压缩机的吸气温度变化。显然，因为吸气温度总是在变化，所以压缩机的压头也总是在变化。除了吸气温度变化之外，在日间和夜间，冷凝温度也变化。鉴于此，用于冰蓄冷的系统的压缩机应是可变的压头的螺杆式压缩机，而不应是压头不变的离心式压缩机。

最节能的螺杆式压缩机是配有可变内容积比（Vi）设计的压缩机。和自动滑动叶片控制一起，可变内容比的螺杆压缩机不仅呆满足各种负荷变化，还可以改变内部容积经，以便在部分负荷时可减少能量消耗和降低出口压力运行。

冰装置

专门用于载冷剂循环式的一些类型的贮冰装置在市场上可以买到。一般载冷剂环式贮冰装置的性及特性列下面：

冰球式贮冰装置

冰球式贮冰装置的供应厂商是CRYOGEL  Cryogel的冰球（参见图2）的直径为4″。额定容量是77个冰球可蓄冷1冷吨一时。

冰球是密封的贮冰装置，水被封存在球内。球被放在箱体内。载冷剂流过箱体而制冰或融冰（参见图3）

蓄冷所需空间：对压力容器而言，蓄冷1冷吨一时需2~3尺$的空间，对开式冰箱而言，蓄冷1冷吨一时需2.5~ ~3.0尺³的空间。

对冰球式贮冰装置而言，最重要的是要避免载冷剂流动的短路现象。在制冰及融冰周期，所有的载冷剂必须均匀地掠过箱体内部的冰球。短路现象（参见图4及图5）将会造成冰球吸冷量不足及放冷量减少的现象。采用卧式水箱时，一定要精心布置好冰球，对冰球式冰蓄冷而言，最好的方案是采用垂直式水箱（参见图6）。当冰球浮在箱体顶部时，载冷剂几乎是自动地均匀流过。

B.    Calmac贮冰装置

Calmac贮冰装置是坚固的冰冻结在算管上。盘管由5/8″的聚乙烯管绕成。该盘管在园柱形塑料箱体内（参见图7）。箱体用聚苯乙烯保温。载冷剂循环通过箱体内部的盘管。箱体被注满水。在制冰过程，园柱形箱体内部的水结成冰，在放冷过程中，冰融化并且使盘管内的载冷剂降温。

较小的箱体是园柱形的，最大的箱体是矩形的。最大的箱体的型号为1500A，它的尺寸为268″×96″×102″（高度），蓄冷容量为486冷吨一时，箱体中水/冰的容积为4860加仑。

Calmac贮冰装置不能完全埋置于地下。Calmac厂家推荐的埋深为箱顶之下12″。

C.    FaFco

FaFco贮冰装置的冰冻结在盘管/箱体式贮冰装置上。盘管组件由？？？？的聚乙烯管绕成，连接方式可用粘塑料接口及塑料焊接。图8给出了典型的盘管组件。蓄冷量小的FaFco贮冰装置可连带水箱一起供货，也可如图9所示，供应安装在混凝土箱体内盘管组件。

带水箱的最大组件是590型。它的外形尺寸为236″×96″×82″（高度）。蓄冷容量为472冷吨一时。

FaFco盘管的管径很小？外径，所以，很容易弄脏。如果载冷剂不经过滤，或者过滤器没有很好地清洗，管道就会被堵塞。

D.    REACTION贮冰装置

REACTION贮冰装置也是封装型的。冰晶体是矩形的，是将去离子水封装在塑料容器内，晶体的尺寸为32″×12″1？？。晶体被叠装在箱体内。载冷剂循环通过箱体以制冰或融化冰。图10和图11表示了晶体彼此此叠装的状况以及载冷剂在晶体之间流动的状况。图12给出了装置冰晶体的典型式箱体。冰晶体贮冰装置可有多于30种现格的箱体，冰晶体在现场装入箱体内。

推荐用于冰晶体贮冰装置中的载冷剂是厂家特配的溶剂。而不是一般的乙二烯乙二醇溶液。

最大型的箱体为SM4112C型，直径为12尺，蓄冷能力为3455冷吨一时。

中等型箱体为SM2510C型，直径10尺，长度60尺，蓄冷能力为2080冷吨一时，小型箱体为SM407C型，直径为7尺，长度为24尺，蓄冷能力为389冷吨一时。

E．冰冻结在盘管上的贮冰装置

冰冻结在盘管上的贮冰装置由钢制盘管构成。生产厂家为BAC和EVAPCO等。载冷剂通过钢制盘进行循环，冰在盘管外形成。

图13给出了工厂装配的带箱体的贮冰装置。图14表示的用于现场安装的盘管组件以及盘管装在混凝土箱体内部的状况。

和其他的载冷剂循环贮冰装置不一样，这种冰冻的钢制盘管上的贮冰装置，冰可从内部或从外部融化，正如图15和图16所示。

如果冷冻水与冰的接触状况如图16所示，这种冰冻结在盘管上的贮冰装置的放冷效率是非常高的。这种直接的融冰装置是冰冻结在钢制盘管上的贮冰装置的标准布置方式。

F．共熔盐贮冰装置

共熔盐贮冰装置由厂家Transphase System,Inc生产。它是一种封装冰型。共熔盐装在被为传冷容器的聚乙烯盒内（参见图17）。这些传冷容器彼此叠装在一个箱体内，或者在现场被装人混凝土箱体内。

共溶盐被设计成在47℉时发生相变。对大多数空调用冰东水系统，这个温度是太高了，并且对低温度的蓄冷系统来讲这温度也是太高并且经济上不合算。

每一个传冷容器的尺寸是24″×8″×1.75″。每个传冷容器的潜热蓄能量为459.2Btu。高于凝固点的显热蓄能量是4.48Btu/℉左右，低于凝固点的显热蓄能量是3.36Btu/℉。

以上所有上面给出的冰蓄冷能力冷吨一时数，均指潜热蓄能，不包括水的显热蓄能部分。

采用的载冷剂

载冷剂循环式冰蓄冷系统所用的载冷剂在大多数场合下都是乙烯乙二醇。载冷剂浓度的确定取决于制冷机的设计蒸发温度以及贮冰装置所需要的最终的拉

低的蒸发温度。

载冷剂是一种防冻的传热流体。它的凝固点取决于载冷剂浓度。贮冰装置用乙二醇作为循环流体时，所需的重量浓度为25~30%，该浓度通常由制冷机及贮冰装置制造厂家来推荐，并一定要和贮冰装置生产厂家一起核对所需要的载冷剂浓度。要弄清楚这浓度是以重量百分比还是以容积百分比为基准的。在同样的百分比的情况下，容积百分比将会比重量百公比有更低的凝固点。乙烯乙二醇溶液的重量百分比积容积百分比之间的换算关系，可参见图18。

计算热负荷及载冷剂流量的公式如下：

Btu/HR=499.8×GPM×S.G.×Cp×(T₂-T₁)—.—(1)

GPM:载冷剂流量；加仑/分

S.G：载冷剂比重；

Cp—载冷剂比热  Btu/Lb.℉；

T₂—载冷剂进口温度℉

T₁—载冷剂出口温度℉

载冷剂的比重及比热总是载冷剂的平均温度为基准的。

乙烯乙二醇溶液的热力学特性给在如下各图中：

图18—凝固点，℉

图19—比重。（与60℉的水相比）

图20—比热Btu/Lb℉

图21—导热系数Btu/HR/尺²/℉/尺

图22粘度，厘泊。

图23表示压降修正系数，它被用于计算载冷剂回路的中的压降或是载冷剂通过冷却器的压降。

例题：制冷机型号为450冷吨。载冷剂为乙烯乙二醇，其重量百分比为25%，蒸发器载冷剂进口温度29℉，出口温度24℉。

载冷剂平均温度=（29＋24）/2=26.5℉

载冷剂重量百分比25%相当于容积百分比23%，由乙烯乙二醇溶液特性图可知：

冰点：12.2℉

比重：1.037

比热：0.917

粘度：4.0

压降修正系数：1.20

载冷剂温差：29 —24=5℉

热负荷=450×12000=5400000Btu/时

由公式（1）可计算出乙烯乙二醇重量百分比为25%、制冷机容量为450冷吨以及载冷剂出、出口温度分别为29℉和24℉的情况下。载冷剂流量为2272加仑/分。

乙烯乙二醇溶液应配有缓蚀剂。一些大的化学公司可出售配好的、并带有缓蚀剂的乙烯乙二醇溶液。DOW化学公司供应的上述传热流体的商业名字为DOWTHERM SR-1，由UNION Carbide公司供应的则称为UCARTHERM。

载冷剂流经管道压降

载冷剂流经管道压降的计算是以水流经管道的压降为基准值，但必须乘以图23可查出载冷剂修正系数为1.22。

例题：2272加仑/分，重量百分25%，乙烯乙二醇溶液流过6″光滑钢管。

流量为2272加仑/分的水通过一个6″光滑钢管时，其压降为13.5磅/寸²/100尺。

由图19可知，盐水比重是1.038；由图22可知，载冷剂粘度为4.22厘泊。由图23可查出载冷剂压降修正系数为1.22。

所以，载冷剂流量为2272加仑/分寸，通过6″管的压力降为13.5×1.22=16.5磅/寸²/100尺。

按照经验，冰蓄冷系统中载冷剂压降比相应的水压为25%左右。泵的流量及扬程均应以载冷剂设计运行工况为准。

絷交换器管的材质

在一个闭式空调系统中，如果乙烯乙二醇溶液中含有缓蚀剂，可采用铜管或钢管热交换器。最好不采用22或24BWG的管道，而要采用管壁较厚的管子，推荐使用20BWG的铜管及16BWG的钢管。

载冷剂设计温度及浓度

载冷剂温差应设计得尽可能地小，以便在同样出口温度下可获得较低的载冷剂平均温度。然而，如果载冷剂温差变得太小，则流量就会太大。大多数贮冰装置生产厂家推荐载温剂温差为5~6℉。

制冰期（蓄冰期）载冷剂设计进口和出口温度以及载冷剂浓度必须适合所选用的贮冰装置。大多数情况采用如下数据：

第一组：是冰球式：CALMAC 及FAFCO贮冰装置，载冷剂的浓度及温度值如下：

载冷剂浓度为25%容积百分比的乙烯乙二醇溶液。

载冷剂进口温度：22℉

载冷剂出口温度：27℉

第二组：是冰冻结在钢盘管上的贮冰装置，其相应数据如下：

载冷剂浓度为30%容积百分比的乙烯乙二醇溶液。

载冷剂进口温度：18℉

载冷剂出口温度：24℉

第三组：是共熔盐式贮冰装置：

相变材料式贮冰装置多用于冷冻水式蓄冰系统。

空调期间（放冷）贮冰装置载冷剂出口温度取决于系统设计、系统配置以及放冷效率。放冷期间贮冰装置载冷剂出口温度是变化的。放冷期间头几个小时内，该温度值可能太低，而后几个小时内，该温度值可能太高。所以，必须提供控制措施以防止过多的冷量从贮冰装置中提出，另外，也需核查放冷效率，以保证在入冷周共结尾仍能提供足够的冷量。

上述第一组情况的贮冰装置放冷周期内，可行的最低载冷剂设计出口温度为38℉。第二组情况是贮冰装置在内融冰的情况下冷冻水出水温也是38℉。但是如果是外融冰的话，其出水温度可低至32℉。对实际的应用，第二组情况的贮

冰装置冷冻水出水温度应设计为33至34℉左右。

蓄冷和放冷效率

所有的贮冰装置均存在蓄冷和放冷效率。所谓蓄冷效率就是在设计载冷剂温度下，制冰周期内能蓄有多少的冰量。也就是说，能在贮冰装置中存放多少的冷量。所谓放冷效率就是在要求的设计温度下，一定冷吨一时数的冷量可由贮冰装置中取出。实际上所有的载冷剂循环式冰装置，在放冷的最后小时，放冷效率有些降低。设计放冷温度越低，放冷效率越低。所以，只要采用载冷剂循环式冰蓄冷系统，就需要精心选择贮冰装置，并且通过核算确认贮冰装置的性能可满足要求。选择载冷剂循环式贮冰装置的准则如下：

（1）蓄冷能力

贮冰装置必须具有的蓄冷能力为：在设计载冷剂温度工况下以及在制冷机容量和载冷剂流量均为规定值情况下，能有规定的蓄存小时内蓄存设计的全部总冷量。

（2）供冷能力

贮冰装置必须在规定的设计出口温度下，设计流量下以及供冷期每个小时特别是后面几个小时均能供出所需要的冷量。

贮冰装置必须能满足蓄冷能力和供冷能力两者的要求，也要能被安装在所提供的空间内。

如果贮冰装置的出口温度低，则供冷效率更低。如果要求的出口温度要求的38℉，则第一组情况的一组贮冰装置的供冷效率会降低至60%或更低。这就意味着贮冰装置需要有40%或更多的附加面积来补偿上述供冷效率的降低。

各种系统的系统配置

下如在《冰蓄冷系统配置》一文中所讨论的那样，载冷剂冷却器、贮冰装置以及控制器的相对位置均应与系统配置相一致。重要的是，不论是在部分负荷还是在全负荷情况下，在蓄冷和供冷的全部时间内系统设计性能值均应是稳定的。

带有各种类型贮冰箱置的载冷剂循环式制冷机组的典型配置如下：

1．冰球型贮冰装置的载冷剂循环工制冷机组：

1．01图24给出包括有载冷剂循环式制冷机组和冰球型贮冰装置的冰蓄冷系统。

1．02采用了板式换热器，以使载冷剂流动局限在制冷机房内。二次回路使用的是冷冻水而不是载冷剂。

1．03采用板式换热器的目的在于

1．03．01：防止高层建筑内传热流体的倒流

1．03．02减少系统中乙烯乙二醇溶液的充注量及花费。

1．03．03由于采用水而不采用载冷剂可对空调系统侧设备提供良好的传热。

1．03．04可降低二次回路泵的扬程。

1．04只要系统无流体倒流问题，则系统可不带板式换热器。在这种情况下，整个管路系统全部充满乙烯乙二醇溶液。

1．05是否采用板式换热器取决于管路系统设计。一些情况下，采用一种类型而不是两种类型的板式换热器。

2．06载冷剂循环式制冷机组典型的运行工况是：

  1．06．1夜间蓄冷（制冷）周期：

载冷剂出口温度22℉

载冷剂回程温度27℉

1．06．2日间空调周期

  载冷剂出口温度49℉

1．07载冷剂循环式制冷机为螺杆式，是工厂组装的标准机组被设计用于冰蓄冷系统。

1．08螺杆式压缩机型的制冷机有可变压头的性能，在部分负荷下性能良好，因而常用于冰蓄冷系统。

1．09夜间制冰期，载冷剂阀（n）开启，并且所有的阀（d）均关闭，空调系统并不运行。在设计工况22℉的载冷剂被送至贮冰装置以制冰，载冷剂回程温度为27℉。

1．10来自贮冰装置的载冷剂受一个混合阀控制，以使供至第二级换热器的载冷剂温度恒定在9℉。

1．11重要的是冰球在箱体内在布置好，以防止载冷剂流动的任何短路现象发生。

1．12从制冰到空调系统运行的转换，是由自动设备或大楼管理设备来控制。

FAFCO或BAC型贮冰装置的载冷剂循环式制冷机组

2．01图25给出一个FAFCO型贮装置的螺杆式载冷剂循环制冷机组。除了一些阀门的位置不同之处，它基本管路配置上与冰球型贮冰装置系统相同。所以，在1.0一节中的介绍也适用于FAFCO型贮冰装置。

2．02FAFCO贮冰装置传热效率较高。然而，如前所述，贮冰盘管的管子很小，因此，载冷剂应当很洁免管通堵塞。

2．03BAC内融冰的贮冰装置，其系统的配置与FAFCO型贮冰装置相同。

Calmac型贮冰装置载冷剂循环式制冷机组

3．01图26给出了一个Calmac型贮冰装置的螺杆式载冷剂循环制冷机组。

3．02除了一些阀门的位置不同之外，它基本上与冰球型或FAFCO型贮冰装置系统相同。

静止型贮冰装置载冷剂循环式制冷机组

4．01；图27给出包括有载冷剂循环式制冷机组和载冷剂循环式静止型贮冰装置的冰蓄冷系统。

4．02与其他类型相比，这种贮冰装置的特点是在供冷期的传热流体是水而不是载冷剂，是水通过贮冰箱体以外融冰方式融冰，板式换热器被用来隔离载冷剂和冷冻水回路。

4．03只要系统中无倒流问题，则系统可配置成冰冻水直接流过贮冰装置，不需要板式换热器。

5．04冰结在钢盘管上内融冰的贮冰装置式载冷剂循环系统的布置与其他类型贮冰装置，（诸如图15给出的Fafco或Calmac）的系统一样，但是，在这种情况下，冰冻结在盘管上的贮冰装置可使冰与冷冻水按接触的优点没有被利用。

05冰冻结在盘管上的静止式贮冰装置的设计载冷冻温度一般是低于其他类型的。然而，这个缺点使空调系统得到较低冷冻水的优点所弥补。这种装置的运行工况如下：

   4．05．01：夜间蓄冷（制冷）周期：    

              载冷剂出口温度：18℉

              载冷剂回程温度：24℉

   4．05．02日间空调周期

             载冷剂出口温度：43℉

             载冷剂回程温度：50℉

4．06另外，螺杆式压缩机型的制冷机具有压头控制，内容比的自动调节部分负荷性能良好，因而常用于冰蓄冷系统。

4．07夜间制冰期，载冷剂阀（n）开启，并且所有的阀（d）均关闭，空调系统并不运行，在设计工况下，18℉的载冷剂被供至贮冰装置（盘管），载冷剂回程温度为24℉。

4．08日间空调系统运行期，所有的阀（n）均关闭而所有的阀（d）均开启。43℉的冷载