過冷法海水冰漿制備系統能耗特性分析*

宋文吉，黎福超3，陳明彪，馮自平,2

過冷法海水冰漿制備系統能耗特性分析*

宋文吉1,2,?，黎福超1,2,3，陳明彪1，馮自平1,2

（1. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學技術大學 能源科學與技術學院，廣州 510640；3. 華南理工大學，廣州 510641）

海水制冰漿技術可應用于海島及海上風電的負荷轉移和削峰以及冷凍保存海產品等，具有廣闊應用前景。此外，海水制冰的原料近乎免費，并且利用海水作為冷卻介質可以降低冷凝溫度，進而提高系統能效，具有明顯優勢。通過建立雙回路單級壓縮循環制冰系統模型，分析利用過冷法制取海水冰漿的經濟性和可行性，為海水制冰漿技術的實際應用提供理論指導。結果顯示，該系統在計算條件下冬季循環性能系數平均值為4.76，夏季平均值為3.61，在蒸發器內較寬的海水流速范圍內可維持較長時間正常運行。系統采用板式水冷冷凝器，并與空氣源機組進行定量對比，結果表明循環機組采用水冷冷凝器在各指定工況點下的效益均高于采用空冷器，在設計工況下水冷機組單位投資蓄冷量為2.85 kW?h/元，對應的空冷機組僅為1.37 kW?h/元。

冰漿；海水；過冷法；雙回路單級壓縮制冷循環；板式換熱器；效率

0 引 言

冰漿因具有較高的能量儲存密度（334 kJ/kg）和良好的換熱特性，是極佳的冷量存儲介質。利用海水制冰漿具有獨特優勢，一方面海水制冰的原料豐富而且幾乎免費，另一方面利用海水作為冷卻介質可以降低冷凝溫度，可以達到提高系統能效的目的。此外，儲冷的成本約為儲電成本的10%[1]，經濟優勢明顯。

海水制冰漿應用前景廣闊。海上風電與海島產電不易儲存，可以用多余的電量制取冰漿，將電能以冷量的形式存儲起來。例如夜晚電量需求小，此時利用海水制冰漿存儲起來，白天用電高峰期時又可以融化冰漿快速釋放冷量，供給建筑物的空調裝置。除此之外，冰漿還可用于冷凍保存海產品，其保鮮效果比傳統的冰塊冷凍更好，是一種良好的保存介質[2]。

國內外已經有不少學者對海水制冰漿相應技術進行了研究。王振等[3]就超聲波對海水流化冰制取過程中的作用效果和作用機理進行了研究，發現在33.0 kHz的實驗工況下海水過冷度可以被完全消除，制冰速度得到明顯提升，此外，相對于無超聲波工況，冰晶粒徑更小、更綿柔，不易造成冰堵。CHEN等[4]評估了使用過冷水動態制冰法來淡化海水的可行性和經濟性，結果表明該方法比現有的間接接觸冷凍法淡化海水更加快速有效，且由于動態冰漿換熱性能更好等原因，理論能耗僅為間接接觸冷凍法的58%。袁久峰等[5]針對目前海水流化冰機長時間運行出現冰堵和能耗升高的問題，選型設計了一種海水流化冰機，可實現連續穩定的制取海水流化冰，但未進行經濟性評估。HEKMATSYAR等[6]對涂有聚四氟乙烯的刮刀式海水冰漿發生器的生產速度進行了研究，發現在海水鹽度較高的情況下提高泵或刮刀的轉速都會降低冰漿的生產速度，且能耗升高。KONG等[7]對使用鈦合金雙管蒸發器的制冰系統進行實驗研究，結果顯示在名義條件下制冰機的性能系數（coefficient of performance, COP）為1.66，而隨著海水進口溫度的降低，冰漿含冰率和冰漿產率都大大增加。綜上，不少文獻對海水制取冰漿技術的實際應用做出了理論指導，但目前國內外研究大多關注制冷蒸發側海水制成冰漿的循環過程，而對于冷凝側將海水同時作為冷卻介質以及相關的系統優化研究仍較少。

為此，本文利用海水制冰時既利用海水作為原材料且同時作為冷卻介質的優點，采用直接蒸發式的過冷法冰漿制備系統，建立海水制冰的系統模型，分析其在不同運行條件下的能耗特性以及經濟性，以期為海水制取冰漿技術的實際應用提供理論指導。

1 計算模型與數據處理方法

1.1 計算模型

擬設計的海水制冰漿裝置如圖1所示，采用單級壓縮制冷雙回路循環，制冷劑為R22，循環設計了3?℃的過熱度和2?℃的過冷度，相較于一般的三回路循環效率更高。冷凝器和蒸發器均采用板式換熱器，冷凝器板片數為25片，換熱面積12 m2。蒸發器板片數為57片，換熱面積28.6 m2。板片參數見表1。

圖1 海水制冰漿裝置簡圖

表1 水平波紋形式板式換熱器板片參數

海水制冰漿裝置設置了蓄冰池，池內維持在凝固點溫度，即?1.83?℃。為避免池內的冰晶在循環過程中進入蒸發器內而引發冰堵，海水在進入蒸發器之前經加熱器加熱，使其溫度升高到0.1?℃，加熱可通過與高溫的海水換熱實現，故不計算加熱電耗。在蒸發器內，海水會獲得一定的過冷度，過冷度過低會降低產冰率，過高易使蒸發器內形成冰堵，影響裝置正常運作。為此將過冷度控制為1.5?℃[8]，過冷的海水在促晶器中結晶，進入蓄冰池，未形成冰晶的海水過濾后再次進入循環。由于循環過程中池內海水鹽度會上升，需要及時更換海水，更換海水損失的冷量可通過回熱器回收，這里不做討論。

冷凝器側也使用海水水冷，假設海水經過冷凝器后溫升為5?℃。

選取夏季（6、7、8月）以及冬季（12、1、2月）東海海水數據作為計算數據，如表2所示。

表2 東海夏季和冬季海水、空氣數據

1.2 系統主要性能計算方法

板式換熱器海水側換熱系數采用準則關系式描述[9]：

板式換熱器制冷劑沸騰換熱系數[10]：

板式換熱器制冷劑冷凝換熱系數[11]：

總的傳熱系數由下式計算：

沸騰換熱量可通過水側計算得到：

冷凝器散熱量可由下式計算：

換熱器所需換熱面積計算式：

制冰量可由下式計算：

空氣冷卻器制冷劑水平微內肋管冷凝換熱系數[12]：

空氣冷卻器空氣側換熱系數[9]：

?效率計算式：

蒸發器海水側出口段壁溫計算式：

系統循環性能系數計算式：

2 計算結果分析

2.1 制冷循環效率分析

在保持過冷度為?1.5?℃的條件下，改變蒸發器內海水流速以控制制冷量變化。低海水流速時換熱系數低，冰漿產量少，不能充分利用換熱設施；增大海水流速，在保持相同過冷度的情況下，則會增大產生冰堵的可能性[8]。因此計算中控制海水流速在0.05 ～ 0.6 m/s之間變化。計算出的系統整體循環COP和循環?效率、制冰量如圖2所示。

冬季循環COP平均值為4.76，夏季平均值為3.61。低海水流速下COP和循環?效率最高，COP可達5.6，?效率可達0.5；且冬季COP比夏季高1以上，這是由于冬季海水溫度較低，制冷劑冷凝溫度下降，經濟性提高。雖然夏季冷凝溫度較冬季高，單位制冷劑壓縮耗功也更高，但夏季循環?效率反而比冬季高0.1以上，主要原因是夏季環境溫度也較冬季升高，且是主要的影響因素，此時制造同樣的冷量放出的冷量?更大，冷量的品質更高。高海水流速時制冰量較低流速時成倍增長，制冰漿的效率大大提高，但此時經濟性下降。相應的每小時冰漿蓄冷量與系統耗電量關系曲線如圖3所示，很顯然斜率越大代表經濟性越好。實際生產時應該綜合考慮，選擇適中的海水流速，保證制冰量的同時提高經濟性，減少冰堵的發生。

圖3 夏、冬季蓄冷量與耗電量關系曲線

海水出口段的壁溫如圖4所示。出口段（對應制冷劑干度為0.99的部分）的壁溫最低，實際生產過程中應該控制這部分的壁溫，壁溫過低會直接導致換熱器內冰晶的生成，造成頻繁冰堵進而影響設施正常工作。在本例中，認為壁面溫度高于?5?℃即可[14]，因此海水流速在0.05 ～ 0.6 m/s范圍內變化設備可保持較長時間正常工作，最高流速可達1.1 m/s。若要進一步提高海水流速并降低冰堵的可能性，可在海水側換熱表面涂抹抑制冰晶生成的涂層[15]。

圖4 出口段壁溫隨海水流速變化規律

2.2 與空氣冷卻器對比

為進一步探究該采用水冷板式冷凝器的海水制冰漿循環裝置經濟性，將其與等換熱面積的空冷器進行定量對比?？绽淦鲹Q熱管參數如表3所示。

表3 空氣冷卻器水平式低翅片換熱管參數

保持蒸發器側換熱器、參數不變，將冷凝器側換為空氣冷卻器，且保持換熱面積與板式冷凝器一致，為12 m2。此外假設空氣經過空冷器后溫升為10?℃。計算制冷量變化時的系統循環COP和循環?效率如圖5所示。

由圖5可知，在每個工況點下水冷的經濟性都要高于空冷。夏季水冷系統循環COP均值與風冷差值為1.30，高出56.3%，冬季時差值為1.15，高出31.9%。在低負荷運行時，空冷與水冷的COP值和循環?效率較為接近，但負荷越高，空冷的這兩個性能指標與水冷相差就越大，這一點在冬季環境下最為明顯，最高負荷時COP差值達到了2.2。這是由于水冷板式換熱器整體換熱系數要比空氣冷卻器高出許多，在高負荷運轉時該趨勢更加明顯，經濟性更高。而且在高溫或高負荷下，使用板式水冷冷凝器經濟性比使用空冷器高得多，特別是在夏季高負荷時，COP和?效率的差值分別達到了2.1、0.21，水冷經濟性遠高于空冷。與之相對應的每小時蓄冷量與耗電量關系曲線如圖6所示，圖中能更直觀地看出高負荷下空冷耗電量遠大于水冷，而低負荷時兩者相差不大。

圖6 夏冬季水冷、空冷蓄冷量與耗電量關系曲線

分析采用水冷冷凝器和空冷冷凝器時整體機組的經濟性，考慮投資成本和運營成本，通過文獻以及調研可知：①海上風電電價按0.8元/(kW?h)計算；②機組設備費按照制冷量計算，空冷機組為0.8元/W，水冷機組按照0.9元/W計算[16]；③安裝費用按照設備費的10%計算。

以200 kW制冷量作為機組的額定制冷量，得出空冷與水冷機組的初投資成本如表4所示。年運營成本是將夏季與冬季的功耗特性綜合平均而計算得出，其中包括水泵、壓縮機及空冷器風機電耗，不同制冷功率下運行年費用如表5所示。

表4 兩種機組初投資成本明細

表5 不同制冷量條件下兩種機組的運營成本

由表4和表5可知，水冷機組初投資成本稍高于空冷機組，但空冷機組年運營成本要高于水冷機組，且在制冷功率較大時特別明顯。綜合投資成本與運營成本，首年單位投資蓄冷量數據如表6所示。

表6 不同制冷量條件下兩種機組的首年單位投資蓄冷量

水冷機組在設計工況即200 kW制冷功率下具有最高的單位投資蓄冷量，為2.85 kW?h/元，對應的空冷機組僅為1.37 kW?h/元。且空冷機組的單位投資蓄冷量隨著制冷功率上升呈先增大再減小的趨勢，因此在設計工況下達不到最佳經濟性，再次說明高負荷采取水冷機組具有更好的經濟性。

為探究海水鹽度變化時裝置運行的功耗情況，在夏季和冬季的氣溫、水溫條件下，令蒸發器側海水流速為0.25 m/s，并保持過冷度為1.5?℃，海水鹽度在5‰ ～ 50‰之間，因此海水的出口溫度在?4.55 ～?1.78?℃之間變化。計算出各鹽度下的系統循環COP和功耗如圖7所示，與之相對應的每小時蓄冷量與耗電量關系曲線如圖8所示。

隨著鹽度的增大，蒸發器側海水出口溫度降低，蒸發溫度也隨著降低，因此COP曲線隨著下降。但采用水冷的循環COP穩定地大于空冷COP，隨著鹽度增大，COP差值稍有增大。鹽度增大時由于制冷量的增大，蒸發溫度的下降，壓縮功持續增加，且鹽度越大增速越快，在高鹽度時采用空冷循環的壓縮功耗明顯大于采用水冷循環時的功耗，該趨勢可從圖8上直觀看出。

圖8 夏冬季變鹽度條件下水冷、空冷蓄冷量與耗電量關系曲線

為比較板式水冷冷凝器和空冷器在不同氣溫情況下的實用性和經濟性，令蒸發溫度為?5℃，冷凝器側入口水溫與入口氣溫相等，溫度設置在10 ～ 35℃之間，換熱面積相同，計算出不同環境溫度下系統循環COP和循環?效率如圖9所示。

圖9 水冷、空冷的系統COP值、?效率隨冷凝器入口溫度變化規律

顯而易見，隨著冷凝器入口水溫、氣溫的升高，水冷與空冷的循環COP都呈現出下降的趨勢，但是水冷循環的COP總是大于空冷，并且溫度越低，二者之間的差值越大，在10?℃時差值達到了2.1。即使在35?℃條件下，水冷COP仍比空冷大82%，差值為1.18。此外，水冷循環?效率也總是大于空冷的?效率，差值恒保持在0.1以上。與之相對應的每小時蓄冷量與耗電量關系曲線如圖10所示，與圖9中COP不同的是，在高溫時制冷負荷更高的情況下，空冷耗電量遠大于水冷耗電量。

圖10 變冷凝器入口溫度條件下水冷、空冷蓄冷量與耗電量關系曲線

與COP變化趨勢不同的是，隨著溫度的升高循環?效率先上升后下降，該結果由式（11）分析可知。由于蒸發溫度不變，影響循環?效率的因素可歸結為環境溫度和COP，前半部分?效率上升是環境溫度上升的結果，此時環境溫度是主要影響因素，后半段溫度影響減弱，COP下降并且其影響占據主導地位。

3 結 論

采用海水水冷的海水制冰漿裝置具有較高的經濟性和可行性，整個系統的循環COP最高可達5.6，系統循環?效率最高可達0.5，冬季循環COP平均為4.76，夏季平均為3.61。在較寬的海水流速范圍內可維持較長時間正常運行。

采用水冷冷凝器整體傳熱系數高，可降低制冷劑冷凝溫度，使其在各個指定工況點下效益都要高于采用空冷冷凝器，夏季時水冷平均COP比空冷高56.3%，平均?效率高37.4%，冬季時水冷平均COP比空冷高31.9%，水冷平均?效率比空冷高24.2%。蓄冷量與耗電量關系曲線表明，低制冷負荷下兩者耗電量相差不大，負荷升高時空冷耗電量遠大于水冷耗電量。經濟性分析也表明在設計工況下水冷機組單位投資蓄冷量為2.85 kW?h/元，對應的空冷機組僅為1.37 kW?h/元。在水溫、氣溫相等的情況下，水冷的經濟性也總是高于空冷，且溫度越低水冷越顯示出優越性。但海水具有一定的腐蝕性，在使用時需要注意進行防腐處理。

努塞爾數

雷諾數

普朗特數

常數，流體被加熱時為0.4，被冷卻時為0.3

換熱系數，W/(m2·℃)

放大系數，取1

l液相導熱系數，W/(m·℃)

h水力直徑，m

eq等效雷諾數

質量流率，kg/(m2·s)

eq等效質量流率，kg/(m2·s)

l、g液、汽相動力黏度，Pa·s

m平均干度

l、g液、汽相密度，kg/m3

h重力驅動冷凝換熱系數，W/(m2·℃)

shear剪切力驅動冷凝換熱系數，W/(m2·℃)

s蒸汽飽和溫度，℃

w壁面溫度，℃

重力加速度，m/s2

汽化潛熱，J/kg

板片長度，m

l液相對流換熱系數，W/(m2·℃)

總傳熱系數，W/(m2·℃)

I、II兩側換熱面換熱系數，W/(m2·℃)

板片厚度，m

污垢熱阻，取1.7 × 10?5m2·℃/W

0制冷量，W

w水流量，kg/s

c,w水定壓比熱容，J/(kg·℃)

w,i、w,o進、出口水溫度，℃

k冷凝散熱量，W

f制冷劑流量，kg/s

c,s壓縮機絕熱效率，取0.8

1壓縮機入口的制冷劑比焓值，kJ/kg

2理想狀態下壓縮機出口的制冷劑比焓值，kJ/kg

4蒸發器入口的制冷劑比焓值，kJ/kg

換熱面積，m2

換熱量，W

Δlm對數換熱溫差，℃

w,s凝固點溫度，℃

w,f給水溫度，℃

相變潛熱，kJ/kg

熱流密度，W/m2

i管內徑，m

NF迎風面風速，m/s

校正系數，取0.946

0環境溫度，℃

1蒸發溫度，℃

0單位制冷劑制冷量，kJ/kg

net單位制冷劑循環實際耗功量，kJ/kg

el壓縮機電效率，取值參考文獻?[17]

m出口段熱流密度，W/m2

m出口段水側換熱系數，W/(m2·℃)

m出口段壁溫，℃

m出口段局部總傳熱系數，W/(m2·℃)

l,eq兩相流中僅液相部分的傳熱系數，W/(m2·℃)

干度，取0.99

[1] 安建才, 司愛國, 高玉國. 冰漿制取技術及其應用的研究進展[J]. 電力與能源進展, 2021, 9(2): 11-12. DOI: 10.12677/aepe.2021.92002.

[2] LOSADA V, BARROS-VELáZQUEZ J, AUBOURG S P. Rancidity development in frozen pelagic fish: influence of slurry ice as preliminary chilling treatment[J]. LWT - food science and technology, 2007, 40(6): 991-999. DOI:10.1016/j.lwt.2006.05.011.

[3] 王振, 李保國, 羅權權. 超聲波對海水流化冰制取過程的影響[J]. 包裝工程, 2020, 41(17): 65-70. DOI: 10.19554/j.cnki.1001-3563.2020.17.009.

[4] CHEN D, ZHANG C S, RONG H W, et al. Experimental study on seawater desalination through supercooled water dynamic ice making[J]. Desalination, 2020, 476: 114233. DOI: 10.1016/j.desal.2019.114233.

[5] 袁久峰, 賀瑩煒, 殷娟. 漁船用海水流化冰機設計探究[J]. 內燃機與配件, 2021(12): 211-212. DOI: 10.3969/ j.issn.1674-957X.2021.12.099.

[6] HEKMATSYAR D F, RAYHAN F A, PAMITRAN A S. Optimization of ice slurry generator with scraper blade coated by teflon for fishery industry[J]. AIP conference proceedings, 2019, 2062: 020030. DOI:10.1063/1. 5086577.

[7] KONG K S, KIM J D. Haracteristic analysis of slurry ice maker with a double tube according to sea water temperature[J]. Journal of power system engineering, 2019, 23(6): 88-94. DOI: 10.9726/kspse.2019.23.6.088.

[8] BéDéCARRATS J P, DAVID T, CASTAING-LASVIGNOTTES J. Ice slurry production using supercooling phenomenon[J]. International journal of refrigeration, 2010, 33(1): 196-204. DOI:10.1016/j. ijrefrig.2009.08.012.

[9] 史美中, 王中錚. 熱交換器原理與設計[M]. 6版. 南京: 東南大學出版社, 2018.

[10] LONGO G A, MANCIN S, RIGHETTI G, et al. A new model for refrigerant boiling inside brazed plate heat exchangers (BPHEs)[J]. International journal of heat and mass transfer, 2015, 91: 144-149. DOI: 10.1016/j. ijheatmasstransfer.2015.07.078.

[11] MANCIN S, DEL COL D, ROSSETTO L. Condensation of superheated vapour of R410A and R407C inside plate heat exchangers: experimental results and simulation procedure[J]. International journal of refrigeration, 2012, 35(7): 2003-2013. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2012.06.001.

[12] 石文星, 田長青, 王寶龍.空氣調節用制冷技術[M]. 5版. 北京: 中國建筑工業出版社, 2016.

[13] ARIMA H, KIM J H, OKAMOTO A, et al. Local boiling heat transfer characteristics of ammonia in a vertical plate evaporator[J]. International journal of refrigeration, 2010, 33(2): 359-370. DOI:10.1016/j.ijrefrig.2009.09.017.

[14] 吳銳. 過冷法動態冰漿制取的分析及實驗[D]. 武漢: 華中科技大學, 2006.

[15] KAUFFELD M, GUND S. Ice slurry-history, current technologies and future developments[J]. International journal of refrigeration, 2019, 99: 264-271. DOI:10.1016/j.ijrefrig.2019.01.010.

[16] 陳明彪, 宋文吉, 王瑛瀅, 等. 跨季節蓄冷特性與系統設計優化[J]. 太陽能學報, 2022, 43(6): 1-7. DOI:10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1043.

[17] 馬一太, 劉忠彥, 李敏霞. 容積式制冷壓縮機電效率分析[J]. 制冷學報, 2013, 34(3): 1-7. DOI: 10.3969/j. issn.0253-4339.2013.03.001.

Energy Consumption Characteristics Analysis of Seawater Ice Slurry Generation System Using Supercooling Method

SONG Wenji1,2,?, LI Fuchao1,2,3, CHEN Mingbiao1, FENG Ziping1,2

(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. School of Energy Science and Engineering, University of Science and Technology of China, Guangzhou 510640, China; 3. South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

Technology for producing ice slurry from seawater can be applied to the load shifting and peak shaving for island and offshore wind power, as well as to freeze and preserve seafood, which has broad application prospects. In addition, the source material for producing ice slurry from seawater is virtually cost-free, and its use as a cooling medium enables reduce condensation temperatures, thereby increasing system energy efficiency, so there are distinct advantages. The economy and feasibility of using the supercooling method to produce seawater ice slurry are analyzed by modeling a single-stage compression cycle ice production system with a double loop, which provides theoretical guidance for the practical application of technology for producing ice slurry from seawater. The results suggest that under the calculated conditions the average coefficient of performance of the system is 4.76 in winter and 3.61 in summer, which can maintain normal operation for a long time in a wide range of flow speeds. The system uses a plate-type water-cooled condenser, and the quantitative comparison with air source system suggests that the efficiency of water-cooled system is higher than that of air-cooled system at the concerning operating point, and the cool-storage capacity per unit investment is 2.85 kW?h/yuan for water-cooled units at design conditions, corresponding to only 1.37 kW?h/yuan for air-cooled units.

ice slurry; seawater; supercooling method; double-loop single-stage compression refrigeration cycle; plate heat exchanger; efficiency

2095-560X（2023）06-0491-08

TK02

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.06.001

2023-01-23

2023-03-15

國家重點研發計劃項目（2021YFE0112500）

宋文吉，E-mail：songwj@ms.giec.ac.cn

宋文吉, 黎福超, 陳明彪, 等. 過冷法海水冰漿制備系統能耗特性分析[J]. 新能源進展, 2023, 11(6): 491-498.

： SONG Wenji, LI Fuchao, CHEN Mingbiao, et al. Energy consumption characteristics analysis of seawater ice slurry generation system using supercooling method[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(6): 491-498.

宋文吉（1978-），男，博士，研究員，博士生導師，主要從事冰漿技術及創新應用、大規模儲電及控制技術研究。