冰蓄冷系統(tǒng)的測量摘要：蓄冰率是冰蓄冷系統(tǒng)運行管理與優(yōu)化控制的重要測量參數(shù)，其測量方法是冰蓄冷技術(shù)的核心內(nèi)容之一，本文總結(jié)了目前靜態(tài)與動態(tài)制冰系統(tǒng)中蓄冰率測量的各種方法，并對其測量原理進行了簡潔描述。關(guān)鍵字：冰蓄冷系統(tǒng)蓄冰率測量前言在冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中，從制冰裝置到空調(diào)末端之間有眾多的設(shè)備，故需要測量的對象也很多。蓄冰槽內(nèi)的蓄冰率（IPF，IcePackingFactor，定義：冰在冰槽內(nèi)冰水混合物中的質(zhì)量比率）標志著蓄冰槽單位體積內(nèi)所貯存的冷量，故在蓄冰空調(diào)系統(tǒng)的運行管理與自動控制中，IPF是一個不可缺少的測量參數(shù)。本文以測量蓄冰率為焦點，介紹其各種測量方法及其原理。1冰蓄冷與蓄冰率冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)向末端設(shè)備輸送和分配冷量過程中有無冰的移動可分為動態(tài)蓄冰和靜態(tài)蓄冰兩大類。在靜態(tài)蓄冰系統(tǒng)中，有管外制冰、管內(nèi)制冰、冰球制冰等方法，在動態(tài)蓄冰系統(tǒng)中，冰微粒有微粒狀、扁平狀、正方體狀冰。無論上述哪種情況，冰都是在水溶液中由清水（純水）結(jié)晶出來的。至今為止，已經(jīng)提出了多種多樣的冰蓄冷系統(tǒng)方案。在靜態(tài)制冰系統(tǒng)中，制冰時的冷機運轉(zhuǎn)控制與融冰時的殘冰量預(yù)測都必須檢測蓄冰槽內(nèi)的蓄冰率IPF；在動態(tài)制冰系統(tǒng)中，除需要把握蓄冰槽內(nèi)的貯冰量外，還需避免冰漿輸送過程中的管路阻塞、把握末端設(shè)備的冷量需求，也同樣需要檢測蓄冰槽和輸送管路內(nèi)的蓄冰率IPF。2蓄冰率的測量方法與測量原理針對上述冰的各種生成方法和性狀，應(yīng)用各種原理提出了相應(yīng)的蓄冰率測量方法。由于冰為固體，水為液體，冰水混合物的流動為固液兩相流，在現(xiàn)有的測量方法中，也有直接將其它領(lǐng)域的固液兩相流的測量方法應(yīng)用于冰水混合物蓄冰率的測量方案；也有在其它領(lǐng)域沒有采用的獨特的冰水混合物蓄冰率測量方案的提出。但各種測量方法的提案均處于實驗階段，其精度、穩(wěn)定性、簡便性、普適性俱佳的測量方法還難以確立，有待于進一步研究提出更為優(yōu)良的測量方法。本文介紹了到目前為止的各種蓄冰率測試方法和測量原理。在各方法中，按適用于制冰槽與蓄冰槽、輸送管、采樣法進行分類，并在下文中順序說明。2.1制冰槽、蓄冰槽內(nèi)IPF的測量1）水位變化量在冰盤管的外側(cè)和內(nèi)側(cè)表面結(jié)冰的靜態(tài)制冰系統(tǒng)中，通常采用測量水位的上升來計算槽內(nèi)蓄冰率IPF，這是利用水結(jié)冰后體積膨脹原理所進行的直接水位測量方法。冰的密度為917kg/m3，1000kg冰其體積為1.090m3，即1000Kg(或1m3)的水，完全結(jié)冰后其體積增大至1.090m3。故，隨著結(jié)冰過程的進行，冰槽內(nèi)的水位逐漸上升，根據(jù)水位上升量則可換算出IPF。水位的測量直接采用簡單的傳統(tǒng)方法（如：浮子法、差壓法、超聲波法等）。但這些方法要求在制冰過程中冰槽內(nèi)冰水混合物的總量必須恒定，如果出現(xiàn)冰槽泄漏或冰塊上浮現(xiàn)象，將會導(dǎo)致很大的誤差。2）探針型冰厚傳感器在冰盤管表面設(shè)置探針型冰厚傳感器，以測量盤管表面的結(jié)冰厚度。探針型冰厚傳感器的檢測原理是：每單位時間內(nèi)使可移動的冰厚檢測探針緊貼冰面，根據(jù)探針的位移量或停止位置檢測出冰的厚度，進而根據(jù)冰厚與盤管總長度計算出槽內(nèi)結(jié)冰總量。這種方法要求各個位置上的結(jié)冰均勻。3）電極型冰厚傳感器此方法與探針型冰厚傳感器測量原理相似，是一種利用結(jié)冰厚度來推定結(jié)冰量的方法。冰厚傳感器采用電極式，利用電極之間的電阻變化量來推測結(jié)冰厚度。此類傳感器又有兩種類型：①檢測到達預(yù)設(shè)厚度與時刻；②利用電極間電阻值的變化，連續(xù)檢測結(jié)冰厚度（電極垂直設(shè)置在冰盤管表面上）。一般而言，水中含有各種離子，具有一定的導(dǎo)電性能，與此相反，純凈的冰基本上可以視為絕緣體。故，冰層覆蓋電極表面后電極間的電阻值會增加，根據(jù)電阻值的大小計算出冰層厚度。由于水質(zhì)不同，其電阻值也不同，故在測量時，需在槽內(nèi)增設(shè)輔助電極，同時測量水的電阻值，以消除水質(zhì)不同對結(jié)冰厚度測量的影響。4）凝固點變化在水溶液凍結(jié)過程中，只有溶劑水凍結(jié)成冰，而溶質(zhì)的濃度隨著結(jié)冰量的增加而逐漸上升，由此導(dǎo)致溶液的凝固點逐漸下降。故利用溫度傳感器檢測溶液(原文中為“載冷劑”)溫度變化,并利用結(jié)冰率與溶液溫度的對應(yīng)關(guān)系來測量蓄冰率。由于只需測量溫度,故檢測裝置簡單。溶液溫度與IPF對應(yīng)關(guān)系的試驗結(jié)果，其最大測量誤差為2.5%。但這種方法只適用于冰水混合物停留在蓄冰槽內(nèi)的結(jié)冰過程。5）蓄冰槽內(nèi)電導(dǎo)率變化測量冰槽內(nèi)水的導(dǎo)電率，根據(jù)導(dǎo)電率的變化計算蓄冰率。由于在水溶液凍結(jié)過程中,只有水溶劑凍結(jié)成冰,而溶質(zhì)的濃度隨著結(jié)冰量的增加而逐漸上升，這種溶質(zhì)基本上都含有導(dǎo)電離子，溶質(zhì)濃度增加使其導(dǎo)電率也增加，根據(jù)導(dǎo)電率的增加則可計算出冰的增加量。導(dǎo)電率一般由導(dǎo)電度計（或?qū)щ娐视嫞﹣頊y定，故測量裝置簡單。這種方法也只適用于冰水混合物停留在蓄冰槽內(nèi)的結(jié)冰過程。6）導(dǎo)電度法測量電導(dǎo)率變化的方法之一是導(dǎo)電度法。電阻與電導(dǎo)呈倒數(shù)關(guān)系，利用測量電阻和電導(dǎo)構(gòu)成了電阻法和電導(dǎo)法，二者的實質(zhì)相同。利用水與冰的電導(dǎo)率不同，測量冰水混合物整體的導(dǎo)電率。兩種導(dǎo)電率不同物質(zhì)的混合物的導(dǎo)電率依賴于二者的混合比例。故，測量出混合物整體的導(dǎo)電率，則可判斷出冰、水的混合比例，這就是“導(dǎo)電度法”測量蓄冰率的原理。測量電阻需要將一對電極沉浸在冰水混合物中，并需要測量混合物整體的導(dǎo)電度。在測量貯冰槽整體的蓄冰率時，冰槽的兩邊需要同樣的電極。一般而言，水的導(dǎo)電率因水溫和水質(zhì)而異，故為了消除水質(zhì)變化對測量精度的影響，需增設(shè)輔助電極同時測量水的導(dǎo)電度。2.2輸送管內(nèi)IPF的測量測量冰水輸送管內(nèi)的蓄冰率時，必須考慮能實時連續(xù)測量、不受流速的影響、不受粒子性狀的影響、不能妨礙流動的進行，而且要求精度高、穩(wěn)定性與通用性好等各種因素。1）γ射線吸收法由于水與冰的密度已知，故可以利用冰水密度不同來判定混合物中的蓄冰率。密度的測量方法之一就是γ射線吸收法。γ射線是放射線的一種，它是一種波長極短的電磁波，具有很強的穿透能力。但γ射線穿透物質(zhì)時，將有部分γ射線被物質(zhì)吸收，其吸收量與物質(zhì)的密度呈比例關(guān)系，利用此原理測量物質(zhì)密度的儀器稱為γ射線密度計。γ射線光源有137Cs(銫)、241Am(镅)、60Co(鈷)等。I為γ射線穿透強度，I0為γ射線入射強度，則I=I0exp（-μｍρＤ）（1）式中，μｍ：質(zhì)量吸收系數(shù)；ρ：吸收物質(zhì)密度；Ｄ：穿透距離。當光源與配管尺寸確定后，(cm2/g)與已知，I與I0可以測量，故可以計算出管內(nèi)冰水混合物的密度(g/cm3)，進而可計算出管內(nèi)的蓄冰率。γ射線密度計為非接觸式，可以實現(xiàn)在線測量，但由于采用放射性光源，故管理比較麻煩。2）重量法作為直接測量管內(nèi)冰水密度的方法有利用U型管的重量法。將輸送管的一部分設(shè)計成水平的U型管，并通過兩個撓性接頭固定在管路上。在U型管的自由端設(shè)置負荷傳感器（Loadcell），用此來測量U型管的重量。也可以用直管代替U型管，這種方法的特點是測量精度高，但存在有測量設(shè)備龐大的缺陷。3）質(zhì)量法可以采用與重量法相似的裝置來測量冰水密度。將U型管用彈性體進行支撐，由電磁力施加振動力。因管內(nèi)流動的冰水混合物的固有頻率發(fā)生變化，故通過測量管內(nèi)固有頻率來判定混合物的密度，這是利用振動法測量密度的原理。利用此法可實現(xiàn)在線測量。此外，已經(jīng)開發(fā)出了利用作用在U型管上科里奧利（Coriolis）力同時測量質(zhì)量流量和管內(nèi)介質(zhì)的密度的流量計，如圖5.2所示。利用此流量計有可能作為冷熱輸送的熱量計使用，這是行業(yè)內(nèi)關(guān)心的課題。4）單管法冰水密度差決定了冰的浮升力，蓄冰率不同，其管內(nèi)壓力損失大小也不同。這種方法已經(jīng)應(yīng)用于雪水輸送管路內(nèi)雪濃度的測量，雪與冰的特性相同，故也可以應(yīng)用于冰水混合物輸送濃度的測量中。在垂直上升管內(nèi)，設(shè)雪水的兩相流動水力梯度為i(i=h/L)，相同流量的水的水力梯度為iw，并假定冰的混入對管壁摩擦力沒有影響，此時管內(nèi)蓄冰率C由（2）式給出：C=·（2）式中，Φ：附加壓力損失系數(shù)，與管徑和流量有關(guān)。研究表明，在管內(nèi)流速不是很大，蓄冰率在4%范圍以內(nèi)，可以準確測量。在實際測量中，垂直上升管的長度很難取得較長。5）超聲波法由發(fā)射器發(fā)出超聲波，經(jīng)粒子的散射、吸收而衰減，到達接收器時，其強度減小了。將超聲波發(fā)射器和吸收器分別設(shè)置在被測輸送管的兩側(cè)，測量發(fā)射器發(fā)出的超聲波到達接收器的聲壓級的衰減程度，判定有、無冰晶粒子通過，或冰晶粒子通過多少，從而確定蓄冰率的大小。這種方法對懸濁液的測定已進入實用化，對冰水混合物中的適應(yīng)性尚需進一步進行研究。6）超攪拌阻力法利用檢測插入管內(nèi)的回轉(zhuǎn)物體（圓環(huán)）的驅(qū)動力矩來測量雪水兩相流的蓄冰率。裝置利用法蘭連接在輸送管上，電機驅(qū)動回轉(zhuǎn)物體以一定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，測量所需驅(qū)動力矩，蓄冰率越高，驅(qū)動力矩越大，根據(jù)蓄冰率與驅(qū)動力矩的（實驗數(shù)據(jù)）關(guān)系，測量混合物中的蓄冰率。研究表明，驅(qū)動力矩受流速和雪（冰）性質(zhì)的影響很小，在蓄冰率為6%范圍以內(nèi)，可以準確測量。這種方法可直接應(yīng)用于冰水兩相流中蓄冰率的測量。7）導(dǎo)電度法有人提出了測量冰水混合物蓄冰率的導(dǎo)電度法技術(shù)方案，蓄冰率和冰水混合物電阻率之間的關(guān)系由試驗得出：f=（3）式中，f：蓄冰率ρ：冰水電阻率ρｗ：水的電阻率除需要擬合準確的試驗公式外，還需同時測量水與冰水混合物的電阻率，從而直接計算出蓄冰率，并且需要對保護（Guard）電極進行探討，以獲得良好的精度、穩(wěn)定性和通用性的測量方法。測量電阻時，在管內(nèi)壁面上相向設(shè)置一對電極。在測量管內(nèi)電阻時，冰水不僅在電極之間，而且上、下游處于開放狀態(tài)，此時在測試用電極的兩側(cè)增設(shè)保護（Guard）電極，有利于提高測量精度。8）靜電容量法與上述導(dǎo)電度法相似，冰水除具有不同的導(dǎo)電率外，還具有不同的誘電率?？梢酝ㄟ^測定誘電率來判定蓄冰率。在管路上設(shè)置測量電極的方法，這種用靜電容量法測量槽內(nèi)蓄冰率的方法正處于研究階段。2.3采樣法測量IPF采集試料（冰水混合物）測量蓄冰率不能實現(xiàn)在線測量和實時測量，但作為校驗其它測量方法精度是非常有用的。1）熱量法測量積雪中含水率現(xiàn)在普遍采用秋天谷式含水率計。測量溫水與（含雪）試料混合后的平均溫度，根據(jù)各質(zhì)量與溫度計算含水率。測量精度取決于質(zhì)量與溫度測量精度，由于是直接測量，故測量精度較高。此方法常作為其它測試方法的校正手段。2）離心脫水法對采樣的冰水混合物經(jīng)過濾、離心脫水處理后，測定冰的質(zhì)量。根據(jù)采用熱量