显热冷却和潜热相变必须分开计算，因为它们代表冻结脱盐过程中不同的能量需求。 显热冷却是在进料卤水温度降至冰点的过程中移除能量，而潜热移除则是提取将一部分液态水转化为固态冰所需的能量。这两项热负荷取决于不同的物料量，并且通常发生在不同的热阶段，因此将它们合并可能导致错误的冷却能力和换热器需求计算。
总制冷负荷是两个物理上不同的负荷之和： 将卤水冷却至冰点，以及冻结所需比例的水。分别处理这两项负荷，可以使中试装置的能量衡算具有可追溯性、规模确定更加准确，并且更易于控制。
为什么这两种热负荷不同
显热冷却改变相内温度
显热冷却是指在液态进料不发生相变的情况下，降低其温度所对应的焓降低。
对于进料流，冷却负荷通常估算为：
[ q_{\text{sensible}} = F C_p \Delta T ]
其中，(F) 为卤水质量流量，(C_p) 为定压热容，(\Delta T) 为从入口状态到冰点的温度降幅。
潜热冷却改变物相
当水在当前压力和卤水组成条件下，约于其冰点温度从液态变为固态时，潜热移除开始发生。
冻结负荷根据产冰速率估算：
[ q_{\text{latent}} = \dot{m}{\text{ice}} \Delta H{\text{fusion}} ]
对于水，熔化潜热约为：
[ \Delta H_{\text{fusion}} \approx 334 \text{ kJ/kg} ]
因此，相关质量应为冰的质量分数，而不是卤水总流量。
为什么这一点对中试装置很重要
两种热负荷采用不同的质量基准
显热冷却适用于正在被冷却的进料或卤水流。潜热冷却仅适用于实际冻结的那部分水。
如果在潜热计算中使用总进料流量，就会高估冻结负荷。如果在显热冷却计算中只使用冰流量，就会低估将全部进料冷却至冰点所需的能量。
两种热负荷发生在不同的热条件下
显热冷却发生在一定的温度范围内。潜热移除发生在相变过程中，此时温度近似恒定，但会受到压力和溶液效应的影响。
这种差异会影响换热器的温差驱动力、各级温度，以及制冷或传热设备的布置。
两种热负荷支持不同的设计决策
显热负荷有助于确定预冷进入卤水所需的设备能力。潜热负荷则决定生产目标冰分数所需的额外能力。
因此，一个中试装置可能需要分别估算预冷、成核或冻结，以及后续冰处理或分离所需的负荷。
正确建立能量衡算
从物料衡算开始
在计算潜热负荷之前，必须先确定产冰速率。产冰速率取决于进料流量、含水量和目标冻结分数。
物料衡算将运行目标（例如产冰量或盐浓度）与热负荷联系起来。
分别计算显热和潜热项
简化的总冷却需求可表示为：
[ q_{\text{total}} = q_{\text{sensible}} + q_{\text{latent}} ]
或：
[ q_{\text{total}} = F C_p (T_{\text{in}}-T_{\text{freeze}}) + \dot{m}{\text{ice}}\Delta H{\text{fusion}} ]
应保持符号定义一致。在制冷负荷计算中，两项通常都以必须移除的正热量表示。
在相关情况下加入其他能量项
严谨的中试装置能量衡算还可能包括漏热、泵功、搅拌器功率、相分离设备、物流焓变化以及瞬态能量积累。
显热加潜热的计算描述了核心热负荷，但它并不自动等同于完整的装置能量衡算。
理解其中的权衡
单一的合并热负荷估算可能掩盖错误
如果在相加两项负荷时不标明其来源，就很难核查所使用的流量、热容、温度范围和冰分数是否正确。
结果在数值上可能看似合理，但却将错误的负荷分配给冷却器、冻结器或换热器。
恒定物性可能只是一种近似
表达式 (F C_p \Delta T) 假设热容可以采用合适的常数。对于较大的温度范围或不断变化的卤水浓度，(C_p) 可能需要视为温度和组成的函数。
在这种情况下，应通过对热容随温度进行积分来计算显热项。
冻结条件并不等同于纯水条件
约 (334\ \text{kJ/kg}) 的熔化焓是一个有用的水基准值。卤水组成、冰的纯度、操作压力以及实际的相平衡路径，都可能影响有效冻结温度和详细的焓计算。
对于初步中试规模确定，该参考值可能已经足够；但对于放大或性能验证，最好采用实测焓值或基于物性模型的焓值。
动态运行需要瞬态衡算
在启动、停机、进料变化或制冷扰动期间，装置不一定处于稳态。设备中的热积累和冰库存变化可能变得十分重要。
可能需要建立动态衡算，以预测所需的冷却速率、控制响应以及随时间变化的最大制冷需求。
将其应用于中试装置
这种区分既适用于设计计算，也有助于诊断运行性能。预冷能力不足与冻结能力不足的原因和解决方法并不相同。
根据目标做出正确选择
- 如果你的主要目标是确定冷却能力规模： 根据全部卤水流量计算显热负荷，根据产冰速率计算潜热负荷，然后将两者与其他相关负荷相加。
- 如果你的主要目标是换热器设计： 将显热和潜热负荷分别分配到对应的温度阶段，因为它们的驱动力和运行条件不同。
- 如果你的主要目标是过程控制： 分别建立显热温度响应模型和潜热产冰响应模型，使控制动作能够区分温度变化与相变需求。
- 如果你的主要目标是放大： 验证物料衡算、冰分数、卤水物性、漏热和瞬态行为，而不是仅依赖单一的总热负荷数值。
将显热冷却与潜热相变分开，可以把冻结脱盐能量衡算转化为一个具有物理意义的基础，用于规模确定、控制和放大。
汇总表：
| 能量项 | 代表的内容 | 计算基准 | 对中试装置设计的影响 |
|---|---|---|---|
| 显热冷却 | 将全部卤水流冷却至冰点 | F × Cp × ΔT |
确定预冷设备和换热器的规模 |
| 潜热相变 | 冻结转化为冰的那部分水 | m_ice × ΔH_fusion |
确定冻结设备和制冷能力的规模 |
| 漏热和设备负荷 | 进入系统或被系统消耗的能量 | 根据设备进行具体估算 | 提高总负荷和放大计算的准确性 |
| 瞬态积累 | 启动、停机或运行变化期间储存的能量 | 动态能量衡算 | 支持控制系统和峰值能力设计 |
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