新型立式封装版蓄冰设备的实验研究

新型立式封装版蓄冰设备的实验研究张欢俞洁天津大学环境学院天津[e-mail]摘要冰蓄冷空调技术是实现电网负荷“削峰填谷”的有效措施。本文根据热平衡原理改进了前期建立的立式封装板蓄冰设备蓄冷过程数学模型，考虑了冰板内蓄冷剂沿板长方向的导热，并采用托马斯算法对其进行了求解；并建立了蓄冰系统实验台，对所开发的立式封装板蓄冰设备进行了蓄冷性能实验测试，将实验测试结果与理论模拟结果进行了对比分析；对立式封装板蓄冰设备在不同进口载冷剂温度下的蓄冷性能进行了理论模拟分析。研究成果对继续改进新型立式封装板蓄冰设备具有较大的参考价值。关键词冰蓄冷立式封装板蓄冰设备蓄冷实验研究模拟０引言冰－水固液相变传热问题研究内容分为：导热控制、导热对流耦合控制和直接接触固液相变传热问题[1]。要研究立式封装板蓄冰槽的蓄冷特性，必须先从研究单一冰板的传热性能着手。单一冰板的蓄冷过程分为三个阶段：第一阶段为水的显热蓄冷阶段，该阶段由于水的温度降低而蓄存冷量；第二阶段为冰水潜热蓄冷阶段，该阶段主要由于水冻结成冰释放凝固潜热而蓄存冷量，但同时也会伴随有少量的由于冰温度降低而蓄存的冷量；第三阶段为冰的显热蓄冷阶段，该阶段由于冰的温度降低而蓄存冷量，直至最后冰的温度与板外载冷剂温度相同。前期建立的数学模型忽略了冰板内蓄冷介质沿载冷剂流动方向上的导热，仅考虑与载冷剂流向垂直方向上冰板与载冷剂之间的传热，并且未对蓄冰板划分网格进行计算，以致其计算精度不高。因此，本文在对新设计的蓄冰设备进行理论分析时，对蓄冰板进行了网格划分，考虑冰板内蓄冷介质沿载冷剂流动方向上的导热，改进了蓄冰设备蓄冷过程数学模型，并对其进行求解和实验验证。1立式封装板蓄冰设备数学模型1.1模型的简化载冷剂溶液在冰板之间的流道内流动，与板内的蓄冷介质进行热交换。为便于求解，将蓄冷过程作如下的简化：（1）忽略蓄冰槽的热损失；（2）忽略冰板板壁的蓄热；（3）忽略结冰过程和融冰过程中冰与水体积的变化；（4）冰板两侧传热对称，冰板厚度中心线及载冷剂流道中心线为绝热线；（5）由于蓄冷和释冷过程中温度变化范围不大，忽略载冷剂物性的变化；（6）沿冰板宽度方向上传热均匀，模型建立在冰板单位宽度上。1.2蓄冷过程数学模型将冰板沿载冷剂流向分成n个微元，同时考虑与冰板垂直方向及沿载冷剂流向的传热，根据热平衡理论改进数学模型。与冰板垂直方向上，冰板内介质与板外乙二醇溶液之间存在传热，而沿载冷剂流向，前后微元之间由于存在温度梯度，因此也有导热的存在。对于各个微元，取其中心节点温度代表其平均温度。在每一时间步长上利用传热方程及热平衡方程分别对每个微元进行计算，通过迭代可计算出冰板内各微元温度分布以及各时刻冰层厚度，计算得到的每一微元的温度作为下一微元传热计算的初始条件。同时，通过迭代还可计算出蓄冰槽内各通程载冷剂进出口温度分布情况。从而计算整个蓄冰槽的蓄冷率及蓄冷量。由于蓄冷过程分为水的显热蓄冷、冰水潜热蓄冷及冰的显热蓄冷三个阶段，因此分别对这三个阶段建立蓄冷数学模型，并进行模拟计算。蓄冷过程微元热平衡分析示意图如图1所示。冰板沿载冷剂流向分成n个微元，取其中任一微元作为控制体，其长度为Δl，相应的载冷剂微元体长度也为Δl。在载冷剂流经Δl长距离的时间步长内，冰板控制体与其前后微元及载冷剂微元之间存在热平衡。1.2.1水的显热蓄冷在水的显热蓄冷阶段，冰板内微元体全部是水，取其中心节点温度代表微元体平均温度。根据假设（1）、（2）可知，在该蓄冷阶段，对于j微元冰板内的水，由于其自身温度降低而释放的显热应等于其自身热量的减少，即等于j微元水传给j-1微元水的热量以及j微元水通过冰板壁传给j微元载冷剂的热量之和减去j+1微元水传给j微元水的热量；同时，对于j微元载冷剂，j微元水通过冰板壁传给其的热量应等于其自身热量的增加。即存在如下热量平衡方程：,,1,,,,1swaterijwallijwaterijqQQQ（1-1）,,,,wallijglycolijQQ（1-2）其中：sq—i-1至i时段，j微元水温度降低所放出的显热：,1,,,,,,waterijwaterijspwaterwaterijttqCm（1-3）图1蓄冷过程控制体能量平衡分析示意图Bbv冰板壁冰水乙二醇Qice,i,j+1Qice,i,j-1Qwall,i,jQglycol,i,j,outQglycol,i,j,in式中：,pwaterC为水的定压比热；,,waterijm为i时刻，j微元水的质量；,1,,,,waterijwaterijtt为i-1时刻及i时刻，j微元水的温度；为载冷剂流经微元体的时间；glycolv为蓄冰槽内载冷剂流速；water为水的密度；B为冰板厚度；,,1waterijQ、,,1waterijQ分别为i时刻，j微元水传给j-1微元水的热量，j+1微元水传给j微元水的热量；,,wallijQ为i-1至i时段，j微元水通过冰板壁传给j微元载冷剂的热量；,,glycolijQ—i-1至i时段，j微元载冷剂自身热量的增加。,,,,,,,,,1,,()glycolijpglycolglycolijglycolijoutglycolijinQCmtt（1-4）式中：,pglycolC为载冷剂（乙二醇）的定压比热；,,glycolijm为i时刻，j微元载冷剂的质量；glycol为载冷剂的密度；b为载冷剂流道宽度,1,,glycolijint为i-1时刻，载冷剂流经j微元时的进口温度；,,,glycolijoutt为i时刻，载冷剂流经j微元时的出口温度，亦即流入j+1微元的进口温度。1.2.2冰水潜热蓄冷在冰水潜热蓄冷阶段，微元体内为冰水混合物，在数学模型的建立中作如下进一步的假设：（1）取j微元冰层中心节点的温度代表冰层平均温度，且该过程中水温为0℃不变，凝固时固液界面温度维持0℃不变；（2）该过程中冰的显热由两部分组成：a．一部分为新生成的冰（简称新冰）的显热，即在时间内新凝固的,,iceijm质量的冰从凝固点0℃降低到固相区平均温度,,iceijt所释放的热量；b．一部分为原有的冰（简称旧冰）的显热，即固相区在时间内平均温度由,1,iceijt降低到,,iceijt所释放的热量。根据假设（1）、（2）可知，在该过程中，对于j微元冰层，其热量的减少应等于水冻结成冰释放的潜热与新冰和旧冰两部分的显热之和，同时也等于j微元冰层传给j-1微元冰层的热量与j微元冰层通过冰板壁传给载冷剂的热量之和减去j+1微元冰层传给j微元冰层的热量。即存在如下热量平衡方程：12,,1,,,,1vssiceijwallijiceijqqqQQQ（1-5）,,,,wallijglycolijQQ（1-6）其中：vq为i-1至i时段，j微元内水冻结成冰所释放的潜热：,,,1,iceijiceijvicemmqh（1-7）式中：iceh为水的凝固潜热；,1,iceijm,,iceijm分别为i-1，i时刻，j微元冰板内冰的质量;ice为冰的密度；,1,,,,iceijiceij为i-1及i时刻，j微元冰层的厚度。1sq为i-1至i时段，j微元内新冰所释放的显热：0,,1,,,,1,()iceijspiceiceijiceijttqCmm（1-8）式中：,piceC为冰的比热；0t为纯水的相变温度；,,iceijt为i时刻，j微元冰板内冰的温度。2sq为i-1至i时段，j微元内旧冰所释放的显热：,1,,,2,,1,iceijiceijspiceiceijttqCm（1-9）式中：,1,iceijt为i-1时刻，j微元冰板内冰的温度；,,1iceijQ为i时刻，j微元冰层传给j-1微元冰层的热量；,,1iceijQ为i时刻，j+1微元冰层传给j微元冰层的热量；,,wallijQ为i-1至i时段，j微元冰层通过冰板壁传给载冷剂的热量。,,glycolijQ同式（1-4）。此外，i时刻冰板内新冰与旧冰之间还存在如下热平衡：,,,1,0,,'',,iceijiceijiceijviceiceijmmttqhR（1-10）式中：'',,iceijR为i时刻，新冰与旧冰之间的导热热阻。1.2.3冰的显热蓄冷在冰的显热蓄冷阶段，冰板内微元体全部是冰，取其中心节点温度代表其平均温度，数学模型与水的显热蓄冷阶段相似，不再赘述。2蓄冷过程实验与理论计算结果对比分析蓄冷过程实验条件为：蓄冰槽进口载冷剂温度－6℃，但是由于实验条件所限，进口温度在－5℃～－7℃之间存在一定波动；蓄冰槽内载冷剂流量为1.66m3/h。蓄冷过程理论计算模拟条件为：蓄冰槽进口载冷剂温度恒定为－6℃，蓄冰槽内载冷剂流速为0.02m/s。2.1蓄冷剂温度由于蓄冰槽通程数较多，选取具有代表性的第一、三、四、六通程对其内的蓄冷剂温度变化趋势进行分析，如图2～图6所示。从图上可以看出，实验和理论模拟过程中蓄冷过程都分为三个明显的阶段，即水的显热蓄冷、冰水潜热蓄冷以及冰的显热蓄冷三个阶段。由图可以看出，实验过程中水的显热蓄冷阶段时间较短，约0.5小时左右，当水温降到0℃时并未马上开始结冰，而是存在一定的过冷度，但是可以看出过冷度很小，约为0.5～1℃。这是因为本次蓄冷并非冰板内水的第一次结冰，在这之前已经进行过多次结冰试验。因此可以充分说明，水的初始状态与结冰时的过冷度有很大关系，结过冰的水融化后再结冰就比较容易，过冷度小，这可以认为是刚融化了冰的水还保留有近乎冰的分子排序。如果水中还残留有未融尽的冰则过冷度更小甚至会消失，即所谓的冷指法[2]。从图上还可以看出，冰水潜热蓄冷阶段持续的时间较长，约5～6小时，且这一阶段内冰板内温度维持在0℃不变。由于实验中热电偶测点基本布置在冰板中心线上，而潜热蓄冷阶段冰板中心线附近蓄冷剂一直维持在水的状态，因此可以说明这一阶段内水的温度一直维持在0℃不变，这也和之前数学模型的假设相一致。另外，冰的显热蓄冷阶段时间较短，而且冰的温度下降也很快，最终和载冷剂温度基本相等。由图还可以看出，理论模拟过程的结果与实验结果非常吻合。需要说明的是，冰水潜热蓄冷阶段，理论模拟结果中冰板内蓄冷剂的温度虽然与实验结果吻合的较好，但是随着蓄冷过程的进行，板内温度由0℃开始存在一定的下降梯度，最低约为－1℃。这是因为理论模拟时，计算出的冰板内温度是板内冰层微元的温度，由于热流方向是由冰板中心线指向板外载冷剂，因此冰层的温度会低于板中心线上水的温度（0℃）。另外，由于潜热蓄冷的同时冰板内冰层也存在一定的显热蓄冷，因此其温度会随时间逐渐降低。图2蓄冷过程第一通程蓄冷剂温度-8-6-4-20246012345678蓄冰时间/h温度/℃实验值理论计算值-8-6-4-20246012345678蓄冰时间/h温度/℃实验值理论计算值图3蓄冷过程第三通程蓄冷剂温度-8-6-4-20246012345678蓄冰时间/h温度/℃实验值理论计算值-8-6-4-20246012345678蓄冰时间/h温度/℃实验值理论计算值2.2载冷剂温度蓄冷过程中蓄冰槽进口载冷剂的温度为其蓄冷温度。最低蓄冷温度是确定制冷机组、蓄冷设备和末端装置的决定因素之一。蓄冷温度越低则蓄冷速度越快，蓄冷时间越短。但是蓄冷温度越低则要求制冷主机的蒸发温度越低，不利于制冷机组的运行，机组的耗电量较高，效率较低。因此在实际的工程设计和系统运行过程中，应合理选择蓄冷温度。封装冰蓄冷系统的蓄冷温度与给定时间内蓄冰槽内的充冷速率和蓄冷状态参数密切相关。如要求在较短时间内容器结冰，就需要制冷机提供较低的载冷剂温度和较高的蓄冷速率。由于在充冷时冰板内冰的厚度在不断增加，热阻相应增加，则要求蓄冷温度不断降低才能保证在相同蓄冷速率下达到完全结冰。对于本文所开发的蓄冰设备，在给定的8小时蓄冰时间内蓄冰槽的蓄冷速率较为稳定，且能完全结冰。图6即实验中按蓄冷时间8小时，蓄冷速率恒定时所得到的蓄冰设