盤管式蓄冰槽盤管排列方式的傳熱特性

方沛明，宛 超，辛天龍

（1.廣東力優(yōu)環(huán)境系統(tǒng)股份有限公司，廣東 東莞 523917；2.中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

1 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展、城市規(guī)模的擴大和用電結(jié)構(gòu)的改變，城市以及地區(qū)電網(wǎng)晝夜電力負(fù)荷差值越來越大，高峰負(fù)荷呈現(xiàn)了明顯的快速增長趨勢。蓄冷技術(shù)就是在此背景下獲得了較大的發(fā)展[1～6]。蓄冷槽作為蓄冷系統(tǒng)中十分重要的部件，具有多種形式，內(nèi)融冰盤管式蓄冰槽是工程中應(yīng)用較多的一種形式。蓄冰槽的性能好壞直接關(guān)系到整個冰蓄冷系統(tǒng)的性能，蓄冰槽傳熱模型的建立是蓄冰槽傳熱性能研究的基礎(chǔ)，因此作者對蓄冰槽的傳熱過程進(jìn)行了模擬分析研究，以期有助于指導(dǎo)蓄冰槽的設(shè)計和運行控制的優(yōu)化。

2 模型建立

對蓄冰槽的換熱進(jìn)行理論研究，運用數(shù)值方法建立蓄冰槽的靜態(tài)和動態(tài)數(shù)學(xué)模型，研究蓄冷介質(zhì)的物性及流動條件、蓄冰槽的幾何尺寸對蓄冷釋冷過程的影響，掌握固-液界面的變化規(guī)律，對于系統(tǒng)運行性能的預(yù)測、控制方式的確定以及整個系統(tǒng)的優(yōu)化有著十分重要的意義[7,8]。

蓄冰槽的蓄冰、融冰過程屬于三維非穩(wěn)態(tài)過程，建立真正的三維非穩(wěn)態(tài)模型是十分困難的。建立的模型一般為單管模型或雙管模型，單管模型中假定每根盤管處于無限大空間，忽略相鄰盤管對換熱的影響；雙管模型比單管模型準(zhǔn)確一些，考慮了2根盤管的相互影響，在約束蓄冷階段考慮了冰層搭接對換熱的影響，在融冰階段考慮了水層搭接后對換熱的影響。而實際上，蓄冰槽中換熱盤管通常是叉排或順排的情況，單管或雙管模型均沒有充分考慮到相鄰盤管對換熱的影響。九管模型既能簡單而準(zhǔn)確地反映蓄冰槽的換熱實質(zhì)，又能為蓄冰槽的設(shè)計提供依據(jù)，所以作者建立模型時將盤管簡化為長直管，在模型中以順排的盤管束為基礎(chǔ)，建立了九管模型，如圖1所示。

圖1 蓄冰槽及U形盤管結(jié)構(gòu)布置示意圖

從分析可以看出，由于蓄冰槽中的傳熱過程非常復(fù)雜，在模型建立過程中必須作相應(yīng)的假設(shè)。這些假設(shè)如下：

1）在計算每一微元段的換熱時，把時間間隔取得較小，可以認(rèn)為此時的換熱是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程；2）忽略乙二醇溶液流動方向的傳熱，認(rèn)為傳熱僅發(fā)生在徑向；3）在計算傳熱時，認(rèn)為管外發(fā)生的是自然對流換熱，忽略自然對流對冰層或水層形狀的影響；4）忽略結(jié)冰或融冰過程中冰與水的體積變化，但在計算換熱時考慮不同狀態(tài)時的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、黏度等物性參數(shù)的變化；5）冰水界面恒定為0℃；6）忽略蓄冰槽的熱損失，即認(rèn)為槽體絕熱；7）在介質(zhì)各相中，物性參數(shù)均勻分布。

在建立的模型上采用ANSYS軟件計算溫度場的分布，可大致對模型的傳熱特性進(jìn)行分析，選取同一管徑，對4種不同的管間距以及順排和叉排的圓管管束進(jìn)行比較。相變材料為水，采用自動網(wǎng)格劃分，劃分精度為3，計算過程為瞬態(tài)計算，計算時間l0 000 s，時間步30 s，最小時間步30 s，最大時間步100 s；line search選項為On，初始溫度為5℃。計算結(jié)果用等值云圖來體現(xiàn)，溫度的高低對應(yīng)其下面的溫度顏色對應(yīng)條，非常直觀，計算結(jié)論與實際溫度場必然會有區(qū)別，但作者感興趣的是在相同邊界條件下，不同布管方式所體現(xiàn)出來傳熱特性，從而作出評價。

所建蓄冰槽幾何模型為170 mm×170 mm的正方形，圓管直徑為R，順排管間距為a，叉排管間距為b，a、b都有4種取值，分別為30 mm，35 mm，40 mm，45 mm。在用ANSYS模擬分析時，物性參數(shù)的設(shè)置0℃以上為水，0℃及0℃以下為冰。其物性參數(shù)設(shè)置如表1所列。

表1 物性參數(shù)表

3 蓄冰槽的性能模擬研究

蓄冰槽的性能比較復(fù)雜，影響因素較多，包括蓄冷介質(zhì)的初始溫度、載冷劑的溫度、管徑大小、管間距大小等，而這些影響因素之間往往又是相互耦合的。為了使研究更加簡單，在研究過程中，每次模擬采用固定其他變量，僅針對一個變量進(jìn)行研究。作者研究的重點是蓄冰槽的溫度場。

圖2 a=30 mm的等值云圖

圖3 a=35 mm的等值云圖

3.1 順排時不同管間距時的溫度場比較

U形管管束順排，管內(nèi)流動的為-5℃的乙二醇溶液，流速5 kg/s，在忽略管軸向傳熱的前提下可直接設(shè)定圓管邊界溫度為-5℃，U形管直徑為10 mm，U形管管間距分別為30 mm、35 mm、40 mm、45 mm。

圖4 a=40 mm的等值云圖

圖5 a=45 mm的等值云圖

模擬結(jié)果見圖2至圖5，由經(jīng)過相同時間10 000 s后的等值云圖可以看出，蓄冰槽內(nèi)間距越小，中心溫度越低，四周溫度越高，蓄冰槽溫度梯度越大；根據(jù)假設(shè)水在0℃即結(jié)冰，4種情況都存在冰橋搭接；管間距越小，冰橋搭接越早；根據(jù)假設(shè)搭接冰層無熱傳導(dǎo)，換熱面積減少則導(dǎo)致傳熱特性的下降。比較可得，管間距越大換熱效果越好，蓄冰槽整個溫度場分布越均勻。當(dāng)時間充分、蓄冰槽體積一定、U形管直徑和數(shù)量相同時，管間距越大，蓄冰量就越大。4種條件下，蓄冰槽內(nèi)的最低溫度都為-5℃，管間距最小時，它的最高溫度為-0.17℃，溫差達(dá)到約5℃；管間距最大時，最高溫度為-4.91℃，溫差幾乎可以忽略不計，其余2種情況介于最大與最小管間距之間。

3.2 叉排時不同管間距時的溫度場比較

U形管管束叉排，實驗外部條件同順排。見圖6至圖9，由經(jīng)過相同時間10 000 s后的等值云圖可以看出，模擬結(jié)果大體同順排相似。蓄冰槽內(nèi)間距越小，中心溫度越低，四周溫度越高，蓄冰槽溫度梯度越大；根據(jù)假設(shè)水在0℃即結(jié)冰，4種情況都存在冰橋搭接；管間距越小，冰橋搭接越早；根據(jù)假設(shè)搭接冰層無熱傳導(dǎo)，換熱面積減小則導(dǎo)致傳熱特性的下降。比較可得，管間距越大換熱效果越好，蓄冰槽整個溫度場分布越均勻。當(dāng)時間充分、蓄冰槽體積一定、U形管直徑和數(shù)量相同時，管間距越大蓄冰量就越大。4種條件下，蓄冰槽內(nèi)的最低溫度都為-5℃，管間距最小時，最高溫度為-0.06℃，溫差達(dá)到近5℃；管間距最大時，其最高溫度為-4.56℃；其余2種情況介于最大與最小管間距之間，溫度場的分布波動較大，隨著管間距的增大愈趨于均勻。

4 結(jié)論

通過模擬結(jié)果可以得出，盤管直徑的變化對蓄冷、放冷過程的影響并不大。產(chǎn)生這種結(jié)果主要因為盤管直徑較小時，需要的盤管數(shù)量幾乎不變，故換熱面積同樣不變，所以盤管直徑的變化對蓄冰槽的換熱性能影響不大。比較順排和叉排2種不同的結(jié)構(gòu)布置方式，可以看出：

1）蓄冰槽內(nèi)間距越小，中心溫度越低，四周溫度越高，蓄冰槽溫度梯度越大；

2）根據(jù)假設(shè)水在0℃即結(jié)冰，4種情況都存在冰橋搭接，且管間距越小，冰橋搭接越早；

3）管間距越大換熱效果越好，蓄冰槽整個溫度場分布越均勻；

4）當(dāng)時間充分、蓄冰槽體積一定、U形管直徑和數(shù)量相同時，管間距越大蓄冰量就越大；

5）順排時整個蓄冰槽內(nèi)溫度場分布呈對稱狀態(tài)，順排時蓄冰槽內(nèi)的溫度場分布更均勻。

總之，U形管順排一方面簡化了布置方式，同時滿足溫度場均勻的要求，所以采用順排的布置方式比叉排更有利于蓄冰槽的性能改進(jìn)。選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)及排列方式的蓄冰槽才能使蓄冷系統(tǒng)真正達(dá)到高效運行的目的。

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