冰球式封裝蓄冰槽蓄冷過(guò)程理論分析及實(shí)驗(yàn)研究

王 瑾, 趙 凱, 王素英, 趙路平, 段文珊

(1.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093;2.中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院,鄭州 450000)

冰球式封裝蓄冰槽蓄冷過(guò)程理論分析及實(shí)驗(yàn)研究

王 瑾1, 趙 凱1, 王素英2, 趙路平1, 段文珊1

(1.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093;2.中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院,鄭州 450000)

通過(guò)對(duì)冰球式封裝蓄冰槽蓄冷時(shí)的傳熱過(guò)程進(jìn)行分析,建立了數(shù)值傳熱方程,對(duì)蓄冷過(guò)程進(jìn)行了理論計(jì)算,得到了蓄冰槽蓄冷過(guò)程中乙二醇溶液出口溫度及蓄冰球溫度的變化趨勢(shì).同時(shí),設(shè)計(jì)搭建了冰球式封裝蓄冷空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái),分析了冰球式蓄冷系統(tǒng)中蓄冰槽和蓄冰球的結(jié)構(gòu)與性能,對(duì)蓄冷過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,并將測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比分析,提出了優(yōu)化冰球式蓄冷系統(tǒng)的方法.

冰球式封裝蓄冰槽;傳熱計(jì)算;蓄冷過(guò)程;實(shí)驗(yàn)研究

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)以其“削峰填谷”的優(yōu)勢(shì),在國(guó)內(nèi)外日益得到高度重視和廣泛應(yīng)用[1].冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)分靜態(tài)與動(dòng)態(tài)制冰,靜態(tài)制冰中又以盤管式和冰球式為主,相對(duì)盤管式系統(tǒng),冰球式蓄冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、蓄冷量大、冰球外殼耐腐蝕、壽命長(zhǎng)、阻力小、故障率低、融冰速率快,亦能實(shí)現(xiàn)大溫差的低溫送風(fēng),適用于各種集中式空調(diào)系統(tǒng)[2-3],因此,掌握該蓄冷設(shè)備的蓄冷特性對(duì)于工程應(yīng)用非常重要.

本文設(shè)計(jì)搭建了一種冰球式封裝蓄冷系統(tǒng),通過(guò)對(duì)蓄冰槽內(nèi)的蓄冷過(guò)程進(jìn)行傳熱計(jì)算,得到了蓄冰槽蓄冷過(guò)程中乙二醇溶液及蓄冰球的溫度變化規(guī)律.根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論計(jì)算值的對(duì)比分析,提出了優(yōu)化冰球式蓄冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與傳熱的設(shè)計(jì)方法.

1 蓄冰槽蓄冷過(guò)程理論分析

1.1 蓄冷過(guò)程傳熱分析

蓄冰槽內(nèi)的蓄冷過(guò)程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的傳熱過(guò)程[4-5],主要包括載冷劑與冰球外部表面之間的對(duì)流換熱、冰球球殼的導(dǎo)熱、冰球內(nèi)固相冰層(液相水層)的導(dǎo)熱這3個(gè)部分.在蓄冷過(guò)程中,載冷劑從蓄冰槽底部流入,在冰球之間的縫隙通道內(nèi)流動(dòng),與冰球內(nèi)的水進(jìn)行熱交換,載冷劑不斷從冰球內(nèi)吸收熱量,溫度上升;同時(shí),冰球內(nèi)水溫隨著蓄冷時(shí)間的推移不斷下降,冰球內(nèi)的水逐漸結(jié)冰,冰層不斷加厚,整個(gè)過(guò)程的傳熱系數(shù)隨時(shí)間發(fā)生變化,因此,蓄冷是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的傳熱過(guò)程.

蓄冷過(guò)程分為3個(gè)階段:第一階段為冰球內(nèi)水的顯熱蓄冷階段,此時(shí),冷量以水的顯熱形式儲(chǔ)存,直至水溫下降到0℃;第二階段以冰的潛熱蓄冷為主,在此過(guò)程中,冰球內(nèi)水溫繼續(xù)下降,冰球內(nèi)開始結(jié)冰,過(guò)程如圖1所示,冰層首先從冰球下部形成,逐漸向內(nèi)向上移動(dòng),冰層逐漸變厚,熱阻增加,結(jié)冰速率愈來(lái)愈慢,最后在上部封頂;第三階段是冰球內(nèi)冰的顯熱蓄冷過(guò)程,此時(shí),冰球內(nèi)的水全部?jī)鼋Y(jié)成冰,溫度繼續(xù)下降,直至蓄冷結(jié)束.

圖1 冰球的結(jié)冰過(guò)程Fig.1 Freezing process of the ice ball

1.2 蓄冷過(guò)程傳熱計(jì)算

為了簡(jiǎn)化計(jì)算,假設(shè):a.蓄冷時(shí),冰球在蓄冰槽內(nèi)均勻分布,載冷劑在蓄冰槽內(nèi)自下而上均勻地掠過(guò)冰球,與冰球內(nèi)的水進(jìn)行熱交換;b.冰球內(nèi)充滿水,且冰球內(nèi)的水降至-2℃開始結(jié)冰;c.蓄冰槽保溫性能良好,與周圍環(huán)境之間不存在換熱.簡(jiǎn)化后的蓄冷單元體如圖2所示.

圖2 蓄冷單元體示意圖Fig.2 Schematic diagram of the storage unit

從圖2中可以看出,蓄冰槽進(jìn)、出口格柵之間分成n個(gè)蓄冷單元[6].在不考慮傳熱損失的情況下,蓄冷過(guò)程中乙二醇溶液的吸熱量應(yīng)等于冰球的蓄冷量.以第n層為研究對(duì)象,單位時(shí)間內(nèi)蓄冷單元體的能量變化等于乙二醇溶液與球內(nèi)水的熱交換量,即

式中,φi表示乙二醇與單個(gè)冰球換熱量,kW;ρ,c為乙二醇密度和比熱容,kg/m3,kJ/(kg·℃);q V為乙二醇流量,m3/s;Tn,Tn+1為乙二醇進(jìn)、出蓄冷單元體溫度,℃;T為蓄冷單元體進(jìn)、出口平均溫度;N表示每層冰球的個(gè)數(shù).

單個(gè)冰球的換熱量取決于蓄冷介質(zhì)的狀態(tài),冰球凝固過(guò)程分為水冷卻階段、成核階段、冰層生長(zhǎng)階段和冰降溫階段[7-10],凝固過(guò)程如圖3所示.S為固相蓄冷介質(zhì),L為液相蓄冷介質(zhì),re為冰球的外徑,ri為冰球的內(nèi)徑,rc,τ為冰層的半徑.

圖3 冰球內(nèi)的凝固過(guò)程Fig.3 Solidification process of the ice ball

式中,φL(t)表示水冷卻階段的換熱量,kW;ρL為冰球內(nèi)水的液相密度,kg/m3;cL為冰球內(nèi)水的比熱容,kJ/(kg·℃);Vn為冰球內(nèi)水的體積,m3;Rf為乙二醇與冰球外部表面之間的熱阻,m2·℃/kW; Renv為球殼的熱阻,m2·℃/kW;Tb為冰球內(nèi)水的溫度,℃;T(t)為乙二醇溶液的溫度,以單元體進(jìn)出口平均值計(jì),(Tn+1+Tn)/2.

b.成核階段.

現(xiàn)對(duì)不同階段冰球的換熱量進(jìn)行分析.

a.水冷卻階段.

在液態(tài)水冷卻階段,冰球的換熱以導(dǎo)熱和對(duì)流為主,單位時(shí)間內(nèi)的換熱量

當(dāng)冰球中的液態(tài)水冷卻到過(guò)冷溫度(-2℃)后,蓄冷進(jìn)入成核階段,冰晶在過(guò)冷水中逐漸形成和生長(zhǎng),形成冰晶后的水溫逐步回升到凝固溫度0℃.成核階段屬于亞穩(wěn)態(tài),一旦亞穩(wěn)態(tài)遭到破壞,冰層就開始在球的內(nèi)表面形成,并逐步向內(nèi)擴(kuò)展,直到rc,τ(t)=0,結(jié)冰過(guò)程完成.

成核完成時(shí)的凝固薄冰層半徑

式中,φc,τ(t)表示冰層生長(zhǎng)階段的換熱量,kW;TF為冰的凝固溫度,℃;Rc,τ(t)為固相冰層的熱阻, m2·℃/kW.

式(4)中的熱阻可分別按下式計(jì)算:

式中,ρS為冰球內(nèi)水的固相密度,kg/m3;LF為蓄冷介質(zhì)的凝固熱,kJ/kg;ΔT為水的過(guò)冷度,℃.

c.冰層生長(zhǎng)階段.

冰層的生長(zhǎng)階段以冰球內(nèi)的水開始結(jié)冰為起始時(shí)刻τ,直到結(jié)冰完成時(shí)刻tf,τ.載冷劑與冰球的換熱量

式中,h為乙二醇與冰球表面之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù), kW/(m2·℃);S為冰球的外表面積,m2;kp為球殼的導(dǎo)熱率,kW/(m·℃);ks為冰的導(dǎo)熱率, kW/(m·℃).

乙二醇與冰球表面間的傳熱系數(shù)h按下式確定:

式中,dp為冰球直徑,m;λf為乙二醇導(dǎo)熱系數(shù), W/(m·℃);Pr為乙二醇的普朗特?cái)?shù);Rep為乙二醇流經(jīng)冰球時(shí)的雷諾數(shù);v0為乙二醇的速度,m/s; υf為乙二醇的運(yùn)動(dòng)粘度,m2/s.

冰層半徑rc,τ(t)的計(jì)算公式為

當(dāng)t=τ時(shí),則有rc,τ(τ)=r0;當(dāng)t=tf,τ時(shí)(凝固過(guò)程完成),rc,τ(tf,τ)=0.tf,τ為冰球凝固完成時(shí)刻.利用式(3)～(8)就可確定φc,τ(t).

d.冰的降溫階段.

在冰的降溫階段,冰球內(nèi)的水已完全凝固,冰不斷釋放顯熱,該階段的換熱方式與水冷卻階段相似,因此,冰球的換熱量φS按式(2)計(jì)算,只需將ρL,φL替換為ρS,φS即可.

通過(guò)上述公式,根據(jù)各個(gè)階段τ和t值,則有φi=φL,φc,τ=φS,從而計(jì)算出蓄冰槽內(nèi)乙二醇溶液及冰球內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì).

2 蓄冰槽蓄冷過(guò)程實(shí)驗(yàn)研究

2.1 蓄冷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)蓄冷系統(tǒng)共分為3個(gè)回路,其原理圖如圖4所示(見下頁(yè)).紅色代表制冷機(jī)組的制冷循環(huán)回路,藍(lán)色代表蓄冰裝置乙二醇溶液的蓄冷、釋冷循環(huán)回路,黑色代表冷媒水循環(huán)回路.

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用雙工況制冷機(jī)組,設(shè)置兩套并聯(lián)膨脹閥,使機(jī)組能夠在空調(diào)或蓄冷工況下正常工作.空調(diào)工況制冷機(jī)的蒸發(fā)溫度為0℃,蓄冷工況制冷機(jī)的蒸發(fā)溫度為-10℃,既可向常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)提供7℃的冷媒水,也可為蓄冰槽提供-6℃的乙二醇溶液.蓄冷系統(tǒng)采用部分蓄冷的運(yùn)行模式,制冷機(jī)組和蓄冰槽串聯(lián),機(jī)組位于蓄冰槽上游,載冷劑先流經(jīng)制冷機(jī)組降溫后再流過(guò)蓄冰槽,其優(yōu)點(diǎn)是制冷機(jī)組的蒸發(fā)溫度較高,可提高機(jī)組的運(yùn)行效率.

2.2 蓄冰槽的設(shè)計(jì)

由于空調(diào)房間面積為120 m2,因此,該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一種小型冰蓄冷系統(tǒng).根據(jù)安裝位置的不同,蓄冰槽可選用臥式和立式兩種結(jié)構(gòu),為避免載冷劑流動(dòng)短路而引起換熱性能下降的現(xiàn)象,蓄冰槽選擇立式結(jié)構(gòu).由于受到房間層高的限制,蓄冰槽高度的設(shè)計(jì)首先要保證載冷劑能夠在蓄冰槽內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的換熱效果,綜合考慮房間的凈高、管道設(shè)備所占空間等因素,蓄冰槽有效高度設(shè)計(jì)為1.2 m,有效容積為0.96 m3.蓄冰槽的蓄冷量為40 kW·h,蓄冷時(shí)間為8 h,承擔(dān)約40%的空調(diào)負(fù)荷.

載冷劑采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的乙二醇溶液,其凝固溫度為-10.7℃[11].乙二醇溶液進(jìn)蓄冰槽的溫度需合理設(shè)計(jì).蓄冷溫度太高,不能達(dá)到冰球結(jié)冰時(shí)的過(guò)冷度.蓄冷溫度太低,一方面導(dǎo)致機(jī)組的蒸發(fā)溫度下降,制冷系數(shù)降低;另一方面是溫度過(guò)低,乙二醇接近凝固點(diǎn),不利于系統(tǒng)的正常運(yùn)行.綜合考慮乙二醇溶液進(jìn)蓄冰槽的最低溫度為-6℃,進(jìn)、出口溫差為2.5℃.

圖4 冰蓄冷系統(tǒng)原理圖Fig.4 Diagram of the ice storage system

2.3 蓄冰球的選擇

冰球選用美國(guó)CRYOGEL高密度聚乙烯材料蓄冰球,直徑約103 mm,壁厚2 mm,冰球表面設(shè)有16個(gè)凹坑,凹坑的直徑為25.4 mm.水結(jié)成冰時(shí)凹坑向外突出容納膨脹的量;冰融化時(shí),每個(gè)球又恢復(fù)到原來(lái)的形狀,冰球結(jié)冰前后的外形變化如圖5所示.冰球中幾乎不含空氣,有效換熱面積大,換熱效率高,單位立方米堆放體積的蓄冷量可達(dá)到62.6 kW·h.冰球中添加AgI膠體成核劑,降低了結(jié)冰過(guò)冷度,加快了結(jié)冰和融冰速度,提高了結(jié)冰的溫度.冰球均勻地?cái)[放在蓄冰槽內(nèi),共計(jì)1 000個(gè)冰球.

2.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器配置

蓄冰槽內(nèi)乙二醇溶液溫度采用T型熱電偶進(jìn)行測(cè)試,等級(jí)為I級(jí),偏差為±0.5℃,測(cè)溫范圍為-50～+50℃.蓄冰槽沿高度方向被分為5層,每層沿寬度方向均勻布置4個(gè)T型熱電偶.冰球內(nèi)溫度采用PT100鉑電阻進(jìn)行測(cè)試,精度等級(jí)為A級(jí),偏差為±0.1℃.鉑電阻探頭放入冰球中心處,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中共測(cè)試3個(gè)冰球的溫度變化,在距蓄冰槽底層1 m的位置,將被測(cè)試冰球沿寬度方向均勻放置.

乙二醇溶液流量采用渦街式流量傳感器進(jìn)行測(cè)試,精度等級(jí)為1.0級(jí),工作壓力小于等于1.6 MPa,溫度范圍為-40～150℃.

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集儀配合Labview數(shù)據(jù)采集程序進(jìn)行采集,將采集的數(shù)據(jù)輸入電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

圖5 單個(gè)與多個(gè)冰球結(jié)冰前后的外形變化Fig.5 Changes in shape before and after the freezing of single and multiple ice balls

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在乙二醇溶液初始溫度為20℃,流量為3.0 m3/h的情況下進(jìn)行蓄冷實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖6所示.

圖6 蓄冰槽內(nèi)各層乙二醇溶液溫度隨時(shí)間的變化Fig.6 Temperature changes with time of each layer glycol solution in the storage tank

從圖6可以看出,在蓄冷開始階段(前180 min左右),乙二醇溶液的溫度下降較快,冰球內(nèi)的水處于顯熱蓄冷階段.當(dāng)乙二醇溫度降至-4℃后,溫度下降速率開始變化緩慢,此時(shí)冰球內(nèi)的水進(jìn)入相變階段,結(jié)冰過(guò)程開始.當(dāng)冰球內(nèi)的水完全結(jié)冰時(shí)(480 min左右),乙二醇溶液的溫度又開始快速下降,冰球內(nèi)的冰處于顯熱蓄冷階段.最后溶液在蓄冰槽的進(jìn)、出口溫度基本趨于一致,蓄冷過(guò)程結(jié)束.

從圖7可以看出,在相同條件下,蓄冰槽出口實(shí)測(cè)溫度與計(jì)算溫度基本一致.在整個(gè)過(guò)程中,實(shí)測(cè)溫度比理論計(jì)算溫度略高,主要是由于蓄冰槽與周圍環(huán)境之間存在換熱以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量?jī)x器存在誤差所致.

從圖8可以看出,冰球溫度變化與乙二醇溫度變化趨勢(shì)相同.蓄冷過(guò)程進(jìn)行到180 min左右時(shí),冰球內(nèi)的水溫趨于過(guò)冷溫度,冰球內(nèi)的水開始在壁面處結(jié)冰,此時(shí)的蓄冷既有顯熱蓄冷也有潛熱蓄冷,當(dāng)全部水溫回升到0℃時(shí),冰球完全進(jìn)入相變階段.在相變階段,實(shí)測(cè)溫度與理論計(jì)算溫度的誤差在10%以內(nèi),存在誤差的主要原因是結(jié)冰時(shí)測(cè)點(diǎn)附近有水的存在,導(dǎo)致實(shí)測(cè)溫度比計(jì)算溫度略低.

圖7 蓄冰槽乙二醇溶液出口溫度隨時(shí)間的變化Fig.7 Outlet temperature changes with time of glycol solution in the storage tank

圖8 不同冰球內(nèi)水溫隨時(shí)間的變化Fig.8 Temperature changes with time of the ice ball

從圖9可以看出,顯熱階段(前180 min左右)由于乙二醇溶液溫度的快速下降,蒸發(fā)溫度下降趨勢(shì)也較大.潛熱蓄冷階段,由于水的相變溫度不變,導(dǎo)致乙二醇溶液溫度基本保持不變,蒸發(fā)溫度也基本不變,系統(tǒng)的運(yùn)行維持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài).蓄冷時(shí)間經(jīng)過(guò)480 min左右時(shí),蒸發(fā)溫度又開始下降,表明冰球內(nèi)的水完全結(jié)冰,蓄冷過(guò)程基本結(jié)束.

圖9 機(jī)組蒸發(fā)溫度隨時(shí)間的變化Fig.9 Evaporation temperature changes with time of the unit

3 結(jié) 論

a.針對(duì)冰球式封裝蓄冰槽的蓄冷過(guò)程進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究,通過(guò)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到了蓄冷過(guò)程中乙二醇溶液及冰球的溫度變化規(guī)律,理論計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合.

b.在蓄冷過(guò)程中,當(dāng)蓄冰槽載冷劑出口溫度趨于穩(wěn)定,并接近進(jìn)口溫度時(shí),說(shuō)明蓄冷過(guò)程結(jié)束,因此,可通過(guò)控制載冷劑出口溫度來(lái)調(diào)節(jié)蓄冷時(shí)制冷機(jī)組的運(yùn)行工況.

c.在蓄冷過(guò)程中,相變潛熱蓄冷量占整個(gè)蓄冷量的81%,因此,在蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇相變潛熱大的材料作為蓄冷介質(zhì),以減小蓄冷系統(tǒng)的體積.

d.冰蓄冷系統(tǒng)由于相變溫度低于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)供冷溫度,且蓄冷時(shí)存在較大的過(guò)冷度,使得制冷機(jī)組蒸發(fā)溫度降低,機(jī)組效率下降,耗電量增加,因此,蓄冷過(guò)程中可通過(guò)在冰球中添加成核劑減小水的過(guò)冷度的方法,提高機(jī)組效率,同時(shí)考慮采用低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng),達(dá)到提高整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)效率的目的.

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(編輯:石 瑛)

Theoretical Analysis and Experimental Study on Charging Process of Ice Hockey Style Packaged Storage Tank

WANGJin1, ZHAOKai1, WANGSuying2, ZHAOLuping1, DUANWenshan1
(1.School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China; 2.College of Information and Business,Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450000,China)

The charging process of ice hockey style packaged storage tank was analyzed and a numerical heat transfer equation was established,Through the theoretical calculation for charging process,the temperature changes of glycol solution and ice ball were obtained.A bench for the tests of hockey style storage air conditioning system was established,the structure and performance of the storage tank and ice ball were analyzed,and the experimental tests on charging process were carried out,The test results were compared with the theoretical calculation results,and the optimization of ice storage system were put forward.

ice hockey style packaged storage tank;heat transfer calculation;charging process;experimental study

TU 831.5

A

1007-6735(2015)03-0263-06

10.13255/j.cnki.jusst.2015.03.011

2014-05-09

上海市教委重點(diǎn)學(xué)科資助項(xiàng)目(J50502)

王 瑾(1955-),女,教授.研究方向:制冷空調(diào)工程研發(fā)與節(jié)能.E-mail:wjljh2003@163.com