容器高寬比對換熱管周圍的凍結(jié)特性影響研究*

王強勝,孔春輝,李建雄,王任遠

(河南工學(xué)院 機械工程學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

能源晝夜供需存在著嚴(yán)重不平衡問題,不斷尋求新的儲能技術(shù)是實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的必由之路。相變蓄冷技術(shù)可利用相變物質(zhì)溶化、凝固過程中的潛熱變化,在夜間電力低谷時段制冰,白天用電高峰期通過融冰供冷,是一種具有重要的社會和經(jīng)濟雙重效益的供冷新技術(shù)[1-2]。相變蓄冷技術(shù)一方面可降低冷水機組在電力高峰期的供冷壓力,有效實現(xiàn)電力“移峰填谷”,另一方面,通過管理空調(diào)的蓄冰和融冰時間,可以有效節(jié)約系統(tǒng)運行費用[3]。有關(guān)冰蓄冷的儲冷機理,很多學(xué)者已經(jīng)展開了相關(guān)的實驗或者數(shù)值模擬研究。白青松等[4]通過搭建固液相變可視化測量系統(tǒng),對方腔中內(nèi)嵌通孔金屬泡沫的蓄冰過程開展了實驗研究,發(fā)現(xiàn)未凝固相局部自然對流導(dǎo)致凝固相界面發(fā)生傾斜,呈現(xiàn)下部略快于上部的凝固界面。Anisr等[5]通過實驗研究了不同相變材料的凝固行為和融化特征。陳晨等[6]采用焓-多孔度法追蹤固液相界面,分析了蓄冷腔體尺寸和幾何形狀對凝固時間和相界面演化的影響。Hirose等[7-8]對水平放置的橢圓形換熱管內(nèi)的相變物質(zhì)熔化過程和規(guī)律進行了實驗研究,并采用單域模型和邊界固定法對圓形換熱管周圍水的凍結(jié)特性進行了數(shù)值分析,得出了浸入水中的橢圓形換熱管內(nèi)以及圓形換熱管周圍的相變物質(zhì)流動規(guī)律和傳熱特征。王強勝等[9-10]通過搭建小型相變儲能平臺,用實驗和數(shù)值模擬分析了多管換熱器周圍水的凍結(jié)特性以及換熱管間固相物質(zhì)的橋接時間預(yù)測方法,初步得出了換熱器管型和橋接現(xiàn)象對儲能效率的影響規(guī)律。

在靜態(tài)型冰蓄冷系統(tǒng)中,隨著換熱管周圍凝固過程的進行,傳熱熱阻增大,降低冰的凝固效率,從而造成整個系統(tǒng)蓄冷效率降低,因此,研究不同條件下蓄冷槽內(nèi)冰的生長特性和變化規(guī)律對提高蓄冷效率顯得十分重要。本文在已有研究的基礎(chǔ)上,通過實驗分析了容器高寬比、初始水溫和換熱管空間分布等因素對冰蓄冷系統(tǒng)制冰效率的影響規(guī)律。

1 實驗裝置和實驗方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置主要由實驗部、恒溫液體循環(huán)裝置、圖像采集相機、溫度采集系統(tǒng)以及信息綜合處理系統(tǒng)等構(gòu)成,整個裝置如圖1所示。實驗部由橢圓形換熱管和固定換熱管的丙烯板以及螺栓等構(gòu)成,圖中黑點部分為本實驗中的測溫?zé)犭娕挤植?如圖2所示。研究表明,使用橢圓形換熱管可以影響凍結(jié)過程中的自然對流情況,為了研究換熱管形狀的影響規(guī)律,本文將直徑40.0mm,壁厚2.0mm的銅管壓至橢圓率為0.9的橢圓換熱管。

1.實驗水槽2.換熱管3.冷媒4.恒溫液體循環(huán)系統(tǒng)5.圖像采集相機 6.熱電偶7.溫度采集系統(tǒng)8.信息綜合處理系統(tǒng)圖1 實驗裝置示意圖

圖2 實驗部詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 實驗方法

本文分析了容器高寬比、初始水溫和換熱管空間分布等因素對冰蓄冷系統(tǒng)中制冰效率的影響規(guī)律。特別的,為了分析重力因素對自然對流的影響,比較了橢圓換熱管縱向型配置與橫向型配置條件下,換熱管周圍冰的生成行為特性差異。文中,橢圓管的長軸方向與重力方向相同時稱為縱向型配置,橢圓管的長軸方向為水平方向時稱為橫向型配置。換熱管內(nèi)循環(huán)有保持一定溫度的35%體積濃度的環(huán)丙烯醇水溶液,用以控制換熱管壁面溫度。實驗部整體浸沒在裝滿水的水槽里進行沉入實驗,水槽高270mm,寬250mm,沿?fù)Q熱管軸向長235mm。為了防止實驗過程中外界環(huán)境與實驗部熱交換所產(chǎn)生的影響,實驗過程中用絕熱材料覆蓋了除可視化端面以外的所有部分。

為了驗證容器高寬比對換熱管周圍凍結(jié)行為特征的影響,本文準(zhǔn)備了3種體積相同但正向橫截面積不同的儲能容器,具體參數(shù)設(shè)置如圖3所示。容器內(nèi)的正向橫截面積均固定為0.026m2。

(a)模型1 (b) 模型2 (c) 模型3圖3 儲能容器高寬比示意圖

表1所示容器的高寬比定義為容器高度除以容器寬度。采用內(nèi)徑0.2mm的T型熱電偶,分別測量了上管和下管周圍的水溫。另外,從換熱管正面可以采集到凝固界面形狀隨時間的變化規(guī)律。實驗條件設(shè)置如表1和表2所示。由于水具有在4℃時密度最大的特性,為了分析水的密度反轉(zhuǎn)特性對換熱管周圍冰的生成特性影響,本文設(shè)置了4℃和7℃兩種初始水溫,在初始水溫為7℃時,水的冷卻過程中密度會先增大后減小。

表1 不同高寬比容器設(shè)置參數(shù)表

表2 初始水溫和換熱管配置組合表

1.3 評價方法

本文實驗結(jié)果主要以換熱管周圍凍結(jié)開始3小時內(nèi)的冰的生成量為評價指標(biāo)。通過圖像采集系統(tǒng)獲取實驗過程中的凍結(jié)界面隨時間的變化情況。用圖像處理軟件抓取通過貝賽爾曲線連接的近似閉環(huán)曲線為凍結(jié)界面,本文定義凍結(jié)界面形狀的凝固率ζ由公式(1)給出。

ζ=As/Ac

(1)

其中,Ac為換熱管面積/[m2],As為冰的面積/[m2]。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 容器高寬比影響

本小節(jié)所有實驗結(jié)果若非特殊說明均在實驗條件1下得出。圖4為各高寬比容器凍結(jié)開始后120分鐘時容器內(nèi)的凍結(jié)界面圖像。由圖可知,在高寬比較小的容器中,下部換熱管和容器下部壁面之間生成的冰較薄,原因為水的密度變化。由于初始水溫為4℃且水在4℃時密度最大,隨著冷卻過程的進行,被冷卻的水的密度變小,容器內(nèi)產(chǎn)生向上的浮力,結(jié)果溫度較低的冷卻水在自然對流的影響下被帶到容器的上部,而沒有被冷卻的4℃的水則滯留在容器下部。此時,在高寬比較小的容器內(nèi),密度最大的4℃水層積累到下部換熱管的周圍,結(jié)果抑制了下部換熱管周圍的自然對流,導(dǎo)致下部換熱管周圍凍結(jié)率較低。

(a) 模型1 (b) 模型2 (c) 模型3圖4 實驗條件1,各高寬比容器120分鐘時換熱管表面凍結(jié)圖像

另外,在高寬比較小的情況下,上部換熱管周圍生成的冰與附近的壁面接觸,導(dǎo)致上部換熱管周圍冰的生長受到阻礙。因此,為了提高系統(tǒng)的冰蓄冷效率,收納換熱管的儲能容器最好使用高寬比較大的容器。

圖5為各高寬比容器的整體凝固率?？梢钥闯鱿嗤瑫r間內(nèi)高寬比較大的容器的凝固率較高。這是因為水的密度變化引起的向上浮力產(chǎn)生了上升冷流,在高寬比大的情況下,上升冷流加速,從而加速了冰的生成。

圖5 實驗條件1,各高寬比容器的整體凝固率

圖6為上換熱管和下?lián)Q熱管各自的凝固率隨時間的變化關(guān)系。當(dāng)容器的高寬比較小時,凝固率降低,特別是下部換熱管,凍結(jié)開始60分鐘前凍結(jié)率幾乎為零。

圖6 實驗條件1,上部換熱管和下部換熱管各自的凝固率

2.2 換熱管管型配置影響

本小節(jié)所有實驗結(jié)果若非特殊說明均在實驗條件2下得出。圖7為各高寬比容器凍結(jié)開始后120分鐘時容器內(nèi)的凍結(jié)界面圖。換熱管橫向配置時,在所有容器中,均發(fā)生了即使上部換熱管周圍的水溫達到凝固溫度時而無法凝固的過冷現(xiàn)象。結(jié)合圖8可發(fā)現(xiàn),在一段時間內(nèi),過冷現(xiàn)象解除的同時,凝固率隨時間變化的斜率增加了。這是因為換熱管橫向配置時,由密度變化引起的水的浮力產(chǎn)生的上升冷流離開上部換熱管,滯留在容器上方引起的。同時也可推測該種設(shè)置條件容易引起過冷現(xiàn)象的發(fā)生。

(a)模型1 (b) 模型2 (c) 模型3圖7 實驗條件2,各高寬比容器120分鐘時換熱管表面凍結(jié)圖像

圖8為換熱管不同管型配置時的凝固率。由圖可知,無論橢圓形換熱管橫向型配置還是縱向型配置,高寬比較大時的凝固率較高。橫向型配置換熱管與縱向型配置換熱管相比凝固率低,原因為換熱管橫向型配置時阻礙了上升冷流,引起上部換熱管上方的自然對流停滯,上部換熱管周圍的冷卻過程變慢。

圖8 實驗條件2,換熱管不同管型配置時的凝固率

圖9為過冷現(xiàn)象發(fā)生時的圖像。過冷發(fā)生時,如圖所示的片狀薄冰生成于上部換熱管和容器上壁面之間。這是因為上部換熱管周圍的自然對流停滯,冷卻過程緩慢,容易產(chǎn)生過冷條件。

圖9 過冷現(xiàn)象

2.3 初始水溫影響

圖10為實驗條件3,各高寬比容器凍結(jié)開始后120分鐘時容器內(nèi)的凍結(jié)界面圖。整體趨勢表明,與初始水溫4℃的情況相比,初始水溫7℃時實驗初期的凝固率較低。觀察各實驗條件下的凍結(jié)率隨時間的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn),不管初始水溫條件如何,在容器高寬比較大的條件下,冰凝固率較高,即該條件下冰的生成效率比其他形狀容器的要高。

(a) 模型1 (b) 模型2 (c) 模型3圖10 實驗條件3,各高寬比容器120分鐘時換熱管表面凍結(jié)圖像

圖11為初始水溫不同時各高寬比容器的凝固率。與4℃的情況相比,初始水溫為7℃時的凝固率較低,這是因為初始水溫為7℃時需要首先冷卻降低整個容器的水溫,導(dǎo)致整個凝固過程開始時間推遲。但是,由于凝固過程開始后凝固率的斜率沒有變化,所以在初始水溫變化的情況下,對各高寬比容器條件下凝固率的時間變化率沒有顯著影響,即初始水溫變化僅影響凍結(jié)開始的時間,而對凝固效率幾乎沒有影響。

圖11 初始水溫與凝固率關(guān)系圖

3 結(jié)論

為了研究換熱管周圍冰的凍結(jié)特性和影響因素,采用實驗方法將圓形換熱管壓制成了橢圓形換熱管,并在實驗過程中改變了水的初始溫度,換熱管管型配置以及容器的高寬比,分析了不同條件下?lián)Q熱管周圍冰的生長特性和規(guī)律。研究結(jié)果表明:

(1)在容器高寬比較大的情況下,冰的生成效率較高;設(shè)計冰蓄冷系統(tǒng)時應(yīng)使下部換熱管與密度最大的4℃水層充分分離。

(2)上部換熱管和壁面接近且換熱管為橫向型配置時,容易發(fā)生過冷現(xiàn)象。

(3)初始水溫高于4℃時產(chǎn)生的水的密度反轉(zhuǎn)現(xiàn)象對凝固率的時間變化率沒有顯著影響。