沉浸式蒸發(fā)盤管蓄冰機(jī)理分析及仿真

高松濤 王 芳 陳 曦 葉 超 胡紅松

1 引言

隨著中國城鎮(zhèn)用電量的增加，電力峰谷差不斷擴(kuò)大，而空調(diào)耗電是造成電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差的重要因素之一。蓄冷技術(shù)就是為了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷削峰平谷而發(fā)展起來的一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)。管外蓄冰是蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中常用的一種蓄冰形式，即把冰直接凍結(jié)在蒸發(fā)盤管外，通過管內(nèi)或管外融冰方式獲取冷量以備高峰負(fù)荷之用。

目前針對直接蒸發(fā)式冰蓄冷系統(tǒng)，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了一定程度的實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬研究。Lee構(gòu)建了冰盤管的模型，給出了蓄冰過程和融冰過程的特性，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證［1］。Zhu等建立了基于柱坐標(biāo)的水平盤管蓄冷和釋冷過程的數(shù)學(xué)模型［2］，得到了蓄冷速度和釋冷速度的相關(guān)特性曲線，并且利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，二者基本吻合。季杰等人［3］探討了并聯(lián)冰盤管蓄冷裝置的設(shè)計方法、制冰及融冰特性，建立了數(shù)學(xué)模型，得出冰層厚度增長導(dǎo)致熱阻增大，使得制冰后期結(jié)冰緩慢的結(jié)論。杜艷利，李俊梅等建立了水平冰盤管蓄冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器和蓄冰槽的數(shù)學(xué)模型［4］，得出隨著蓄冰過程的進(jìn)行，由于冰層厚度的增加，系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力逐漸降低，導(dǎo)致機(jī)組COP降低，系統(tǒng)性能惡化。

日本學(xué)者山羽基從蓄冰槽內(nèi)水溫分布特性方面就盤管配置，蓄冷槽下部有無攪拌等因素影響對外融冰蓄冷方式進(jìn)行了較為深入的研究［5］。研究發(fā)現(xiàn)，有攪拌時蓄冰槽內(nèi)水溫分布比較均勻，開始結(jié)冰時間比無攪拌時要晚一些，而且總的結(jié)冰時間短，管外結(jié)冰均勻且蓄冷量大。Stewart通過實(shí)驗(yàn)研究，針對直接蒸發(fā)式靜態(tài)管外蓄冰裝置，提出與制冷系統(tǒng)熱力性能有關(guān)的預(yù)測管外冰層厚度計算式［6］。以上這些蒸發(fā)式冰蓄研究主要針對較大容量冷水機(jī)組配供低溫水的中央空調(diào)場合，而對小型或單元式空調(diào)蓄能機(jī)組應(yīng)用研究中國國內(nèi)還很少，這種機(jī)組可以夜間蓄冰白天釋冷，通過增大制冷循環(huán)的過冷度，提高機(jī)組的能效及供冷量。

本文從沉浸式蓄冰盤管蓄冰過程討論出發(fā)，分析冰的形成機(jī)理，并應(yīng)用流體Fluent軟件對蓄冰槽的蓄冷過程進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)仿真結(jié)果改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，對小型熱泵蓄能機(jī)組的應(yīng)用研究提供數(shù)據(jù)參考。圖1為管外蓄冰實(shí)驗(yàn)裝置工作流程圖。

圖1 管外蓄冰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2 蒸發(fā)盤管冰的形成機(jī)理

蒸發(fā)盤管管外蓄冰的形成包括2個部分:結(jié)晶過程和結(jié)冰過程。

2.1 結(jié)晶機(jī)理

結(jié)晶的速度取決于晶核的生成速率和晶體的長大速度。水結(jié)成冰的過程也是相變的過程。相變的產(chǎn)生是因?yàn)榕c相變后的最終狀態(tài)相比，相變前的體系初始狀態(tài)處于較高的能量狀態(tài)，稱為熱力學(xué)不穩(wěn)定態(tài)。當(dāng)體系從較高能態(tài)的初始相向能量較低的相態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變時，就產(chǎn)生了相變。結(jié)晶過程有以下幾步。

2.1.1 誘發(fā)階段

在誘發(fā)階段，晶核形成并逐漸生長至穩(wěn)定臨界尺寸以上。液體在冷卻到結(jié)晶的過程中，就已經(jīng)開始向晶體狀態(tài)發(fā)生逐漸的過渡，即隨時都在不斷地產(chǎn)生許多類似晶體中原子排列的小集團(tuán)。其特點(diǎn)是不僅尺寸較小，大小不一，而且極不穩(wěn)定，時聚時散;溫度越低，尺寸越大，存在的時間越久。這種不穩(wěn)定的原子排列小集團(tuán)，便是隨后產(chǎn)生晶核的來源。當(dāng)液體被過冷至結(jié)晶溫度以下時，某些具有較大尺寸因此比較穩(wěn)定的晶胚便具有條件進(jìn)一步成長。

成核方式包括兩種:一種為均相成核，是指在不存在預(yù)先形成的晶核或異物面的情況下預(yù)先形成的晶核，它們在化學(xué)組成上與結(jié)晶中的相變材料是一樣的;一種為異相成核，是指相變材料在異物(如塵粒，催化劑等)上生長出晶核，這種方式可以降低晶體增長所需的晶核尺寸，提高成核速率［7］。

2.1.2 晶體生長階段

在晶體生長階段，晶核周圍的相變材料通過擴(kuò)散在晶核表面吸附，且按晶體優(yōu)先生長取向遷移、生長成具有一定幾何形狀的晶體［8］。在晶核開始成長的初期，因其內(nèi)部原子規(guī)則排列，其外形也大多是比較規(guī)則的。但隨著晶核的成長，晶體棱角的形成，棱角處的散熱條件優(yōu)于其他部位，因而便得到優(yōu)先成長，最后再把晶閘填滿。此種成長方式叫枝晶成長。且過冷度愈大，枝晶成長的特點(diǎn)便愈明顯。

2.1.3 晶體再生階段

在晶體再生階段，雖然相變材料已經(jīng)完全凝固，晶體內(nèi)部仍有相對運(yùn)動，晶體形狀、大小仍會改變。

2.2 結(jié)冰機(jī)理

對于管外結(jié)冰過程，由于管外冰層的不斷加厚，而且管內(nèi)制冷劑沿程不斷地從管外吸收熱量，管內(nèi)的制冷劑的干度和溫度不斷地在發(fā)生變化，導(dǎo)致傳熱系數(shù)不斷的變化。冰和水之間有一個固-液相分界面，而這個相界面的位置隨時間發(fā)生變化，即固液兩相的邊界是不停移動的。移動邊界的特性造成蒸發(fā)盤管和蓄冰槽中傳熱過程的非穩(wěn)態(tài)化，也使得直接蒸發(fā)蓄冰過程具有復(fù)雜性的特點(diǎn)，在數(shù)學(xué)上是一個強(qiáng)非線性問題，解的疊加原理不能使用［9］。蓄冰槽內(nèi)水的結(jié)冰過程可分為4個階段［10］，如圖2所示。

圖2 蓄冰槽內(nèi)水的結(jié)冰過程Fig.2 Freezing process of ice storage in water tank

由圖2可以看出:(1)在蓄冷初期為顯熱降溫階段，槽內(nèi)水溫在冰點(diǎn)以上，如圖2a所示;(2)當(dāng)槽內(nèi)水溫降至過冷溫度后，盤管外開始結(jié)冰，冰以近似同心圓筒的形狀向外增長，處于非受限結(jié)冰階段，如圖2b所示;(3)當(dāng)冰層厚度增長到開始搭接時，換熱情況開始惡化，進(jìn)入受限結(jié)冰階段，如圖2c所示;(4)在蓄冰槽內(nèi)的冰結(jié)成一整塊后，蓄冰進(jìn)入冰的純顯熱降溫過程，溫度下降，冰量不再增加，如圖2d所示。

3 蓄冰槽內(nèi)靜態(tài)蓄冰過程仿真

3.1 蒸發(fā)盤管槽內(nèi)靜態(tài)蓄冰假設(shè)

在模擬計算之前首先要建立蓄冰槽模型，本模型包括蓄冰盤管和蓄冰槽。其中，蓄冰槽取一定蓄水量時其尺寸大小，根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置搭建前的設(shè)計，設(shè)為35 cm×25 cm×20 cm，蓄冰管外徑為12 mm，管間距38 mm。蓄冰槽理論模型如圖3所示。

圖3 蓄冰槽理論模型Fig.3 Theoretical model of ice storage tank

由于受計算速度限制，本模擬過程只取蓄冰盤管模型中間一個截面，對無外加擾動的自然對流相變蓄冰過程進(jìn)行模擬。因自然對流速度很微弱，而Fluent對相變過程的模擬不完善，故在模擬過程中只對能量傳遞過程進(jìn)行計算，忽略對速度的考慮。設(shè)初始水溫設(shè)為5℃，模擬過程為瞬態(tài)過程，蓄冰盤管內(nèi)溫度與水溫都在變化，溫差近似不變。

換熱過程設(shè)熱流密度為定值，模擬自然對流，模擬過程由溫度場圖和液固比分布圖來分析蓄冰槽中傳熱和相變情況。其中溫度場圖由紅到藍(lán)表示溫度由高到低。液固比是指液體與固體的質(zhì)量之比，液固比圖由紅到藍(lán)表示液固比由高到低，所以可以表示某點(diǎn)結(jié)冰質(zhì)量情況。模擬結(jié)果如圖4所示。

3.2 蓄冰過程仿真結(jié)果

由模擬計算圖4、圖5可知:

(1)當(dāng)在蓄冰處于完全自由結(jié)冰階段，各管之間溫度場的互相干擾也很少，冰呈近似同心圓筒狀向外增長，所以此時盤管外不論橫向還是縱向，結(jié)冰速度快，如圖4a，圖4b中所示的縱向溫度場分布，圖5a，圖5b縱向溫度干擾階段和受限階段液固比分布。

(2)隨后，盤管上下管之間溫度場開始有重疊，使得管間水溫下降更快，促進(jìn)冰的凝結(jié)。如圖4c，圖4d，圖4e縱向結(jié)冰受限階段時，上下管結(jié)冰開始搭接，結(jié)成整塊，縱向結(jié)冰受限，結(jié)冰緩慢，結(jié)冰主要方向開始轉(zhuǎn)向橫向。橫向管間水溫下降較快;所以在結(jié)冰過程中，管外結(jié)冰形狀為近似橢圓，并且橫向開始搭接，橫向和縱向結(jié)冰都開始受限，此時傳熱性能開始惡化，見圖4f所示完全受限結(jié)冰階段溫度場分布，圖5c，圖5d所示橫向結(jié)冰受限階段和完全受限階段液固比分布。

3.3 蓄冰方式的改進(jìn)設(shè)計

在蓄冰的初始階段，冰層厚度的增長較快，隨著冰層厚度的加大，其增長速率也變慢了，這是由于冰層厚度的增加導(dǎo)致熱阻增大，傳熱效率降低。所以，結(jié)合蓄冰槽和蓄冰盤管的初步設(shè)計與靜態(tài)仿真計算結(jié)果看，為減少換熱過程中能量傳遞的不可逆損失，提高制冷系統(tǒng)效率和蓄冰盤管的傳熱性能，需采取強(qiáng)化換熱措施。本研究采用沉浸式蒸發(fā)盤管加間歇擾動模式來強(qiáng)化換熱，以適應(yīng)負(fù)荷變化的需要，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測試更接近機(jī)組的應(yīng)用研究。圖6為盤管外冰層生長實(shí)物圖。

圖4 管外結(jié)冰各階段溫度場分布Fig.4 Various ice freezing stages outside tube for temperature distribution

在實(shí)際蓄冷系統(tǒng)中可采用水泵循環(huán)水的流動來增加管外水的擾動，提高水側(cè)換熱系數(shù)。蓄冰過程初期由于冰層很薄，冰層熱阻很小，蓄冷速率較大，以靜態(tài)蓄冰為主;隨著時間延長，蓄冰速率逐漸降低，主要隨著結(jié)冰厚度的增大，傳熱熱阻也隨之增大，導(dǎo)致傳熱惡化。所以，蓄冰時間并非越長越好，應(yīng)綜合考慮整個系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，在一定時間內(nèi)停止蓄冰。實(shí)際蓄冰過程中，制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度并非恒定，隨著結(jié)冰厚度的增加而逐步降低，系統(tǒng)COP也在降低，制冷系統(tǒng)性能惡化。所以，在系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)行過程中，應(yīng)合理地確定冰層厚度，冰層達(dá)到一定厚度時要停止制冰。

4 結(jié)論

從結(jié)晶理論出發(fā)，對沉浸式蒸發(fā)蓄冰盤管的結(jié)冰過程進(jìn)行理論分析，運(yùn)用Fluent軟件對自然對流情況下蓄冰槽內(nèi)靜態(tài)蓄冰過程進(jìn)行仿真，模擬結(jié)果對試驗(yàn)系統(tǒng)的搭建有改進(jìn)建議，通過采用沉浸式蒸發(fā)盤管加間歇擾動模式來強(qiáng)化換熱，增大夜間蓄冷量以適應(yīng)白天機(jī)組負(fù)荷變化需要，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測試更接近于熱泵蓄能機(jī)組的應(yīng)用研究。

圖5 管外結(jié)冰各階段液固比分布Fig.5 Various stages of tube icing for liquid-solid ratio

圖6 間歇擾動盤管外冰層生長(透明)Fig.6 Intermittent disturbance of ice growth outside coil

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