冰蓄冷裝置強化換熱技術(shù)的研究進展

陳婷

摘 要：冰蓄冷技術(shù)是在實施峰谷電價政策的地區(qū)，利用低谷電價時段進行制冰蓄能，為高峰電價時段提供冷量的經(jīng)濟節(jié)能技術(shù)。冰蓄冷技術(shù)同時具有均衡電力負荷、降低運行成本的特點。該文介紹了目前不同蓄冷方式下強化換熱的研究現(xiàn)狀，并重點闡述了盤管式冰蓄冷和動態(tài)蓄冷在強化換熱方面的最新研究成果，為冰蓄冷系統(tǒng)的研究和應(yīng)用提供一定的參考和建議。

關(guān)鍵詞：冰蓄冷 強化換熱 靜態(tài)蓄冷 動態(tài)蓄冷 研究現(xiàn)狀

中圖分類號：TK02 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（b）-0069-02

從20世紀七八十年代開始，美國以及歐洲的一些國家就開始研究冰蓄冷技術(shù)。我國的冰蓄冷技術(shù)經(jīng)過近年來的研究和實踐，也有了突飛猛進的發(fā)展。

在提高冰蓄冷系統(tǒng)運行效率的研究中，如何增加蓄冰率（蓄冰量與蓄冰槽容積之比，IPF）、蓄融冰效率等問題越來越受到人們的關(guān)注。目前，對靜態(tài)蓄冷的研究主要在盤管式和冰球式蓄冷，動態(tài)蓄冷主要在冰片滑落式和冰漿式蓄冷。該文主要針對靜態(tài)蓄冰和動態(tài)蓄冰的蓄冷系統(tǒng)，介紹了蓄融冰傳熱特性和強化換熱技術(shù)。

1 冰蓄冷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國大陸地區(qū)從20世紀90年代初開始建造冰蓄冷空調(diào)工程。目前，全國已建成投入運行和正在施工的工程多達681個。2010年建成的北京南園商業(yè)金融大廈采用的便是冰球封裝式冰蓄冷空調(diào)；其中的CRYOGEL蓄冰球添加了AgI膠體成核劑，用以降低結(jié)冰過冷度，加快蓄冰和融冰速度。2011年建成的中國鐵道建筑總公司辦公樓采用的是冰盤管式冰蓄冷空調(diào)；系統(tǒng)中使用的杰美利不銹鋼蓄冰槽也通過內(nèi)置循環(huán)泵，產(chǎn)生對流擾動，強化了盤管蓄融冰換熱。

2 靜態(tài)蓄冷強化換熱

2.1 冰盤管蓄冷強化換熱

盤管式蓄冷裝置蓄冷時，盤管外的水與盤管內(nèi)的載冷劑進行換熱，使蓄冰槽內(nèi)的水結(jié)冰；融冰時，蓄冰槽內(nèi)的冰再與盤管內(nèi)的空調(diào)回水或者高溫載冷劑進行換熱，融化成水。

2.1.1 蓄冰強化換熱

盤管在蓄冰時的動態(tài)換熱過程同時伴有相變和邊界移動。Bingxi Li等[1]研究了單根盤管的蓄冰特性，建立了三維動態(tài)模型，為研究不同管徑、載冷劑不同流速等因素對傳熱性能的影響提供了理論依據(jù)。鄒春陽[2]在蓄冰槽開口狀態(tài)下實驗研究盤管結(jié)冰過程，對比了不同風(fēng)速對結(jié)冰特性的影響。

盤管式冰蓄冷裝置，在蓄冰過程中，隨著冰層的加厚，熱阻增大，傳熱會惡化，蓄冰效率會降低。張奕[3]通過實驗對不同冰層厚度時冰層的生長情況進行了觀測，得出的結(jié)果表明：隨著冰層的增厚，單位時間內(nèi)的制冰量會越來越小。

實際的工程中，通常采用強制擾動的方法來強化蓄冰時的傳熱效果。高校中對蓄冰過程的強化換熱的研究集中于管外纏繞金屬絲網(wǎng)。在盤管外纏金屬絲，可以提供成核基底，改善潤濕性，增加傳熱面積。

2.1.2 融冰強化換熱

盤管式冰蓄冷系統(tǒng)在蓄冰時，管外介質(zhì)完全凍結(jié)。隨著貼近管壁的冰層融化成水，水層會產(chǎn)生熱阻，不利于融冰換熱，融冰速率較低。

不完全凍結(jié)式蓄冰裝置的蓄冰率較低，盤管冰層外仍充有液態(tài)的蓄冷介質(zhì)。在融冰時，貼近管壁的冰融化，盤管外的冰層因浮力向上浮動，冰層下邊緣則始終貼著盤管，因此避免了水層的熱阻，提高了融冰速率。不完全凍結(jié)式換熱比較均勻，可以保持更低的載冷劑出口溫度，適用于與低溫送風(fēng)系統(tǒng)和區(qū)域供冷。

融冰后期，蓄冰槽內(nèi)的殘冰難以融化，垂直溫差較大。肖睿[4]在蓄冰槽的中下部，添加了一路強化換熱的水平盤管與豎直的主盤管交叉布置，由閥門進行控制，在融冰時，閥門打開，與主盤管一起通入載冷劑。結(jié)果表明，該裝置減小了蓄冰槽垂直溫差，提高了融冰的速率。

2.2 冰球蓄冷強化換熱

冰球式蓄冷裝置蓄融冰過程都是槽內(nèi)的水與球內(nèi)的相變介質(zhì)換熱。

法國的ATE蓄冰裝置在2008年推出了ATE-IC型號的蓄冰球。該冰球表面呈凸起狀，增大了表面的換熱面積，而且對冰球外的蓄冷介質(zhì)也能起到很到疏導(dǎo)作用。其內(nèi)設(shè)置有膨脹吸收腔，可以吸收結(jié)冰期間水的膨脹量，融冰后期，還可將球中冰塊分裂，融冰速率得以提高。

結(jié)冰量的多少和過冷度、溫度下降速度有關(guān)。強化換熱，減少相變時間，還可以從提高相變介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)方面入手。如果在相變介質(zhì)中加入納米碳管、碳纖維或者基質(zhì)結(jié)構(gòu)的材料，可以提高相變介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)。

程文龍[5]實驗將高孔隙率的泡沫金屬材質(zhì)與相變儲能材料相結(jié)合，其導(dǎo)熱系數(shù)要遠遠大于原本的相變儲能材料。楊秀等[6]對填充了泡沫鋁的蓄冰球融冰傳熱過程進行了數(shù)值模擬。考慮了其相變介質(zhì)過冷度以及由冰球垂直方向上的溫度差引起的自然對流作用的影響，建立了二維融化相變過程的自然對流模型。結(jié)果表明，充入泡沫鋁，融化相變時間縮短了，融冰速率也提高了。泡沫金屬的孔隙率越小對蓄融冰換熱的強化作用越明顯，但蓄冰球的有效容積也會相應(yīng)減少。

3 動態(tài)蓄冰強化換熱

動態(tài)蓄冰的結(jié)冰與融冰兩個過程，分別發(fā)生在結(jié)冰裝置和儲冰裝置內(nèi)。結(jié)冰過程中，或制成冰片，或制成冰晶，與制冰裝置脫離，存入儲冰裝置，都可以避免因冰層加厚、熱阻增加而帶來的傳熱惡化問題。

3.1 冰片滑落式蓄冷

蓄冰介質(zhì)流過板式換熱器，與低溫乙二醇釋換熱，冷凝成冰，冰層厚度達5～8 mm；板式換熱器內(nèi)通入高溫乙二醇，20～60 s后，冰層脫落，收集于儲冰槽內(nèi)。

王六民[7]研究了滑落式片冰機的蓄冷特性，建立了蓄冰槽蓄冰時的數(shù)學(xué)模型，為蓄冰槽經(jīng)濟尺寸、經(jīng)濟水位的選取提供了理論依據(jù)。胡翌[8]研究了制冰周期與制冰量之間的關(guān)系。制冰周期過短，會損失大量，冷量制冷量下降；制冰周期過長，冰層過厚，產(chǎn)生傳熱惡化。其通過多次實驗，論證了如何適時地調(diào)整制冰周期，為系統(tǒng)經(jīng)濟運行提供了依據(jù)。

3.2 冰漿式蓄冷

冰漿是制取直徑約80～100μm的冰晶與水溶液混合。與冰片式相比，冰漿具有更好的流動性，溫度穩(wěn)定，更易被水泵輸送。

冰漿的形成有過冷水式、刮刀式、直接接觸式以及流化床式等。目前工程應(yīng)用最廣泛的是過冷水式與刮刀式。其中，刮刀式可以及時清除換熱壁面的過冷水，能避免壁面冰層堆積造成傳熱惡化。張海潮等[9]研究了刮刀式動態(tài)冰漿蓄冷的制冰特性。實驗結(jié)果表明，同樣條件下制冰速度、制冰量、耗能量都優(yōu)于盤管式冰蓄冷。

直接接觸式與間接式相比，傳熱熱阻較小，未來將有很好的發(fā)展前景。

4 結(jié)語

冰蓄冷系統(tǒng)作為未來儲能技術(shù)的發(fā)展方向之一，強化其蓄融冰過程的傳熱特性，用以減小系統(tǒng)耗能、提高運行效率，顯得尤為重要。冰盤管式蓄冷裝置的蓄融冰強化換熱，一直是研究重點；近幾年，冰漿動態(tài)蓄冰的研究也逐漸成為研究熱點。對于強化冰盤管的傳熱，可以從更改管外結(jié)冰方式、添加促進成核的基底以及增加擾動對流等方面入手。對于冰球封裝式蓄冷，則可以從冰球形狀和混合相變材料兩方面進行改進。動態(tài)蓄冷也可以以縮短制冰周期（在不影響制冰量的前提下）、增加冰漿的流動性、避免“冰堵”等方式來強化換熱。未來，冰蓄冷技術(shù)的系統(tǒng)能耗勢必會大幅度下降。從而有望做到真正意義上的節(jié)約能源，服務(wù)社會。所以應(yīng)該在因地制宜的前提下，大力推廣冰蓄冷技術(shù)。

參考文獻

[1] Bingxi Li， Xinhai Xu， Yi Liu. Effects of initial Parameters on the internal-melt ice-on-tube while icing[J].Journal of Mechanical Science and Technology， 2009（7）：1808-1812.

[2] 鄒春陽.自然冷資源利用中貯冰蓄冷試驗研究[D].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[3] 張奕，黃虎，張小松.盤管冰蓄冷裝置管外結(jié)冰過程研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004（10）.

[4] 肖睿，何世輝，杜艷利，等.直接蒸發(fā)式冰蓄冷空調(diào)的蓄冰槽融冰強化換熱[J].工程熱物理學(xué)報，2008（9）：1524-1526.

[5] 程文龍，韋文靜.高孔隙率泡沫金屬相變材料儲能、傳熱特性[J].太陽能學(xué)報，2007（7）：739-744.

[6] 楊秀，陳振乾.蓄冰球中填充泡沫鋁的融化相變傳熱過程的數(shù)值模擬[J].化工學(xué)報，2008（S2）：139-142.

[7] 王六民.片冰機/冷水機組蓄冰槽在蓄冰和融冰時的特性研究[D].湖南大學(xué)，2004.

[8] 胡翌.冰片滑落式冰蓄冷系統(tǒng)的研究[D].東華大學(xué)，2006.

[9] 張海潮，肖睿，宋文吉，等.動態(tài)冰漿制造系統(tǒng)的溫度與制冰特性研究[C]//中國制冷學(xué)會2009年學(xué)術(shù)年會論文集.2009.