冰蓄冷裝置強化換熱技術的研究進展

陳婷

摘 要：冰蓄冷技術是在實施峰谷電價政策的地區，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濟節能技術。冰蓄冷技術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狀，并重點闡述了盤管式冰蓄冷和動態蓄冷在強化換熱方面的最新研究成果，為冰蓄冷系統的研究和應用提供一定的參考和建議。

關鍵詞：冰蓄冷 強化換熱 靜態蓄冷 動態蓄冷 研究現狀

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。我國的冰蓄冷技術經過近年來的研究和實踐，也有了突飛猛進的發展。

在提高冰蓄冷系統運行效率的研究中，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注。目前，對靜態蓄冷的研究主要在盤管式和冰球式蓄冷，動態蓄冷主要在冰片滑落式和冰漿式蓄冷。該文主要針對靜態蓄冰和動態蓄冰的蓄冷系統，介紹了蓄融冰傳熱特性和強化換熱技術。

1 冰蓄冷技術發展現狀

我國大陸地區從20世紀90年代初開始建造冰蓄冷空調工程。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金融大廈采用的便是冰球封裝式冰蓄冷空調；其中的CRYOGEL蓄冰球添加了AgI膠體成核劑，用以降低結冰過冷度，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；系統中使用的杰美利不銹鋼蓄冰槽也通過內置循環泵，產生對流擾動，強化了盤管蓄融冰換熱。

2 靜態蓄冷強化換熱

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的載冷劑進行換熱，使蓄冰槽內的水結冰；融冰時，蓄冰槽內的冰再與盤管內的空調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。鄒春陽[2]在蓄冰槽開口狀態下實驗研究盤管結冰過程，對比了不同風速對結冰特性的影響。

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，得出的結果表明：隨著冰層的增厚，單位時間內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。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

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

不完全凍結式蓄冰裝置的蓄冰率較低，盤管冰層外仍充有液態的蓄冷介質。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，適用于與低溫送風系統和區域供冷。

融冰后期，蓄冰槽內的殘冰難以融化，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的水與球內的相變介質換熱。

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也能起到很到疏導作用。其內設置有膨脹吸收腔，可以吸收結冰期間水的膨脹量，融冰后期，還可將球中冰塊分裂，融冰速率得以提高。

結冰量的多少和過冷度、溫度下降速度有關。強化換熱，減少相變時間，還可以從提高相變介質的導熱系數方面入手。如果在相變介質中加入納米碳管、碳纖維或者基質結構的材料，可以提高相變介質的導熱系數。

程文龍[5]實驗將高孔隙率的泡沫金屬材質與相變儲能材料相結合，其導熱系數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值模擬。考慮了其相變介質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減少。

3 動態蓄冰強化換熱

動態蓄冰的結冰與融冰兩個過程，分別發生在結冰裝置和儲冰裝置內。結冰過程中，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；板式換熱器內通入高溫乙二醇，20～60 s后，冰層脫落，收集于儲冰槽內。

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學模型，為蓄冰槽經濟尺寸、經濟水位的選取提供了理論依據。胡翌[8]研究了制冰周期與制冰量之間的關系。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，產生傳熱惡化。其通過多次實驗，論證了如何適時地調整制冰周期，為系統經濟運行提供了依據。

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]研究了刮刀式動態冰漿蓄冷的制冰特性。實驗結果表明，同樣條件下制冰速度、制冰量、耗能量都優于盤管式冰蓄冷。

直接接觸式與間接式相比，傳熱熱阻較小，未來將有很好的發展前景。

4 結語

冰蓄冷系統作為未來儲能技術的發展方向之一，強化其蓄融冰過程的傳熱特性，用以減小系統耗能、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，冰蓄冷技術的系統能耗勢必會大幅度下降。從而有望做到真正意義上的節約能源，服務社會。所以應該在因地制宜的前提下，大力推廣冰蓄冷技術。

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].東北農業大學，2012.

[3] 張奕，黃虎，張小松.盤管冰蓄冷裝置管外結冰過程研究[J].哈爾濱工業大學學報，2004（10）.

[4] 肖睿，何世輝，杜艷利，等.直接蒸發式冰蓄冷空調的蓄冰槽融冰強化換熱[J].工程熱物理學報，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值模擬[J].化工學報，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，2004.

[8] 胡翌.冰片滑落式冰蓄冷系統的研究[D].東華大學，2006.

[9] 張海潮，肖睿，宋文吉，等.動態冰漿制造系統的溫度與制冰特性研究[C]//中國制冷學會2009年學術年會論文集.2009.