（热能工程专业论文）内融式盘管蓄冰系统实验研究.pdf

中文摘要 随着我国经济的发展，电力需求问题日趋严重。夏季空调设备的广泛使用， 使得许多城市3 0 高峰负荷由空调负荷构成，这加剧了电网负荷压力。冰蓄冷 空调技术作为平衡电网负荷的重要技术，可以将空调高峰负荷转移到用电低谷时 段，既可以达到为电网削峰填谷的目的，又可以降低空调系统的运行费用，因而 在近些年来得到迅速发展。 本文主要针对内融式冰盘管蓄冰系统的蓄冰、融冰性能进行了部分研究工 作。首先采用铝塑管管材自行设计、制作了圆筒型蓄冰桶，并利用实验室现有设 备组合搭建了冰蓄冷空调实验系统：制冷机组包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸 发器等，工质为r 2 2 ，载冷剂为乙二醇水溶液，融冰实验时采用风机盘管供冷。 其次根据实验测得数据，对铝塑管材质蓄冰盘管蓄冰、融冰特性进行了分析， 研究载冷剂流量对蓄冰、融冰的影响，并对实验中遇到的一些问题作出合理解释。 最后根据本实验具体设计参数和测得数据，借助m a t l a b s i m u l i n k 搭建了蓄 冰桶的仿真实验台，与实验实测数据对比表明仿真实验台可以满足研究需要。因 而借助仿真实验台分析了不同管材、不同管径时蓄冰盘管的性能，提出了本文对 蓄冰盘管选材的建议。 关键词：内融式冰盘管实验研究蓄冰融冰仿真 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y se c o n o m y , t h ep r o p e r t yo ft h ep o w e r d e m a n di nc i t yp o w e r 鲥di sv e r ys e r i o u si nt o d a y sc h i n a i ti se s t i m a t e dt h a tc o o l i n g o fb u i l d i n g sc o n t r i b u t e sa b o u t3 0 t ot h ec h i n ap e a ke l e c t r i c a lp o w e rc o n s u m p t i o ni n t h es u m m e r i c es t o r a g et e c h n o l o g yi sam e t h o do fs h i f t i n gc o o l i n gl o a d sf i o m o n - p e a kp e r i o d sw h e ne l e c t r i c a le n e r g ya n dd e m a n da r eh i g h , t oo f f - p e a kp e r i o d s w h e nt h ec o s to fe l e c t r i c a le n e r g yi ss i g n i f i c a n t l yl o w e ra n dd e m a n dc h a r g e sa r el o w o ro f t e nn o ta p p l i e da ta 1 1 i c es t o r a g es y s t e m sa led e v e l o p i n gr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s t h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri st os t u d yt h ep e r f o r m a n c eo fi c eg e n e r a t i o na n d i c em e l to fi n t e r n a lm e l ti c e o n - c o i lt h e r m a ls t o r a g es y s t e m f i r s t l y , w ed e s i g n e da c y l i n d e ri c e - o n - c o i lt a n k w i t ha l u m i n u mp l a s t i ct u b e t h e nw ep r o d u c e da ni c e s t o r a g ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m b yo u r s e l v e s ，w h i c ha s s i s t e dw i t hc o m p r e s s o r , e v a p o r a t o r , c o n d e n s e r t h r o t t l e ，v a l v e sf o rc o n t r o l l i n gc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g ，f a n c o i lu n i t ( f c u ) a n ds oo n t h ew o r k i n gl i q u i do fs y s t e mi sr 2 2 ，a n dt h ei c e - m a k i n g m e d i u mi se t h y l e n eg l y c 0 1 s e c o n d l ya c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n td a t a , t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ep e r f o r m a n c e o fi c eg e n e r a t i o na n di c em e l tf o rt h ec y l i n d e ri c e o n c o i lt a n k a tl a s t , a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n td a t aa n ds y s t e mp a r a m e t e r , t h es i m u l a t i o n p r o g r a mo ft h ei c e o n c o i lt a n kw a se s t a b l i s h e dw i t hm a t l a b s i m u l i n k o nt h e b a s i so ft h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ep e r f o r m a n c eo fc o i lm a d eb yd i f f e r e n tm a t e r i a l s a n dd i a m e t e rw e r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：i n t e r n a lm e l t i c e o n - c o i l ，e x p e r i m e n ts t u d y , c h a r g em o d e ， d i s c h a r g em o d e ， s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：码爵吩签字日期。7 年月1 习日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞叁堂有关保留、使用学位论文韵规定。 特授权苤垄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期： 1 年 玛永落 j 1 月i 舄日 导师签名： 签字日期： 关7 霁和 年& 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 冰蓄冷空调技术是诸多蓄冷空调技术中的一种应用形式。冰蓄冷以水作为蓄 冷介质，在电力负荷低谷期，利用制冷机组制冷使水发生相变冻结成冰，释放相 变潜热从而达到蓄存冷量的目的；在电力负荷高峰期，将蓄冰桶内的冰融化释放 冷量，通过载冷剂循环系统将冷量送至用户处满足其冷量需求。 由此可见，冰蓄冷空调技术不是一种节能技术，甚至由于蓄能而增加了能源 的消耗；但是冰蓄冷技术既可以为电网削峰填谷，从而降低电网负荷压力；又可 以降低冰蓄冷空调业主运行费用，使之获得经济收益，因而它作为一种典型的电 力需求侧管理技术，在世界范围内得到越来越广泛的应用。 i i 冰蓄冷技术的历史沿革 我国自古就有冬天从河道取冰，而后用苫盖稻草、泥巴储存至夏季用于居室 降温纳凉的传统，g(0)(3-12) 则冰晶形成的相变驱动力为： g ( i ) = g ，( 0 ) 一q ( t ) ( 3 - - 1 3 ) 上式简化可为： 厶g ( i ) = q a t 0 ( 3 1 4 ) 其中，冰的熔解热。 处于过冷状态的水可以以均匀成核和非均匀成核两种形式形成冰晶核心，均 匀成核指欲结冰体系中各处成核的概率相等，非均匀成核( 又叫异相成核) 指水 在尘埃、杂质、容器表面和其它与水异相的表面形成冰核。水的过冷度越大，冰 核形成几率就越大，若只是在均匀成核作用，水的过冷度就要求很大( 如纯度很 高的微小水滴，据报道在- - 4 0 时仍未结冰) 。非均匀成核对过冷度的要求较低， 因而人们一直在寻求低过冷度下水的成核剂。 水结冰过冷度的大小取决于多种因素，如容器的形状、大小、壁面光洁度、 壁面材质，水的流态以及水的洁净程度，盛水容器受震动程度等，这些因素都会 不同程度影响水的过冷度。 天津大学硕士学位论文 第三章实验分析 本文实验中，蓄冰阶段仅观察到蓄冰桶内水仅小于1 1 2 的过冷现象，蓄冰桶 内的水就开始结冰，分析其原因有如下几点： 1 ) 本次实验，蓄冰容器为废旧汽油桶改装，内壁涂防锈漆，实验前曾放置 一段时间，内壁有锈蚀现象，桶内注入水后，部分铁锈微粒散布于水中，为水结 冰时形成冰晶核心提供了便利条件； 2 ) 实验中蓄冰盘管为自行设计制造，为固定铝塑管并使之形成所需圆筒形 结构，我们采用竹条捆扎固定的方法，这也增加了异相成核的成核几率： 3 ) 为测量蓄冰桶内温度，桶内设置多组铜一康铜热电偶，实验中也观察到 在水温降至冰点时，沿热电偶有枝状冰晶形成。 总之，实验表明，水中含有易成核杂质，与水接触物体壁面粗糙等因素皆可 有效降低水结冰所需过冷度，而工程应用中势必不能以容器锈蚀为代价来降低水 的过冷度，所以寻找适用于工程应用的成核添加剂以及蓄冰桶和蓄冰盘管的结构 形式也是一项极有价值的工作，本文限于篇幅将不再论述。 3 3 2 融冰过程中盘管外冰壳问题 本实验在融冰过程中观察到，当盘管外冰层部分融化后，盘管外形成的冰壳 并没有浮升起来和盘管外管壁进行接触以提高换热效果，仅在冰层接近融化殆尽 时才有碎冰浮起。造成这一现象的原因分析如下： 1 ) 自行设计制造的蓄冰盘管分为四组，每一组分别呈圆筒状螺旋上升，因 而在冰层融化时阻碍了冰壳的及时上浮，使得水层隔在盘管与冰壳之间，增加了 换热热阻，降低了融冰速度；为改进这一缺陷，盘管设计形状应作改进，比如将 螺旋上升改为水平螺旋向内，然后用竖直管路连接各层。 2 ) 本次实验盘管管间距设计为2 4 c m ，实验中观察到蓄冰结束时两管之间 冰层已经冻实，在融冰中后期，盘管外冰壳互相支撑，并且盘管加工精度较低， 所以冰壳未能上浮。 天津大学硕士学位论文第四章冰盘管蓄冰槽计算机仿真 第四章冰盘管蓄冰槽计算机仿真 系统是指具有某种特定功能，按照一定规律结合起来的相互作用又相互联系 的对象的集合。根据系统的状态随时间变化的情况可以分为连续系统和离散系 统，连续系统就是指系统的状态随时间连续变化的系统，可以用微分方程描述连 续系统的属性；离散系统是指系统的状态变化发生在离散时刻的系统。模型是以 相似原理为理论基础对系统的抽象描述，是通过对系统进行反复分析研究而得到 的系统内在联系及其与外界的关系的一种描述。 系统仿真用到的模型主要有实体模型和数学模型。实体模型是根据相似性原 理建立的系统的物理模型，此模型使用不经济、耗时长，并且有时囿于成本而不 可实现；数学模型是对系统进行抽象、简化，采用数学符号表达系统本质的模型 形势，其优点是经济、方便、简单、便于使用计算机。 本文将对本文实验利用数学模型对其进行计算机仿真，以期进一步了解蓄冰 系统的内在规律。m a t i a b s i m i ，肿 是目前仿真领域最权威、最实用的计算 机仿真工具，s i m u l i n k 由模块库、模型构造及指令分析和演示程序组成，是 一个模块化、模型化的系统动态仿真环境，本文将以此为工具进行研究。 4 1 建立蓄冰桶蓄冰仿真模型 内融冰盘管蓄冰过程中，随时间推移，盘管外冰层厚度逐渐增加，从而使的 盘管内的载冷剂于蓄冰槽中水的换热热阻增加，换热效率下降，在这一动态过程 中，为研究蓄冰性能，蓄冰厚度于蓄冰时间之间关系为重中之重，换热量等数据 可由此推出。 蓄冰过程影响因素较多，为了简化问题，特作假设如下： 盘管视为长直圆环，冰层与之同心，导热过程可视为一维径向导热；水温始 终保持0 。c 。 模型建立如下： 蓄冷量q = k 华( 4 1 ) “i 蓄冰量 坼= 万( ，2 一乞2 ) 上几 ( 4 2 ) 式中q 为蓄冷量，k 为冰的融解潜热取为3 3 4 k j k g ，砚为蓄冰量，f 为蓄 冰时间，为冰层外径，乞为盘管外径，工为盘管长度，几为冰的密度。 天津大学硕士学位论文第四章冰盘管蓄冰槽计算机仿真 冰层外径对时间求导可得其于时间的关系，由式( 4 2 ) 得 d r ： 望2 d r 2 z t r l p , e e h l 。 管内载冷剂于冰层外水的换热量 q = k a a t = 玉_ ( f o o ) 1 传热系数 k = 1 _ l 一 二上+ 二l nr o + rl n r 曩k p ，；局r o ( 4 - 3 ) ( 4 - 4 ) ( 4 - 5 ) 传热面积 a = 2 z t r l( 4 6 ) 式中f 0 为水的冰点o 。c ，t f 为载冷剂的平均温度，：为盘管内径，如为管内 对流换热系数，k 。为管壁导热系数，毛为冰层导热系数。 由式( 4 - 4 ) 、( 4 - 5 ) 和( 4 - 6 ) 可以得到 q = 五r1+业rlnro+rlnr ( 4 - 7 ) r e 吩k p ，：屯r o 根据能量守恒定律，q e = q ，所以由( 4 - 3 ) 和( 4 7 ) 可得 d r d f ( 4 - 8 ) 式( 4 - 8 ) 分离变量得 睢+ 毒- n 号+ 云吲r o 扯学如 沁9 ， l ，：吩 砟 t j 一。 式( 4 - 9 ) 积分可得 ；2 蹲f + c ( 4 一l o ) p i c e n f 由边界条件时间f = 0 时，r = r o ，代入式( 4 1 0 ) 可得 吼2 m 石1h 号一去 沁 2 等一* i 1 n 号一剖( 一2 ) 2 n i r ( 4 - 蚴 以上述数学模型参考了文献0 7 的研究内容，根据本文试验实测参数，利用 m a t l a b 工具箱中的仿真模拟工具s i m u l i n k 1 8 ”】- 1 2 0 j 1 2 1 1 建立本文实验蓄冰桶的 蓄冰模型，并作进一步分析。 简图如下： 天津大学硕士学位论文第四章冰盘管蓄冰槽计算机仿真 图4 1 融冰模型的i l a t l a b s i m u l i n k 模型图 图4 2 蓄冰模型中冰层外径计算子模块 图4 3 仿真计算与3 # 蓄冰实验蓄冰桶蓄冷量变化曲线 在此模型仿真过程中，采用o d e 4 5 变步长算法，仿真计算所得蓄冷量变化与 - 3 4 - 天津大学硕士学位论文第四章冰盘管蓄冰槽计算机仿真 3 # 实验对比如图4 3 ( 其中3 # 实验蓄冷量值为蓄冰开始后的蓄冷量变化) ，对 比实验实测蓄冷量与仿真计算值可知二者最大误差为实验实测值的6 ，这是因 为仿真计算中作了诸多假设，并且未计算蓄冰桶向环境的散热。依据蓄冰实验的 实验数据运行仿真模型，查看蓄冰过程中盘管外冰层随时间的变化，如图4 4 ， 可以看到冰层外径随时间增长而增大，并且变化速率逐渐交小，这正符合蓄冰过 程中的物理规律。 7 o 一 ， 图4 4 蓄冰模型中冰层外径变化 由图4 3 、图4 4 也可以看到，仿真模型仿真效果较好，可以满足研究需 要。可以据此对蓄冰桶性能作进一步分析。 4 1 1 蓄冰盘管导热热阻分析 热阻指热传递过程中的阻力。 首先观察蓄冰过程中，盘管管内对流换热热阻、管壁导热热阻、蓄冰生成的 冰层导热热阻( 均以盘管单位长度热阻进行讨论，单位朋k i w ) 随时间的变化 规律，如图4 5 ，可以得知，三项热阻中对流换热热阻最小，约为0 0 0 5 8 册k 形； 盘管管壁导热热阻最大，约为0 1 0 1 7 聊k 形；冰层导热热阻在二者之间，随时 间增长由0 m k i w 逐渐增至0 0 6 9 m k i w 。 图4 5 为蓄冰过程中盘管管内对流换热热阻、管壁导热热阻、冰层导热热 阻在传热总热阻中的百分比随时间的变化规律，管内对流换热热阻所占比例由开 始时的5 4 7 到仿真结束时的3 3 1 ；管壁导热热阻所占比例由开始时的9 4 5 8 到仿真结束时的5 7 7 1 ：冰层导热热阻所占比例由开始时的0 到仿真结束时 的3 8 9 8 。 由此可知，由于本实验采用导热系数较小的铝塑管制作蓄冰盘管，使得管壁 导热热阻在整个传热过程中所占份额最大，其次是冰层导热热阻，但是由于实验 以蓄冰为目的，降低冰层导热热阻，势必影响蓄冰量，所以不可取；因而降低管 一jl一搿蒸)f 天津大学硕士学位论文 第四章冰盘管蓄冰槽计算机仿真 壁导热热阻为改善蓄冰传热性能的主要方法。本文将在4 1 3 节进行具体分析。 董 翟基 蓦； 电蛙 d 屯丑 鼎 埔 幸霸 善巴 ：螬 司孓 妞 日寸闻( 秒) p ， ， i 7 “i 、i ” 图4 4 蓄冰过程中传热热阻变化 日可i 司( 秒) 硗，。- t _ t，一 图4 5 蓄冰过程各传热熟阻所占总传热热阻的百分数 由公式4 5 可知，影响管壁导热热阻的因素有：冰层外径，、为盘管外径，：，、 管壁导热系数k 一盘管内径c 等，盘管内径的取值又会影响盘管管壁对流换热 热阻；一定条件下，载冷剂流量对管壁对流换热热阻的影响、进而对蓄冷量的影 响已在第三章作过分析，在此不再赘述。 表4 1 铝塑管规格表 管材规格 i 0 1 41 2 1 61 4 1 81 6 2 02 0 2 52 6 3 2 3 2 4 0 外径( 衄) 1 41 61 8 2 02 53 24 0 1 4 z1 6 21 8 22 0 22 5 23 2 2 54 0 2 5 内径( 衄) 9 81 1 81 3 81 5 81 9 8 2 5 83 1 8 l o1 21 41 62 02 63 2 借助以上搭建的姒t l a b s i 删l i n l 【仿真模型，对不同管径的铝塑管进行模拟 实验，仿真实验条件：运行相同时间，载冷剂流量相同，盘管材料、长度相同( 单 天津大学硕士学位论文 第四章冰盘管蓄冰槽计算机仿真 位长度i r a ) 。 图4 6 为仿真实验对表4 1 所列铝塑管，取部分型号分别模拟，得到的蓄 冷量随时间变化的规律。由图4 6 可知，采用管径比较粗的铝塑管制作蓄冰盘 管，在相同运行时间、相同载冷剂流速时，蓄冷量比较大，蓄冷速度比较快，其 中原因可以从盘管传热热阻入手分析。 h， 图4 6 仿真蓄冰实验不同型号铝塑管蓄冷量对比 如图4 - - 7 ， ，” 一 图4 7 盘管1 2 1 6 型与2 0 2 5 型仿真蓄冰实验传热热阻比较 以管材1 2 1 6 型和2 0 2 5 型为例进行分析：2 0 2 5 型管材管内对流 天津大学硕士学位论文 第四章冰盘管蓄冰槽计算机仿真 换热热阻略大于1 2 1 6 型管材，但是由于在总传热热阻中的份额较小，所以不是 传热热阻主导因素；二者冰层导热热阻和盘管管壁导热热阻均以2 0 2 5 型盘管为 小，所以在整个蓄冰过程中，2 0 2 5 型管材传热性能优于1 2 1 6 型管材。另外，单 位长度大管径管材相对于小管径管材的传热面积大，这也是单位长度大管径管材 相同时间蓄冷量较大的原因。 综上所述，系统设计时，应尽可能采用管径较粗的管材，但是由于使用粗管 径管材造价高，实际应用中应通过技术经济比较作具体选型。 4 1 2 蓄冰盘管材质对传热的影响 蓄冰盘管管材一般选用钢质卷焊管材( 美国b a c 公司) 、聚乙稀( 美国ca l m a c 公司、d u n h a m - b u s h 公司) 、聚烯烃石蜡脂( 美国f a f c o 公司) 、新型导热塑料 ( 杭州华源公司) 等。本实验由于多种原因，未能使用上述材料，为了直观起 见，本文采用以下材质：杭州华源公司的新型导热塑料( 导热系数 2 5w ( m k ) ) 、碳钢( 导热系数4 5 4w ( m k 1 ) 和铝塑管( 导热系数 0 4 5 w ( m k 1 ) ，利用4 1 1 节搭建的仿真实验台进行比较分析。 图4 8 、4 9 和4 1 0 为相同工况、取单位长度盘管( 1 m ) 、仅变更盘管 材质运行仿真实验台所得三种材质的盘管冰层半径、蓄冷量和传热热阻变化情 况。 由图4 8 、4 9 可知，尽管碳钢材质导热系数分别为导热塑料、铝塑管导 热系数的1 8 倍、1 0 0 倍，但是蓄冷过程中的冰层半径、蓄冷量并未有如此悬殊 的差别。蓄冷结束时，采用碳钢时蓄冷量分别为采用导热塑料、铝塑管蓄冷量 的1 2 倍、2 1 倍。 由图4 1 0 可知，碳钢管材和导热塑料管材总传热热阻差别不大( 蓄冰结 束时前者为后者的9 0 ) ，但是二者与铝塑管的总传热热阻差别较大( 蓄冰结 束时铝塑管的总传热热阻为碳钢的1 5 8 倍，为导热塑料的1 7 7 倍) 。 综上所述，当盘管材质的导热系数比冰的导热系数( 2 2 2w ( m k 1 ) 大时， 盘管材质对总传热热阻及蓄冰盘管蓄冷量的影响逐渐减小；当盘管材质的导热 系数比冰的导热系数( 2 2 2 w ( m k 1 ) 小时，盘管材质对总传热热阻及蓄冰盘 管蓄冷量有比较大的影响。因而在系统设计中，蓄冰盘管应选取导热系数大于 冰的管材；由上述导热塑料与碳钢的比较可知，系统设计选材时使用导热系数 为2 5w ( m k 1 导热塑料蓄冰性能就已经接近碳钢材质管材，因而推荐使用导 热塑料管搭建蓄冰系统，可减少钢材使用，节约能源，并且由于塑料管材抗腐 蚀能力优于钢质管材，所以可以延长蓄冰盘管使用寿命。 天津大学硕士学位论文 第四章冰盘管蓄冰槽计算机仿真 王 删 j 巴 艚啊 差 、e ， 翼 受 詈 磊 图4 8 三种材质盘管相同工况冰层半径变化 图4 - - 9 三种材质盘管相同工况蓄冷量变化 帕呻揶硼删姗砌 时同( 秒 瑚 图4 1 0 三种材质盘管相同工况热阻变化 3 9 一*一糍卅署f)f2 童至ev越寰侧半趔碍捌 e)|赶嬖戗罐船辟勰 天津大学硕士学位论文第四章冰盘管蓄冰槽计算机仿真 4 2 蓄冰桶融冰模型 4 2 1 蓄冰槽融冰数学模型 冰盘管内融冰过程中，盘管外水层随着换热时间的增长，水层厚度不断增加， 导致融冰效率下降，载冷剂出口温度降低。在这一复杂过程中，本文作适当假设， 简化问题：( 1 ) 盘管长度很长，可忽略其轴向导热；( 2 ) 盘管与管外水层及冰层 为同心圆环。( 3 ) 将融冰过程中管外水层的对流换热视为当量导热p 2 1 。 模型建立如下： 1 、计算融冰时的载冷剂出口温度 蓄冰桶在融冰时，根据能量守恒定律，载冷剂在进出蓄冰盘管过程中，将热 量传递给盘管外冰层( 水层) 从而吸收冷量融冰，因而有下式成立， = k l 厶乙= r h c ( 乙。一乙) ( 4 1 3 ) 式中，载冷剂在蓄冰盘管内获得的冷量，k w ； k 盘管单位长度传热系数，w m k ： a 互。对数平均温差，； r h 载冷剂流量，k g s ； 乙，l ，载冷剂盘管进出口温度，； 厶k = ( t m 一瓦，) 一( z 。，一瓦) 式中瓦为融冰时盘管与冰层间的水温，可视为0 c ，所以 比2 萄 q 。1 4 l l ，j 由式4 - 1 3 和4 - 1 4 可得 乙。= 瓦。e - k c l i ( 拓0 ( 4 1 5 ) 2 、计算盘管外水层外径 根据能量守恒原理，将融冰释冷时间f 分为n 个时间段，测得每个时间段的 载冷剂进出口温度差乙，可有下式成立， r h c 乙a = 万( 彳一孑) 乞几 ( 4 1 0 ) 由此可得盘管外水层与时间得关系。 3 、计算盘管外水层的当量导热系数 天津大学硕士学位论文 第四章冰盘管蓄冰槽计算机仿真 l 疋一o 3 8 6 丸k 躲弛) i 沁 式中九为水的导热系数( 九- - 0 5 5 1w m - k ) ，p r 为水的普朗特数，r q 用 下式表示， 式中，为盘管外水层半径，乞为盘管外径， 引用有误) 万= ，一乞 砌，用下式表示， 砌，：g p ( t o - t ) ： ( 4 - 1 8 ) 万为盘管外水层厚度( 文献 2 0 】 ( 4 - 1 9 ) ( 4 - 2 0 ) 式中g 为重力加速度，为水的体积膨胀系数( = 一8 i x l 0 5 k ，0 c 时) ， 盘管外壁温度，瓦，为水层温度，d 为水的运动粘度系数( d = 1 7 8 9 x 1 0 6 聊2 s ) ， 口为水的热扩散系数( 口= 1 3 1 1 0 6 研2 s ) 。 2 、盘管内对流换热系数 由d i t t u s b o e l t e r 公式计算阱】 n u = 0 0 2 3r e o 8pro4(4-21) 3 、单位长度盘管的传热系数k ( ( m k 1 ) 弘= 南i n i n 一+ 上+ - q 乃 ，；五。 ( 4 2 2 ) 图4 一1 1 融冰模型的m a t l a b s i m u l i n k 模型图 天津大学硕士学位论文第四章冰盘管蓄冰槽计算机仿真 以上数学模型参考了文献】的研究内容，根据本文试验台设计参数以及实 测数据，利用m a t l a b 工具箱中的仿真模拟工具s i m u li n k 建立本文实验蓄冰桶的 融冰模型，如图4 1 1 ，并作进一步分析。 运行仿真实验台，采用o d e 4 5 变步长算法，仿真计算所得释冷量变化与3 # 实验融冰释冷实测值对比如图4 一1 2 ( 其中3 # 实验释冷量值截止到融冰结束 时) ，经计算得知，二者最大误差为实验实测值的7 ，可见仿真模型仿真效果 较好，可以满足研究需要。可以据此对蓄冰桶性能作进一步分析。 芒 殳 删 钯 世 日寸r 可( 秒) 图4 一1 2 融冰释冷量仿真值与实验实测值比较 4 2 2 蓄冰槽融冰过程传热热阻分析 f 、 4 、“ 。 “ 图4 一1 3 融冰仿真中盘管外水层半径变化 运行融冰释冷仿真实验台，观察融冰时盘管外水层半径变化如图4 一l3 ，查 看水层半径的变化趋势可知，随着时间的变化，水层半径逐渐增大，但是其增加 率却逐渐减小，这主要是由于盘管与冰层间的传热热阻随水层半径的增加而增 一艇一搿卅噬* 天津大学硕士学位论文 第四章冰盘管蓄冰槽计算机仿真 加，所以导致换热效率下降所致。 在仿真实验台上分析融冰仿真时的载冷剂与冰层间的传热热阻，可得融冰仿 真中盘管与冰层间传热热阻变化图4 1 4 ，经分析可知，盘管管内对流换热热阻、 盘管管壁导热热阻并不随时间变化，盘管与冰层间的水层当量导热热阻( 如4 1 4 节所述，把水层对流换热整合到当量导热热阻) 则随时间的增加( 即随水层半径 的增加) ，逐渐增大。这表明，尽管盘管与冰层间的水层存在对流换热，但由于 水层禁锢于狭小空间，对流换热未占据主导地位。 董 毒 曩 篓 鬈 器 图4 1 4 融冰仿真中载冷剂与冰层间传热热阻变化 教 时i 司( 秒) 图4 1 5 融冰仿真中各项传热热阻在总传热热阻中百分比变化 图4 1 5 为融冰仿真中载冷剂与盘管外冰层间各项传热热阻在总传热热阻 中的百分比变化，经分析可知，水层当量导热热阻在融冰前期，由于水层很薄， 热阻很小，对总传热热阻影响较小，此时占主导地位的因素为盘管管壁导热热阻； 但随着水层半径的逐渐增大，盘管管壁导热热阻的地位逐渐下降( 由融冰开始时 的9 3 降至融冰结束时的2 5 8 ) ，水层当量热阻在总传热热阻中的地位逐渐上 升( 由融冰开始时的百分数为0 升至融冰结束时的7 2 2 8 ) 。管内对流换热热 阻在整个融冰过程中，在总传热热阻中的百分数由7 降至1 9 2 ，可见它在总 天津大学硕士学位论文 第四章冰盘管蓄冰槽计算机仿真 传热热阻中的影响力最小。 由上述分析可知并结合3 2 节融冰实验关于载冷剂流量的论述可知，增大载 冷剂流量可以改善盘管内壁对流效果，但是流量的增大会带来一系列问题，如载 冷剂循环泵功耗增加，噪音增大，管内压力增加导致载冷剂容易泄漏等问题。因 而增大载冷剂流量改善传热效果的方法有一定局限性。所以提高融冰过程中的传 热性能，应该着眼于降低盘管导热热阻和当量水层导热热阻。 在本文实验中，为了改善融冰时的水层当量导热热阻，曾在3 # 实验融冰后 期打碎盘管外冰壳，查看其影响，3 2 节已经对这一措施对融冰释冷性能影响做 过讨论，此处不再赘述。 天津大学硕士学位论文 第五章总结与建议 第五章总结与建议 本文自行设计并搭建了内融式盘管蓄冰实验台，并对其蓄冰、融冰性能进行 了测试；参考前人对内融式盘管蓄冷系统的研究，针对本文实验建立了蓄冰、融 冰的数学模型，并编程进行了仿真模拟，对实验难以完成的一些工况作了仿真分 析研究。 5 1 本文结论 根据本文研究工作，可以得出如下结论： l 、蓄冰空调技术是一种热能存储技术，也是一种平衡电网负荷的重要技术。 利用该技术可以将白天用电高峰和电价较高时段的空调负荷，转移至用电需求较 低且电力价格低的晚上，即晚上制冰蓄冷、白天融冰释冷以满足用户的冷负荷。 这一过程中由于热量存储和再分配造成了热损失，使能量消耗总量增加，但是由 于电力价格峰谷差异，仍然能够有效降低空调系统的运行费用。 冰蓄冷技术对电力分时计价政策依赖度高，电力分时计价的具体方法从某种 意义来说决定着冰蓄冷技术的经济性。 2 、本文自行设计并搭建了内融式冰盘管蓄冰实验台，对蓄冰用制冷系统设 计、蓄冰盘管设计、载冷剂选取等内容作了部分探讨，讨论了蓄冰实验台搭建过 程中的一些相关问题。 3 、根据实验方案，进行了三组实验，每组实验由蓄冰实验和融冰实验构成， 得到三组不同工况下的蓄冰和融冰释冷的实验数据，并对蓄冰和融冰数据进行了 分析，对比了三组实验不同工况时的具体差异；实验中发现冰盘管内载冷剂流量 的增大对提升蓄冷性能有积极作用，融冰后期改善盘管外水层对流换热状况，可 增强融冰后期的蓄冰桶释冷量。 另外本文还对实验中遇到的蓄冷介质过冷度、融冰后期盘管冰壳状况作了探 讨。本文发现铁锈微粒溶于水中、捆扎盘管的竹条、多组热电偶置于蓄冰桶内等 因素对降低水的过冷度有较好效果；本文通过对融冰后期冰壳问题的分析，提出 了本文蓄冰桶设计的改造思路。 4 、参考前人文献，结合本文实验具体特点利用m a t l a b s i m u l i n l ( 仿真工具 搭建了蓄冰与融冰的仿真模型。运行仿真模型后，对比仿真数据与实验数据，表 天津大学硕士学位论文第五章总结与建议 明仿真模型可以满足研究需要。 因而利用此仿真模型对本文制作的蓄冰桶性能作了进一步对比分析。仿真研 究从盘管材质、盘管管径等方面展开，对蓄冰和融冰过程中载冷剂与管外介质之 间的传热热阻作了细致分析，对相同工作状况下不同管径、不同管材作了对比研 究。 结果表明，相同工况下，管径越大传热效果越好；管材导热系数增大，蓄冷 过程中总传热热阻变小，但并非管材导热系数越大越好，管材导热系数大于冰的 导热系数时，就有较好传热效果；管材导热系数远大于冰的导热系数时，总传热 热阻并不随之得到相应幅度的降低，因而对管材的选择，不能盲目追求导热系数 的增加，应结合技术经济对比最终确定( 本文仿真模型可为选型提供具体、直观 的技术参考依据) 。 5 2 对后续工作的建议 1 、内融冰系统优点很多，但其融冰后期热阻增幅较大，释冷量降低，此问 题有待迸一步研究。建议考虑与其它融冰系统形式相融合：如内融冰和外融冰结 合，取长补短，可以进一步进行研究。 2 、继续完善仿真实验台，加入制冷系统模块、控制模块和冷量用户模块， 使之可以进行整个蓄冰空调系统的性能模拟与研究。在此基础上增加经济性分析 模块，为蓄冰盘管设计提供技术经济决策功能。 天津大学硕士学位论文 参考文献 参考文献 e 1 章学来，空调蓄冷蓄热技术，大连：大连海事大学出版社，2 0 0 6 3 - - - 4 2 3j o n a t h a nd w e s t ，p e r f o r m a n c eo fav o l u m e t r i cm e t h o df o rm e a s u r i n g s t a t eo fc h a r g ef o ri c es t o r a g es y s t e m - a s h i 眦t r a n s a q c t i o n s ，1 9 9 9 ，1 0 5 ( 2 ) 3 r k s t r a n d ，d e v e l o p m e n td od i r e c ta n di n d i r e c ti c e s t o r a g em o d e l s f o re n e r g ya n a l y s i sc a c u l a t i o n s a s 眦t r a n s a c t i o n s ，1 9 9 4 ，1 0 0 ( 1 ) ：1 2 3 0 1 2 4 4 4 k i r kh d r e e s ，d e v e l o p m e n ta n de v a l u a t i o no far u l e - b a s e dc o n t r o l s t r a t e g yf o ri c es t o r a g es y s t e m s ，a s h 眦t r a n s a c t i o n s ，1 9 9 7 ，1 0 3 ( 1 ) ：3 4 4 5 3 d h s p e t h m a n n o p t i m a lc o n t r o lf o rc o o ls t o r a g e a s h r a et r a s a c t i o n s 1 9 8 9 。9 5 ( 1 ) ：1 1 8 9 11 9 3 6 j o s eh m n e r o p a r a m e t r i ca n a l y s i so fa ni n t e r n a l - m e l ti c e - o n - c o i l t a n k a s h r a et r a n