（工程热物理专业论文）相变蓄冷球体堆积床传热模型及热性能研究.pdf

摘要 冰球式蓄冷是主要的蓄冷形式之一，其设备具有结构简单、技术要求低、可 靠性高、阻力小、换热性能好等优点，它在蓄冷空调系统中的应用也越来越多。 冰球蓄冷罐是冰球式蓄冷系统的关键设备，其工作特性直接影响蓄冷空调系统的 性能。与一般的空调系统相比，蓄冷空调要复杂得多，对它的研究更适宜采用仿 真的方法。 本文建立了冰蓄冷球体堆积床的传热模型，并编制数值计算程序对模型求 解。分析了堆积床的热特性，研究堆积床几何参数以及载冷剂状态的变化等因素 对堆积床性能的影响。并建立冰蓄冷空调系统实验台，对模型进行验证。本文为 人们分析蓄冷系统的动态特性提供理论依据，对相变冰蓄冷球体堆积床的结构设 计、性能模拟及运行管理提供理论指导。 关键词：冰蓄冷，球体堆积床，模型，传热性能 s t u d yo nt h em o d e la n dt h e r m a lp e r f o r m a n c eo fi c e - b a l lc o o l s t o r a g es y s t e mu s i n gp c mc a p s u l e s a b s t r a c t i c e b a l lc o o ls t o r a g es y s t e mi st h em a i nc o o ls t o r a g es y s t e m ，i t n e e d ss i m p l ee q u i p m e n t sa n d l o wt e c h n o l o g y ，i th a sh i g hr e l i a b i l i t y ， 1 i t t l er e s i s t a n c ea n dg o o dh e a tt r a n s f e rp e r f o r n l _ a n c e i ti sw i d e l yu s e d i ni c ec o o ls t o r a g ea i rc o n d i t i o ns y s t e m i c e b a l lc o o ls t o r a g es y s t e m u s i n gp c m ( p h a s ec h a n g em a t e r i a l ) c a p s u l e s i st h em a i ne q u i p m e n ti nt h e i c e b a l lc o o ls t o r a g es y s t e m ，i t sp e c u l i a r i t yc a na f f e c tt h e p e r f o r m a n c e o fi c ec o o ls t o r a g es y s t e m i ti sb e s t t h a ts t u d i n gi tb a s i s e d o n s i m u l a t i o nf o rt h ec o m p l i c a t i o nc o m p a r e dw i t ho t h e r s t h eh e a tt r a n f e rm o d e li sd e v e l o p e da n dn u m e r i c a l l yc a l c u f a t e di nt h e a r t i c l ，e f f e c t so ft h eh e a tp e r f o r m a n c e ，g e o m e t r yp a r a m e t e ro f p c m c a p s u l e sa n dc o o l a n tm a s sc o n d i t i o no nt h ep e r f o r m a n c eo fp c mc a p s u l e s a r ea n a l y s e d e x p e r i m e n t i o no fi c ec o o l 、s t o r a g ea i rc o n d i t i o ns y s t e mi s d e v e l o p e d ，t h em o d e li sv e r i f i e d i tc a nb eu s e df o rd e s i g n i n g ，m a n a g e m e n t a n da n a l y z i n gt h ed y n a m i c 7c h a r a c t e r i s t i c sa n dh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e o fi c e b a l lc o o ls t o r a g e s y s t e mu s i n gp c mc a p s u l e s k e y w o r d s ：i c es t o r a g e ，p c mc a p s u l e s ，m o d e l ，h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e 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幸亍的研究工作及取褥鹩 研究成果。据我所知，除了文中特剐加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的磷究成果，也不售含为获得南昌大学或其他教育极 构的学位或证书面使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：争0 先签字日期；翻。年月，目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 壶量叁鲎 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被蠢阅和 借阂。本人授权南昌大学可以将学位论文骢全都或部分内容编入有关数据摩进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作案签名：氆杉 导师签名：沙净 签字目期：劢e 年f 月日签字日期：抛g 年占月眵日 第一章绪论 1 i 发展现状与文献综述 1 1 i 蓄冷技术发展现状 冰蓄冷技术起源于欧美等发达国家，冰蓄冷技术主要为了平衡电网的昼夜 峰谷差，在夜间电力低谷时段向蓄冰设备蓄得冷量，在曰问电力高峰时段释放其 蓄得的冷量，减少电力高峰时段制冷设备的电力消耗，是电力部门削峰填谷的最 佳途径。当前世界各发达国家都推行冰蓄冷空调，日、美、法、德、英等为鼓 励推行冰蓄冷制定很优越的奖励政策，据有关资料介绍，美国计划将空调蓄冷 技术普及应用到9 9 ：日本1 9 9 8 年冰蓄冷己发展到2 8 6 8 家川。中国改革开放以 来，社会生产力、综合国力和人民生活水平都有较大的提高。电力工业作为国民 经济的基础产业之一，已取得长足的进展，近年总装机容量年增长15 0 0 万k w ， 1 9 9 6 年发电装机容量已居世界第二位。1 9 9 8 年底全国发电装机总量超过2 1 7 亿 k w ，年发电量达ii3 8 8 亿k wh 。但供应高峰不足而低谷过剩的矛盾随着经济 和社会的发展而突出，城市中空调的应用加电力大了这个矛盾，采用需求侧管 理( d s m ) 的水蓄冷、水蓄热和冰蓄冷技术是有效的解决途径之一。 1 9 9 4 年国家计委、电力部等决定实行电力供应峰谷不同电价政策，以推 动“削峰填谷”。华北电力集团首先公布峰谷电价比为4 5 ：l ，其它地区的电力 部门相继实行峰谷电价差及其它优惠政策。杭州市三电办规定，冰蓄冷中央空调 在达到蓄冷量大于l7 0 0 k w h ( 5 0 0 r t h ) ，并转移高峰电力大于2 8 指标时，每 户一次性奖励统配电量指标l o 万k w h ( 差价) 外，并给予冰蓄冷中央空调设备可 不避峰使用；按照冰蓄冷空调主机容量的3 0 5 0 减征电力增扩容费和空调 设备容量费等优惠政策，这对于推动杭州市推广冰蓄冷中央空调起到积极作用。 由此杭州市在冰蓄冷中央空调方面走在全国的前面。为了发挥电力界和制冷界两 方面的积极性，1 9 9 5 年4 月成立了全国蓄冷空调研究中心，隶属于中国节能协 会：1 9 9 9 年元月换届成立第二届，现名为中国节能协会蓄冷空调专委会。为加 快蓄冷空调技术的发展，国家经贸委己发文，将冰蓄冷空调作为今后的重点发 展项目。1 9 9 8 年底国务院发文“为缓解高峰用电对电网安全稳定运行的压力，保 证经济发展和人民生活水平提高对电网的需要，要加大推行峰谷、丰枯电价的力 度，鼓励用户采用节电技术措施，鼓励用户多用低谷电，加快推广蓄冷空调等 削峰填谷的技术措施”。目前峰谷电价等一系列政策的出台，为促进我国蓄冷空 调的发展和应用创造了良好的外部经济环境。 中国从2 0 世纪7 0 年代起，在体育馆建筑中采用水蓄冷空调系统。在2 0 世纪9 0 年代初，开始建造、并投入运行的冰蓄冷空调系统以来，我国已建成和 正在建的冰蓄冷空调工程系统截止到2 0 0 3 年6 月底共计3 1 3 项，蓄冷量超1 0 0 万r t h 。3 1 。了解决我国电力季节缺电及峰谷差加大的局势，近年来对蓄冷空调 技术的开发和应用越来越重视，发展也较快，发展蓄冷空调技术已成为不可逆 转的趋势。 1 1 2 蓄冷空调应用的前景 蓄冷空调技术应用领域十分广泛，主要应用在下列领域： ，( 1 ) 商业建筑、宾馆、饭店、银行、办公大楼的中央集中式空调系统在这些建筑 物中，夏季空调负荷相当大，冷负荷持续在工作时间内，且随着白天气温的变化 而变化。冷负荷高峰期基本上是在午后，这和供电高峰期相同。 ( 2 ) 家用空调。家用空调用电特点是用电集中，数量大，持续时间长，常常是 持续至深夜。家用空调蓄冷可以利用白天上班时间不需要开家用空调的时候进 行，也可以在后半夜低谷时进行蓄冷，视具体情况而定。若能在家用空调上普及 e 推广蓄冷技术，将大大削减供电高峰负荷。日本现在已开发出带蓄冷的小型空调 机组，用在一些家庭和商用建筑上。 ( 3 ) 体育馆、影剧院。这些场所冷负荷量大，持续时间短，且无规律性，适宜于 采用蓄冷空调系统。随着我国经济的高速发展和城市商业水平的不断提高，城市 建筑中央空调系统的应用越来越普及，人们已逐渐认识到蓄冷空调技术具有很大 的移峰填谷潜力。在建筑物空调系统中应用蓄冷技术己成为我国今后进行电力负 荷需求侧管理、改善电力供需矛盾最主要的技术措施之一。为推动蓄冷空调技术 在我国的广泛应用并保证其正确实施，国家经贸委办公厅已颁布文件，其中将冰 蓄冷空调作为今后的重点发展项目。1 9 9 8 年颁布的国务院有关文件中更强调了 “为缓解高峰用电对电网安全稳定运行的压力，保证经济发展和人民生活水平提 高对电网的需要，要加大推行峰谷电价的力度，鼓励用户采用节电技术措施，多 用低谷电，加快推广蓄冷空调等削峰填谷的技术措施”1 6 1 。目前峰谷电价政策 的出台及其不断的发展和完善，将为促进我国蓄冷空调的发展和应用创造良好的 外部经济环境，蓄冷技术在我国的应用将形成不可逆转的趋势。蓄冷技术是一种 投资少、见效快的调荷措施，目前己成为许多经济发达国家所积极推广的一项促 进能源、经济和环境协调发展的实用系统节能技术。随着我国社会主义市场经济 体制的建立，大力推广蓄冷空调技术对于提高我国能源利用水平，促进我国的经 济发展将会具有积极的影响。因此，蓄冷空调事业即将在我国有很大的发展“。5 1 。 1 1 3 同类研究工作国内外研究现状 对一个多变量的动态热力性能，绝不是可以用一个或二个静态参数所能说 明的，也不是通过简单的试验所能获取的。对冰蓄冷装置进行数值模拟，用试验 数据对模型加以验证是解决该问题的最好方法。 冰球式蓄冷是主要的蓄冷形式之一，其设备具有结构简单、技术要求低、可 靠性高、阻力小、换热性能好等优点，它在蓄冷空调系统中的应用也越来越多。 冰球蓄冷罐是冰球式蓄冷系统的关键设备，其工作特性直接影响蓄冷空调系统的 性能。与一般的空调系统相比，蓄冷空调要复杂得多，对它的研究更适宜采用仿真 的方法。在建立用以分析冰蓄冷空调系统的仿真器的工作中关键是建立合理而准 确的冰球式蓄冷罐模型。相变冰蓄冷球体堆积床是相变贮能系统的一种常用结构 形式，它具有单位体积的传热面积大、结构简单等优点。其结构图如图( 1 ) 所 示。国内外学者对其储、传热特性进行了大量研究，国内外对这方面的研究主要 有：同济大学的吴喜平、胡铮对蓄冰罐充、放冷特性做了实验研究，得出了载冷 剂流量及进出口温差与蓄冰罐充、放冷量之间的关系。清华大学的康艳平等人建 立了分析相变蓄热球体堆积床热性能的传热模型，但模型研究中并没有将蓄冷 时过冷度变化情况考虑进去。所以难以全面反殃系统的热性能特征。上海交通大 学的万时杰等人建立了冰球式蓄冷罐的数学模型，并在t r n s s 仿真平台上编制 了蓄冷罐的仿真模型，通过仿真计算数据与己有试验数据的比较。s l c h e n 分 别从实践和理论上研究了球形堆积床潜热蓄冷问题，对相变材料球采用集总模型 并得到了理论解，由于分析时忽略了载冷剂和蓄冷剂温度沿轴向的变化，显然与 实际情况有差别。p r u s a j 等人对使用矩形容器的蓄冷系统数学模型进行了研 究，。b e d e c a r c a ts j p 等人建立了分析球形堆积床蓄冷性能的理论模型。 但对温度沿蓄冷槽变化的冷却流体( 乙二醇溶液) ，只是简单地取每层温度的平 均值睁2 “。 图( 1 ) 球体堆积床的结构图 1 1 4 数值传热学及常用的数值方法 1 1 4 1 传热学分类 如果把研究方法作为依据，像流体力学那样分理论流体力学、实验流体力 学与计算流体力学，则传热学也有分析传热学、实验传热学及数值传热学( 计算 传热学) 之别。 分析传热学是应用数学求解的方法来获得传热学问题精确解的传热学分 支，在导热领域发展得尤为成熟，不少传热学的名著都是属于导热领域的。但即 使在导热的领域，复杂的问题( 如带有相变的导热问题) ，也还是难以获得分析解。 虽然对复杂的流动与传热问题目前难以得到分析解，但不能因此而忽视分析解的 作用。这是因为( 1 ) 分析解具有普遍性，各种因素的影响清晰可见。( 2 ) 分析 解为检验数值计算的准确度提供了比较依据。 4 实验传热学无疑仍是传热学最基本的研究方法。这是因为，数值计算中所 采用的物理与数学模型需要通过对现象的必要观测与测定才能建立：数值计算秘 需的流体或固体的物理特性需要通过实验测定来获得；而数值计算的准确性也往 往需要通过与必要的实验结果做比较才能确认。正因为如此，近年来国内外都重 视建立基准实验数据。所谓基准实验数据是指实验条件明确、有不确定度分析的 那些高精度的可靠实验测定结果。美国机械工程师协会流体工程分会专门设立了 一个数据库，以收集这样的实验结果。这种实验结果对考核软件具有重要的意义。 数值传热学( n u m e r i c a l h e a tt r a n s f e r ，n h t ) 又称计算传热学， ( c o m p u t a t i o n a lh e a tt r a n s f e r ，c h t ) ，是指对描写流动与传热问题的控制方程采 用数值方法通过计算机予以求解的一门传热学与数值方法相结合的交叉学科。数 值传热学最近2 0 年中得到飞速的发展，除了计算机硬件工业的发展给它提供了 坚实的物质基础外，还主要因为无论分析的方法或实验的方法都有较大的限制， 例如由于问题的复杂性，既无法做分析解，也因费用的昂贵而无力进行实验测定， 而数值计算的方法正具有成本较低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。经过 一定考核的数值计算软件可以拓宽实验研究的范围，减少成本昂贵的实验工作 量。在给定的参数下用计算机对现象进行一次数值模拟相当于进行一次数值实 验，历史上也曾有过首先由数值模拟发现新现象而后由实验予以证实的例子。 数值传热求解问题的基本思想是：把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场 ( 如速度，温度场，浓度场等) ，用一系列有限个离散点( 称为节点) 上的值的 集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间关系的代数方程 ( 称为离散方程) ，求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似值“2 删。 其基本思想可以用图( 2 ) 表示。 【i 4 2 数值传热学中常用的数值方法 在过去的几十年内已经发展出了多种数值解法，其间的主要区别在于区域的 离散方式、方程的离散方式及代数方程的求解的方法这3 个环节上。在流动与传 热计算中应用较广泛的是有限差分法，有限元法，有限分析法及有限容积法”。 建立控制方程、确定初始条 件与边界条件 i 划分子区域，确定节点 ( 区域离散化) i r 。 建立离散方程 ( 方程离散化) 初始与边界条件离散化 i 求解离散方程 一 解的分析 图( 2 ) 物理问题数值求解的基本过程 ( 1 ) 有限差分法 这是历史上最早采用的数值方法，对简单几何形状中的流动与换热问题也是 一种最容易实旌的数值方法。其基本点是：将求解区域用与坐标平行的一系列网 格线的交点所组成的点的集合来代替，从而在每个节点上，将控制方程中每一个 导数用相应的差分表达式来代替，从而在每个节点上形成一个代数方程，每个方 程中包括了本节点及其附近一些节点上的未知值，求解这些代数方程就获得了所 需的数值解。由于各阶导数的差分表达式可以从t a y l o r 展开式来导出，这 种方法又称建立离散方程的t a y l o r 展开法。 ( 2 ) 有限容积法 在有限容积法中将所计算的区域划分成系列控制容积，每个控制容积都有一个 节点作代表。通过将守恒型的控制方程对控制容积做积分来寻出离散方程。在导 出过程中，需要对界面上的被求函数本身及其一阶导数的构成作出假定，这种构 成的方式就是有限容积法中的离散格式。用有限容积法导出的离散方程可以保证 具有守恒特性，而且离散方程系数的物理意义明确，是目前流动与传热问题的数 值计算中应用最广的方法之一。 ( 3 ) 有限元法 在有限元中把计算区域划分成一系列元体( 在二维情况下，元体多为三角形 或四边形) ，在每个元体上取数个点作为节点，然后通过对控制方程做积分来获 得离散方程。它与有限容积法区别主要在于： l 、要选定一个形状函数( 最简单的是线性函数) ，并通过元体中节点上的被 求变量之值来表示该形状函数。在积分之前将该形状函数代入到控制方程中去； 这一形状函数在建立离散方程及求解后结果的处理上都要应用。 2 、控制方程在积分之前要乘上一个权函数，要求在整个计算区域上控制方程 余量( 即代入形状函数后使控制方程等号两端不相等的差值) 的加权平均值等于 零，从而得出一组关于节点上的被求变量的代数方程组。 有限元法的最大优点是对不规则区域的适应性好。但计算的工作量一般较 有限容积法大，而且在求解流动与换热问题时，对流项的离散处理方法及不可压 缩流体原始变量求解方面没有有限容积法成熟。 1 1 5 姒t l a b 在数值计算中的运用 m a t l a b 以商品形式出现后的短短几年，就以其良好的开放性和运行的可靠 性，使原先控制领域里的封闭软件包纷纷淘汰，而改在m a t l a b 平台上重建。在 国际上3 0 多个数学类科技应用软件中，m a t l a b 在数值计算方面独占鳌头。“。 m a t l a b 是个为科学和工程计算而专门没计的高级交互式的软件包。它集 数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友 好的用户环境。在这个环境下，对所要求解的f 0 7 题，用户只需简单的列出数学表 达式，其结果便以数值或图形方式显示出来。”。例如，为解用矩阵向量形式 表达的形如a x = b 的线性方程组，首先生成系数矩阵a 和右侧的b ，然后简 单地敲入x = a b 即可。 m a t e a b 中有大量的命令和事先定义的可用函数集， 也可通称为m a t l a bm 文件，这就使得用它来求解问题通常比传统编程快得多： 另外一点，也是它最重要的特点，易于扩展。它允许用户自行建立完成指定功能 的m 文件，从而构成适合于其它领域的工具箱。m a t l a b 既是一种编程环境，又 是一种程序设计语言。它与其它高级程序设计语言c 、f o r t r a n 等一样，也有其 内定的规则，但其规则更接近于数学表示，使用起来更为方便，避免了诸如c 、 f o r t r a n 语言的许多限制，比方说，变量、矩阵无须事先定义；其次，它的语句 功能之强大，是其它语言所无法比拟的，例如，一条f f t 语句就可完成对指定 数据的快速傅氏变换，这就相当于几十条甚至于几百条c 或f o r t r a n 语言语句 的功能：再者，也是广大程序爱好者所梦寐以求的，m a t l a b 提供了良好的用户 界面，许多函数本身会自动绘制出图形，而且会自动选取坐标刻度。在工程计算 和数据处理中，具备如下优点： ( 1 ) 较其它高级程序设计语言，m a t l a b 程序语言的规则更为接近数学表示。 ( 2 ) 语句简洁明了，表意却出乎意料的丰富。比如，上面程序中函数m e s h 、 c o n t o u r 、s u b p l o t 等等，就出现了“一句顶几百句”其它语言的生动场面，这一 点是c 、f o r t r a n 等程序设计语言所无法比拟的。 ( 3 ) 在有大量数据的处理过程当中，避免了变量、矩阵的事先定义，m a t l a b 会 自动获取所需的存储空间。 ( 4 ) 提供了良好的用户界面，许多函数本身会自动绘制出图形，而且会自动选 取坐标刻度，可以使用户大大节约设计时间，提高设计质量。 ( 5 ) 还有其它易于扩展的功能。这一功能可以方便地构造出专用函数，从而大 大地扩展m a t l a b 的应用范围。 1 2 本学位论文所做的主要工作 本文以江西集佳科技有限公司所研发的组合式机电体化中央空调机组为 背景，建立一个能全面反映冰蓄冷球体堆积床系统热性能特征的模型。并对其传 热性能进行分析，为人们分析蓄冷系统的动态特性提供了理论依据，同时对相变 8 冰蓄冷球体堆积床的结构设计、性能模拟及运行管理可提供理论指导。 本文所做的工作主要有以下两个方面： ( 1 ) 建立冰蓄冷球体堆积床的传热模型，并编制数值计算程序对模型求解。分析 堆积床的热特性，研究堆积床几何参数以及载冷剂状态的变化对堆积床性能 的影响。着重考察冰层厚度及沿管长的变化规律，蓄冰融冰的速率和时间等。 通过上述计算的定量分析，对提高产品的性能提出改进意见。 ( 2 ) 实验工作包括两部分： ( a ) 搭建实验台，用于研究球体堆积床的传热特性。 ( b ) 编写温度采集程序，程序采用v c + + 进行编写，用于球体堆积床内的温度场的监 控。 9 第二章蓄冷技术 2 1 蓄冷技术的分类 ， 蓄冷技术分为自然蓄冷和强制蓄冷两大类。自然莆冷是人们最先想到的- , e e 蓄冷方式，它不借助专门的蓄冷设备而是利用建材、室内陈设等蓄热能力较大的 物质进行蓄冷。最简单的做法是在人们大量进入建筑物前启动空调制冷系统，将 冷量蓄存在围护结构中，当人们大量进入建筑物时，冰冷的墙壁及室内陈设开始 大量吸收热负荷，事实证明自然蓄冷的蓄冷能力有限，而且不能控制释冷速率， 因此设计提高蓄冷能力且能控制释冷速率的强制蓄冷系统势在必行。强制蓄冷系 统根据蓄冷介质的不同有多种方式，一般认为在空调系统中合理采用蓄冷技术 对提高机组效率，减少设备容量均有益处，并可能使整个空调系统的造价降低， 因此各种蓄冷方式有各自不同的技术经济性。鉴于冰蓄冷技术应用的广泛性，下 面对冰蓄冷技术作深入探讨。水蓄冷是利用3 5 的低温水进行蓄冷的， 它靠控制蓄水量和蓄水温度控制蓄冷量，靠控制出水量控制释冷速率。传统的冷 水机组、泵、空凋机、配管等均能适用，设备选择性及可用范围较广，且投资费 用低，经济效益好，有价格竞争力，与其它蓄冷系统比较，系统控制简单、设计 容易，和传统空调极为相似，运行可靠性好，同时由于设备和操作方式均与传统 空调相似，故对操作人员技术要求低；它以水为蓄冷材料，不需增加其它蓄冷介 质，节省巨额蓄冷介质费用，故隐患少。但由于水的蓄冷密度低，只能利用8 温差，蓄冷量为3 m , 6k j kg 【水的比热为4 5 2k j ( k g ) ，因此，有占地面积大、 冷损耗大、防水保温麻烦等缺点，影响其在城市的广泛应用。冰蓄冷技术开发较 早，应用也较广，利用水结冰相变潜能储能，技术也不复杂，它的缺点是蓄冷机 组工作在制冰工况，蒸发温度低，c op 值小，而且蓄冷和释冷必须使用不冻液 循环。然而，冰蓄冷储能密度大，对蓄冷容器的要求较低，冰蓄冷所占用的空间 只有水蓄冷的2 5 3 0 ，并容易做成标准化、系列化的标准设备，给用户带来 了极大的方便，同时冰蓄冷器可就地制造，节约大量资金，为冰蓄冷的广泛应用 创造了非常有利的条件。 蓄冷技术作为移峰填谷、平衡电力负荷的重大举措之一，可以将空调用电从 白天高峰期转移到夜间低谷期，均衡电网负荷。显热贮存是通过降低蓄冷介质的 温度进行蓄冷常用介质有水和盐水，潜热贮存是利用介质的物态变化来蓄冷，常 用介质为冰、共晶盐水混合物等相变物质，在蓄冷空调技术中，采用的形式多为水 蓄冷、冰蓄冷方式。冰蓄冷空调系统是在空调负荷较低时制冰储冷，而在空调负 荷高峰时融冰取冷，可以全部或部分转移制冷负荷，从而缩小供电网络的峰谷用 电负荷差。冰蓄冷系统在最近几年发展很快，在美国、日本、澳大利亚等发达国 家发展尤为迅速，在我国发展也较快。”。 常用空调蓄冷方式大致可以按i n ( 3 ) 分类。 水蓄冷 图( 3 ) 常用空凋蓄冷方式 2 2 冰蓄冷系统的工作原理 以乙二醇作载冷剂冰蓄冷系统的工作原理，以冰球式系统为例，蓄冰时： 夜间乙二醇载冷剂通过制冷主机和冰球蓄冰槽与旁通构成蓄冷循环，经制冷主 机降温至一3 左右的乙二醇流经冰球蓄冰槽使其中的冰球结冰，并以o 回水 流程如图( 4 ) 所示 动态型 静态型 m 4 + t 量 磊 l ，一要 烈 图( 4 ) 制冰时流程图 融冰时：白天载冷剂经过蓄冰槽及并联旁通降温后与空调系统进行冷量交换，由 设定出水温度调节阀控制流经蓄冰槽与并联旁通流量之比，确保出水温度控制 在2 左右，流程如图( 5 ) 所示。 罨 h 企 疆 k i ru 耋曜 悄q l 图( 5 ) 释冰时流程图 一般可把冰蓄冷空调系统划分为全量蓄冰运行模式和部分蓄冰运行模式两 种。 ( i ) 全量蓄冰运行模式：制冷主机只负责在夜间电网低谷期制冰蓄冷，空调所 需的所有负荷全部由冰的融化来提供。全量蓄冰空调系统由于所有冷负荷都在低 谷电价时段制取，所以其运行电费最省，但由于设备的使用效率低( 主机高峰期不 运行) ，所需的主机和储冰器的容量较大。与主机配套的冷却水塔和电力设备也 大，一次投资费用最多。 ( 2 ) 部分负荷蓄冰运行模式：制冷主机在夜间低谷段制取部分冷量，以冰的形 式储存，在日间电力高峰期，由储冰器和制冷主机联合供冷，以满足空调负荷的需 要。蓄冰负荷占总负荷的比例，可由技术经济分析的评估结果来决定。由于制冷 主机在日间和夜间都在运行，设备的使用效率高，相对于全量蓄冰模式，主机和储 冰器的容量最多可减少至近一半，由此可以实现最少的初期投资和最短的投资 回收期。显然这种模式的运行电费比全量蓄冰模式高o “。在空调负荷需求量锐减 的季节，为减少运行电费可把部分负荷蓄冰模式转化为全负荷蓄冰的运行模式。 2 3 几种冰蓄冷系统的介绍与比较 ( 1 ) 冰盘管式 冰盘管式即将冰直接结在蒸发器的盘管上，蒸发器盘管伸入蓄冰槽内构成 结冰时的主干管，融冰时则将空凋回水直接冲蚀槽内的冰而释放出冷量，因此 为外融冰方式。 ( 2 ) 完全冻结式 完全冻结式即将冰盘管改为p v c 塑胶管伸入蓄冰槽内，管内充以低温盐 水( 二次冷剂) 使蓄冰桶内的水结冰，融冰释冷时，让空调回水( 盐水) 通过冰 管内部，使最接近管壁的冰层先行融化释冷，此为内融冰方式。 ( 3 ) 制冰滑落式 制冰滑落式是一种动态制冷，空调回水自上方以一薄水膜的方式喷洒而下， 遇到冰冷的裸板状冷媒蒸发器开始结成薄冰层，经由制冷四通阀的切换，此时 蒸发器变成冷凝器，由压缩机送来的高温制冷剂进入其中，使冰融化，3 6m m 的薄片冰由于自身重力向下滑落至下方蓄冰槽内，原理如一般常用的除霜原理。 ( 4 ) 冰球式 冰球式是将水注入外径7 6m m 的硬质塑胶球或外径1 0 0m i l l 的软质塑胶球内， 并预留一个凹陷的膨胀空间，由球内的水结冰蓄冷和化冰释冷，冰球式系统的 工作原理类似完全冻结式，即将球塞在蓄冰槽内，以低温盐水( 7 , - - 醇) 作为二 次冷剂通入蓄冰槽与球内的冰或水进行热交换。 ( 5 ) 冰晶或冰泥式 冰晶或冰泥式是否盐水泵从蓄冰槽底部将6 浓度的盐水洒到蒸发器，当盐 水被冷却到凝固点温度以下时，即产生冰晶于管壁，搅拌机将冰晶刮下与盐水 混合成冰泥送至蓄冰槽，释冷时盐水从蓄冰槽被送至热交换器，升温至l o 1 2 再送至蒸发器降至5 再送回蓄冰槽1 冰箍管式与完全冻结式属动 态制冷。 冰盘管式为外融冰方式，释冷速率快，但蓄冰槽体积较大，因为槽内需留 一半的空间让水流动融冰，而且系统不适合边制冷边释冷，因为带冰制冷耗电 量大，得不偿失，完全冻结式为内融冰方式，它的特点是蓄冰槽体积小，释冷速 率低，制冷和释冷可同时进行，由于增加了制冷剂与盐水的一次热交换，会产 生冷损失，增大泵功率。制冰滑落式与冰晶冰泥式是一种动态制冷，它们制冷和 释冷的速度较快，做好保温则很重要，同时由于存在运动部件，维修量也较大， 影响其广泛使用。冰球式以其简单的工艺引起人们的关注，制造出能解决冰 球密度偏低、又强化传热，同时还可解决体积膨胀问题的蓄冰球是问题的关键所 在。 2 4 冰蓄冷空调系统优点 冰蓄冷空调可以缓解本地区的电网高峰压力，从而减缓电力部门的扩容压力。 由于制冷主机可日夜运行，可以大大地减少主机容量及相应的电力配套设施：减 少冷却塔配套容量和设备的使用空间。同时由于合理利用电网的分时差价制冷， 可大幅度地降低了空调系统的电费，而且具有应急冷源的特点，停电时可利用很 少的自备电力启动水泵融冰供冷，进一步提高了空调系统的可靠性“”1 。 主要优点如下： ( 1 ) 削峰填谷、平衡电力负荷。近年来，我国电力工业发展很快，发电装机容 量居世界第二位，但电力供应仍很紧张，其特点是高峰时电力不足、被迫拉闸限 电，低谷时电又用不了、被迫关停部分发电机组。若不采取削峰填谷措施，为了 满足用户对高峰负荷的需求，电网就要增大装机容量，耗资巨大。蓄冷空调是负 荷需求侧削峰填谷的强有力措施。 ( 2 ) 改善发电机组效率、减少环境污染。应用蓄冷空调技术可以改善电厂发电 机组运行状况，减少对矿物燃料的消耗和运行费用高、效率低的调峰电站的投入： 在核电带基本负荷的电网里，核电站输出功率是稳定的，因此要求使用负荷平衡。 多使用清洁的核电，可减少烟尘和c o ，的排放，减少环境污染，从而全面改善能 源使用状况和利用率。 ( 3 ) 减少制冷机组装机容量、节省空调用户的电力增容费，在实施有峰谷电网 差价的地区可节省用户电力运行费。应用蓄冷技术可以减少制冷设备的容量，使 机组原始投资费用减少。当然蓄冷空调系统增添了蓄冷设备费用，对于每一个工 程应进行具体核算。 ( 4 ) 蓄冷空调系统特别适用于负荷比较集中、变化较大的场合。如体育馆、影 剧院、音乐厅等，在这些场所，几千人甚至上万人在短时间内集中在空调区域内， 因此可用小容量制冷机组提前开机蓄冷，把小负荷冷量储存起来，供大负荷使用， 可大大减少制冷机组装机容量。牛奶加工厂也要求冷负荷比较集中，这种情况也 很适用蓄冷空调系统。 ( 5 ) 应用蓄冷空调技术，可提高原制冷机组利用率，并扩大空调区域使用面积。 现有的空调系统，有的仅在白天供冷，如写字楼、工厂及商场等，在这种情况下， 对想扩大空调送冷面积的用户，只要设置与送冷负荷相匹配的蓄冷设备，并利用 低谷时段的冷量，达到不增加制冷机组而又能不间断供冷的目的。亦即蓄冷空调 系统适合于改扩建空凋工程。 ( 6 ) 适合于应急用冷场合。如医院、计算机房、军事设施、电话机房和易燃易 爆物品仓库等，使用应急蓄冷系统可大大减少对应急能源的依赖，以提高系统的 可靠性。在这些场所，即使没电或停电，利用自备的小发电机组发电供空调风机 和水泵使用，同样可使这些场所用上空调。 第三章相变蓄冷球体堆积床传热模型及数值模拟 3 1 概述 冰球式蓄冷系统是主要蓄冷形式之一，冰球蓄冷罐是该蓄冷系统的关键设 备，其工作特性将影响蓄冷系统的控制和经济性。冰球蓄冷罐结冰蓄冷过程是一 个特殊的热传递过程，称为相变导热。蕾冷时成千上万的冰球受来自制冷机的低 温载冷剂( 体积分数为2 5 的乙二醇水溶液) 冲刷，冰球内的水因传热从壁面向 中心凝固，随着冰球的加厚，传热阻力也增大。冰球的传热特性和外部控制措施 关系到蓄冷时间和机组的能耗。 3 2 结冰和融冰的理论基础 3 2 1 水的结冰过程 由于液体与晶体的结构不同，同一物质的这两种状态在不同温度下的自由能 变化是不同的，如图( 6 ) 所示， i l 粤 目 正 t ln温度t 图( 6 ) 液体和晶体在不同温度下的自由能变化 因此它们便会在一定的温度下出现一个平衡点，即理论结晶温度t o 。高于实际结 晶温度i ，由于液相的自由能f 。，高于固相晶体的自由能只。，液体向晶体的转 变便会使能量降低，于是发生结晶。也就是说，要使液体结晶，必须造成液体与 晶体间的自由能差( f = 民一只。) ，即具有一定的结晶推动力才行。实际结晶温 度i 与理论结晶温度t o 之间的温差叫过冷度( a t = t o i ，) 。液体的冷却速度越 大，过冷度便越大；而过冷度越大，自由能差a f 便越大，即结晶推动力越大，结 晶倾向越大。必须指出，结晶时同时要发生两方面的能量变化：一方面是因晶体的 产生引起体系自由能的降低；另一方面是因晶体的出现，增加新的界面而引起体系 自由能的升高。因此要使液体真正能够结晶，不仅要有过冷造成晶体与液体之间 的自由能差以提供结晶的推动力，而且还必须造成足够的过冷度以使其自由能的 降低超过表曲能的增加，只有这样才能满足物质自高能态向低能态变化的规律。 这就是结晶必须要有一定过冷的原因。水在持续降温并最终结冰的过程中，主要 经历以下几个阶段：( 1 ) 液态水在被冷却到结晶温度0 c 的过程中，随时不断地产生 尺寸较小、大小不一且极不稳定的晶胚，它也是随后产生晶核的来源：( 2 ) 当水被 过冷至0 。c 以下，某些具有较大尺寸因而比较稳定的晶胚真正成长为晶核：( 3 ) 晶核 渐渐成长，出现棱角，棱角处的散热条件优于其他部位，因而优先成长，最好把 晶间填满。这种成长方式叫枝晶成长。过冷度越大，枝晶成长的特点便越显著：( 4 ) 大量晶核成长达到相互接触以后，冰层形成。 3 2 2 固一液相变传热特性 固一液相变传热问题的特点在于求解域中存在一个位置随时间变化的固一 液界面，对单纯物质( 如水) ，在确定的相变温度下，该移动界面是明晰的对非纯 材料，其融熔( 凝固) 现象发生在一个温度范围，移动“界面”是模糊的两相区。 对于蓄冰球，在确定相界面位置时，盘管外自然对流的存在增加了问题的复 杂性。水存在特有的4 。c 密度反转，在冰表面和周围水间的温度变化区内，存 在两个自然对流区“”4 。在蓄冰时，会有紧贴冰层0 。c 表面的向上流和4 。c 外的 向下流。融冰时，在过程初期，内层水膜拜较薄，传热主要依赖于热传导，随着 融化区域的扩大，浮升力驱动的自然对流开始起主导作用，融化区域形状有所变 化。 3 3 相变蓄冷球体堆积床传热模型的建立 上述分析使得本文所面对的研究对象比较复杂。因此，在建立数学模型时， 作者根据计算要求对实际研究对象进行了简化和假设，从而保证了计算结果的获 得。但也因此限制了计算结果的应用范围。蓄冰球体堆积床的结构如图( 7 ) 所 示， r 睾 流 图( 7 ) 蓄冰球体堆积床结构示意图 一 图( 8 ) 单个球体的参数示意图 为简化分析，作如下假设：( 1 ) 蓄冰和融冰过程是准稳态的( 2 ) 球体内的蓄冷刹 温度均匀：( 3 ) 蓄冷箱壁面绝热：( 4 ) 载冷剂和蓄冷剂的热物性参数为常数：( 5 ) 蓄冷球和载冷剂间的对流换热系数在整个蓄冰和融冰过程中为常数：( 6 ) 忽略 载冷剂和蓄冷剂沿流体流动方向的导热。基于上述假设，得到三个不同时间段的 能量平衡方程及初始条件和边界条件。 符号说明如下： p ：密度 c ：定压比热容 r 。：载冷剂的雷诺数 v ：载冷剂的运动粘度 p ：载冷剂的普朗特数 t ：温度 t ：时间 r 。：对流换热热阻 r 。：球壁换热热阻 r 。：球内冰的换热热阻 r m 。：冰的最大厚度 r o ：球的半径 h ：对流换热系数 k 。：球壁导热系数 k 。：冰的导热系数 k l ：载冷剂的导热系数 u ：载冷剂平均流速 a t ：过冷度 h 。：蓄冷剂的凝固潜热 e ：球的堆积系数( 球与球之间的堆积缝隙体积占整个箱体的体积比) r p ：球内冰的相变半径 乙：蔷冷剂的理论相变温度 a x ：控制单元体的长度 a c ：箱体的横截面积 a ：箱体内整个相变球的换热面积 v ：箱体内整个蓄冷剂的体积 m ，：载冷剂流量 l o l ：为箱体的长度 t 。：为特征时间( ，。2 l u ) 下标说明： p l ：蓄冷剂 p s ：冰体 f ：载冷剂 p i ：蓄冷剂的初始时刻 f i ：载冷剂的初始时刻 f i n ：载冷剂的入口 参数整台： 旷州2 筹。掰一2 筹缸 一丌矗。一玎r n 一 驴壶，耻瓦1c i l ，心。瓦1c 毒一亡， m 矿鼍，肾鼍 2 对流换热系数的确定“： r 。：2 旦，粤- 2 + 1 8 声r ； y ， 3 3 1 蓄冰控制方程 在充冷过程中蓄冷剂开始处于液态，通过与流经球体表面的载冷剂进行换 热，不断放出热量。由于在充冷过程中蓄冷剂经历了液态、液一固两相态和固态 的变化，因此，整个充冷过程可根据蓄冷剂所处的不同状态分成三个不同的时间 段：i 显热蓄冷段( 蓄冷剂为液态) ：i i 潜热蓄冷段( 蓄冷剂由液态转变成固 态：i i i 显热蓄冷段( 蓄冷剂为固态) 。 帅段t ：对于鞲帅等鲁锄罢甏 对硪槲们竽鲁+ m ：c ：o 。t = n 罢甏 初始和边界条件：t 2 t ，2 0 ，2 乙，弓2 弓 时间段i i ：当巧 = t m at 时，开始相变。 对于球体：一。p 。，；丌掣 h 4 z 2j 1 + m 。+ l m p ： 对于c ，竽鲁+ m ：c ：a 。t = n 兰甏 初始条件：t = f ：( 开始相变时间) 时，弓，2 l ，弓。弓：， 对于过冷度的影响，可作如下考虑：认为液态蓄冷材料的温度巧降至l j t m at 时靠近壁面的薄层液态蓄冷材料会瞬间凝固为固相，此部分的热量由其余液态 蓄冷材料所吸收，使其温度由巧升至l j t m ，因此，凝固开始时相变蓄冷剂的凝固 厚度不是零，而是r 。 时间段i i i ：当r = o i l 寸，进入第三阶段。 对于黼c ，善誓山兰甏 对于载冷 礼乃c 竽翌o t q 誓= n 罢甏 初始条件：t = t ，( 相变结束时间) 时，2 l ，弓2 弓， 3 3 2 融冰控制方程 同理在融冰过程中，蓄冷剂开始处于固态，通过与流经球体表面的载冷剂进 行换热，不断吸收热量。因此，整个融冰过程可根据蓄冷剂所处的不同状态分成三 个不同的时间段：i 显热蓄冷段( 蓄冷剂为固态) ；i i 潜热蓄冷段( 蓄冷剂由固 态转变成液态：i i i 显热莆冷段( 蓄冷剂为液态) 。 时间段i ：当r = 0 时， 、对于球体：p 。c p s l v 言一h 兰三 至 a 瓦 。l 1 + m “ a | 8 t f 对于载冷剂：乃c ，言+ m fc ，翌：h a t p ；- t ： 知 1 + m “ 初始条件：t 2 ，2 0 时，2 l ，弓2 乃 时间段i i ：当乃= t m 时，开始相变。 4 a ( 0 。3 一r3 ) 7 r 一 对于球体：h mpp l 3o t 制拆最 一l ea a 7 1 ， 对于载冷剂：p c 。r 音+ 埘，q i v - j ：h 墨王 互 l 1 + m “ 初始条件：t 2 f ：( 开始相变时间) 时，巧2 l ，弓2 弓：，r 2 。 愀i i i ：对于球体：呲p l 兰l 互o t 。a 1 v p + , m - v 了： a l 蕊f瓠f 对于载冷剂：乃q 。r 百+ m c ，i ：h a 三二互 l1 + m 盯 初始和边界条件： t 2 t ，( 相变结束时间) ，t ，2 乙 3 3 3 数学模型的求解 以蓄冰过程为例对数学模型进行求解。 3 3 3 1 方程无量纲化 口：三互，r ：二，x ：三，r ：二 瓦，一乙，。l r m 。 c雨bppicpl，一2雨bpp,cpf-(，psf ，c 其中：a 飞庐等， 面万一面_ 帙一瓦2 。 = 而h l 础2 肚器件等r , 2 毋瓦h r 0 2 坩i r o肚器件专毋瓦坩i ”寺诹去， 无量纲方程 时间段i ：对于球体 对于载冷剂 时问段i i ：对于球体 对于载冷剂 m 2 瓦r p 。e ( _ 1 ) “2 丝：一3 旦丛生 o r c p jf1 + m 町 丝+ 兰：坐! 堡盟 o to xs 1 + m 吖 z2 0 ，8 口1 2 e p t ，0 f 2 e 8 ，x = o ，e ，2 e 却 地：3 s t o s t e 垦二生 o rc p t j1 + m 町+ m 丝+ 丝：业型鱼二竺 o txs 1 七m 。f 斗m 2 3 r 2 2 ，2 既，够2 巳：rr2 r 帅对于黼鲁一一s 若鬻 对于载冷剂塑+ 丝：墼! & 笠兰 8 to x s 1 + m 。r r