（制冷及低温工程专业论文）导热塑料盘管蓄冰槽传热性能的研究.pdf

摘要 导热蛆料盘管蓄冰槽传热性能的研究 周伟坤 浙江大学制冷与低温研究所，杭州，3 1 0 0 2 7 摘要 在当前全球( 特别是我国) 对能源需求越来越迫切的形势下，冰蓄冷空调 系统以其简啦的结构和显著的社会经济效益得到了日益广泛的应用。在目前应 用的多种蓄冰系统中，内融式冰盘管蓄冰系统具有可靠性高，结冰融冰比较迅 速等优点，因此得到了广泛的应用。 冰盘管材料的热导率对其传热性能有重要的影响。目前，钢材等金属材料 由于其具有较高的热导率而被广泛地用作盘管材料，但乙二醇溶液刘钢等金属 的腐蚀性会对盘管工作的长期稳定性产生严重影响。 本文提出采用新型的导热塑料来代替钢作为盘管材料。导热塑料是一种新 型材料，它既具有普通塑料的耐化学腐蚀性能，又具有比普通塑料高得多的导 热能力。为此，本文做了以下研究工作： 1 建立内融式冰盘管在蓄冰和融冰时的数学模型，从理论j 二分析了盘管材 料对蓄冰槽传热性能的影响； 2 搭建实验台，测试导热塑料盘管蓄冰槽的传热性能，通过实验结果与理 论结果的比较来验证数学模型； 3 全而比较导热塑料盘管与钢盘管，包括它们的传热性能、流动阻力、加 工工艺、产品价格等； 4 比较“完全冻结”与“不完全冻结”方式在蓄冷和释冷时的传热性能： 5 分析进口温度和流量对释冷过程传热性能的影响。 最后，对全文进行了总结。 关键词：冰蓄冷导热塑料盘管传热性能不完全冻结 a b s l r a c t s t u d y o nh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fc o n d u c t i v ep l a s t i c i c e o n ，c o i l w e i k u nz h o u i n s t i t u t eo f r e f r i g e r a t i o na n d c r y o g e n i ce n g i n e e r i n g ， z h e j i a n gu n i v e r s i t y , h a n g z h o u3 1 0 0 2 7 ，p r c h i n a a b s t r a e t n o w a d a y s ，p o w e ri s i ns h o r ts u p p l ya l lo v e rt h ew o r l d ，e s p e c i a l l yi nc h i n a i 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 mh a sb e e nu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l yd u et oi t s s i m p l es t r u c t u r ea n do u t s t a n d i n gs o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s a m o n ga l lt h ei c e s t o r a g es y s t e m s ，i n t e r n a l 。m e l ti c e o n - c o i lh a sb e e nw i d e l yu s e db e c a u s eo fi t sh i ：g h r e l i a b i l i t ya n dr e l a t i v e l yh i g hc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gr a t e t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft u b em a t e r i a lp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c so f i c e - o n c o i l n o w a d a y s ，s u c hm e t a la ss t e e lh a sb e e nw i d e l yu s e da s t u b em a t e r i a l ，b u tt h ec o r r o s i v e n e s so f s e c o n d a r yr e f r i g e r a n t ( g l y c o lw a t e r ) t om e t a l t u b eh a sn e g a t i v ee f f e c to nt h e l o n g - t e r ms t a b i l i t y t h i sp a p e rp r o p o s e st ou s eak i n do fn o v e lc o n d u c t i v ep l a s t i c si n s t e a do fs t e e la s t u b em a t e r i a l i n c o m p a r i s o nw i t hs t e e l ，n o v e lc o n d u c t i v e p l a s t i c s h a v e g o o d a n t i 。c o r r o s i v e n e s sa n dt h e i rt h e r m a l c o n d u c t i v i t y i sm u c h h i g h e rt h a nt h a t o f c o m m o n p l a s t i c s i no r d e rt os t u d yt h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so f c o n d u c t i v ep l a s t i ci c e o n c o i l ， t h e f o l l o w i n gw o r k sh a v eb e e nd o n ei nt h i sp a p e r ： 1 an u m e r i c a lm o d e lo ft h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fc o n d u c t i v e p l a s t i c i c e 。o n 。c o i lh a sb e e nd e v e l o p e dd u r i n gb o t hc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gp e r i o d s t h e i m p a c t so ft h e r m a lc o n d u c t i v i t yo nt h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fi c e o n - c o i l h a v eb e e na n a l y z e db y u s i n gt h i sm o d e l 2 a ne x p e r i m e n t a la p p a r a t u si sb u i l tu pt o s t u d yi t sh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s a n dt ov e r i r yt h en u m e r i c a lm o d e l 3 c o m p a r i s o nb e t w e e nm e t a li c e o n c o i la n dc o n d u c t i v ep l a s t i ci c e o n - c o i lh a s b e e nm a d ei nt h e i rh e a tt r a n s f e rp r o p e r t y , f l o w p r e s s u r ed r o p ，i n s t a l l a t i o n ，p r o c e s s i n g 垒堕型 一 m e t h o da n d p r i c e 4 c o m p a r i s o nb e t w e e n “p a r t i a lc h a r g e d ”m e t h o da n d “f u l l yc h a r g e d ”m e t h o d o f i n t e r n a l 一m e l ti c e o n c o i l i nt h e i rh e a tt r a n s f e rp r o p e r t yd u r i n gb o t hc h a r g i n ga n d d i s c h a r g i n gp e r i o d s h a sa l s ob e e nm a d e 5 t h ei m p a c t so fi n l e tt e m p e r a t u r eo f i c e o n - c o i la n dm a s sf l o w r a t eo fs e c o n d a r y r e f r i g e r a n td u r i n g b o t hc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gp e r i o d s h a v eb e e na n a l y z e d i nt h ee n d ，t h es u m m a r y o f t h i sp a p e ri sa l s og i v e n k e y w o r d s ：l e es t o r a g e ，c o n d u c t i v e p l a s t i c si c e - 0 n - c o i l ，h e a t t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s p a r t i a l - c h a r g e d i i i 独创性声l 刿 y6 8 0 2 8 0 本人声明所呈交的学位沦文是在导师指导下进1 7 - a j i u ) 究j 二作及取得的研究成果。据我所知， 除了文中特别加以标注利致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝至三盘鲎或其他教育机构的学位或证一i 5 而使用过的材料。与我一同 j ：# 4 - f l , j m 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井表示谢意。 学位论文作者签名 午呻 签字日j j ：讥冲中年3 月肛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘望盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 目并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允v i ：论文被奄阅和借阅。 本人授权堑垫盘堂j 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，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门j 本授权二降) 学位论文作者签名 闪伟砷 导师签名 韶州 签字目删：伽乍年；，l = j 加日 签字日圳：扣u 岬年3 月、。日 学位论文作者毕业后去向 ：i 一作单位 通讯地址 电话 | | | l ；编 主要符q 表 r e g r p r 雷诺数 格拉晓夫数 普朗特数 主要符号表 无量纲准则 n u r a 温度 密度 运动粘度 速度 质量 比热容 热量 换热系数与换热面积之积 导温系数 长度 叫问 体积 偏心度 水层厚度 符号 努谢尔特数 瑞利数 压力 重力加速度 动力粘度 导热系数 质量流量 柏变潜热 热阻 对流换热系数 容积膨胀系数 微元段长度 直径 距离 面积 下角标( 不包括文叶1 己注叫的) 盘管1 , u a l e t 水 乙二醇溶液 i c e 冰 潜热s c 显热 进口o u l出口 盘管i 勾壁o u t e r 盥管外壁 盘管微元段编号 j时间段编号 等效热导率 ，水的凝固温度 临界值 p g p t廓，月，d s ， p v w f q u 盯 上 f r c 占 p p 胁胁胁m协，够 第一章绪论 第一章绪论 本章叙述了本文的研究背景与意义，介绍了冰蓄冷空调技术的特点、发展 和分类，最后介绍了本文的主要工作。 1 1 课题背景 在 5 f i 日国际性的对能源要求越来越迫切的形势下，各国政府都把“节能” 这个问题摆在首要的议事日程上。作为国民经济基础产业之一的电力工业的节 能在其中具有重要的地位，但电力供应高峰不足而低谷过剩的矛盾随着经济和 社会的发展而日益突出。解决电力不足的问题，一方面是靠增加对电力的投入， 加快电力建设的步伐，多装机组，多建发电站来满足高峰负荷的需求，但由于 夜问处于用电低谷期，这些电站即使在夜间继续运行也只能在低负荷下低效率 运转；另一方面则是通过国家对电力政策的调整，节约用电、移峰填谷、充分 利用现有的电力资源、发展成熟的电力需求侧管理( d s m ) ，是解决电力供需 矛盾的有效方法，蓄冷技术正是在此背景下在7 0 年代后获得了较大发展。 蓄冷空调系统以其简单的结构和显著的社会经济效益日益受到重视，它对 我国的经济建设和电网的调峰节能具有重要的现实意义。在国家能源消耗中， 建筑能源占有相当大的比例。据统计，我国历年建筑能耗在总能耗中的比例占 1 9 2 0 左右，平均值为1 9 ，8 ，其中，用于暖通空调的能耗约占建筑能耗的 8 5 。应用蓄冷空调技术，对用户而言，可以节省运行费用：对国家而言，则 可均衡电网的峰谷差，提高电能的利用率和发电设备的运行效益，缓解电力紧 张状况，这是一项符合我国国情的、具有发展前途的技术。自1 9 9 3 年8 月1 日 华北电网、1 9 9 4 年4 月1 6 日华东电网相继实行峰谷电差价以来，随着建设、 设计单位对蓄冷式中央空调系统的日益了解，蓄冷式中央空调系统的实施日益 广泛，蓄冷空调正在成为我国空调行业的一大新热点。 我国大陆地区的电力工业随着改革开放以来的经济发展而长足发展，截止 到1 9 9 7 年底，全国发电装机总量达2 5 亿k w ，年发电量达1 1 ，1 3 2 亿k w 。但 是电力供应高峰不足而低谷过剩的矛盾随着经济和社会的发展口益突出，城市 中空调的应用加大了这个矛盾。为改善电力供应的紧张状况与电力负荷环境， 1 9 9 4 年国家计委、电力部等部门决定实行电力供应峰谷不同电价政策，以推动 削峰和谷电的应用，缓解电力建设和新增用电的矛盾。1 9 9 5 年4 月成立了全国 第一章绪论 莆冷空调研究巾心，隶属于巾国节能协会，现名为中国节能协会蓄冷空调专委 会。另外，1 9 9 7 年1 1 月国家发柿了“中华人民共和国节约能源法”。在1 9 9 8 年底颁布的困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 九勺压力，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，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。”我国从9 0 年代初开发冰蓄冷空调系统以来，截 l e 到2 0 0 1 年，已建成和正在建的水蓄冷和冰蓄冷空调系统共计1 7 7 项，取得了 初步成效和经验。 冰蓄冷技术目前已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，大力推广冰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。 1 2 冰蓄冷空调技术及其特点【2 。4 冰蓄冷空调技术，是在电力负荷较低的夜间用电低谷期采用制冷机制冷， 利用冰的潜热特性，将冷量储存起来。在电力负荷较高的白天用电高峰期，把 冰中储存的冷量释放出来，来满足建筑物空调或生产工艺的要求，达到转移尖 峰电力、减轻电网负荷、节省电费、降低设备容量的目的【2 1 。 如图1 1 和图1 - 2 所示，从结构上来讲，蓄冷式空调的最大特点是比传统 空调增加了一套蓄冷装置，而制冷系统及空调箱循环风系统基本上与常规空调 系统一样( 低温送风除外) 。 图1 - 1 传统空调系统原理图图1 2 蓄冷空调系统原理闰 【 一1， 一蒸发器。lu，卜、r_li冈il 第一章绪论 与传统空调系统相比，冰蓄冷空调系统具有以下优点： 1 削峰填符：利用电网谷荷电力，s l z 衡电网负荷，减缓发电厂建设。 2 利用峰谷荷电力差价，降低空调系统运行费用，且峰谷电价差越大，其 经济效益越显著。 3 空调系统装机容量( 包括制冷主机、水泵等) 比常规空调系统要小，减 少了空调系统电力增容费以及供配电设施费。 4 冷冻水温度可降到1 4 ，可实现大温差、低温送风空调，节省水、风 输送系统的投资和能耗。 5 蓄冷有应急冷源，提高空调系统的可靠性。 但是，冰蓄冷空调系统也有其缺点： 1 通常在不计电力增容费的前提下，其一次性投资比常规空调系统要大。 2 制冰蓄冷时由于制冷主机的蒸发温度较低，其效率有所下降。 3 尽管由于制冷主机的减少可以减少空调机房而积，但要增加放置储冰槽 的地方。 4 冰蓄冷空调系统的设计、调试与运行控制要比常规空调系统复杂。 1 3 蓄冷空调技术的发展5 蓄冷技术在空调领域的应用，从世界范围来看，大致经历了三个阶段： 从上世纪3 0 年代至6 0 年代，是以削减空调制冷设备装机容量为主要目标， 以小冷机带动大负荷的水蓄冷阶段。那时主要在一些周期性使用，供冷时问又 很短的建筑物如教堂、体育馆、会堂中采用这种蓄冷技术，旨在降低系统初投 资。 从7 0 年代至8 0 年代，是以转移尖峰用电时段空调用电负荷为主要目的的 “移峰填谷”的冰蓄冷阶段。在那时，主要在一些只在用电高峰时段使用空调 的建筑物，如办公楼、大型商场内推广使用冰蓄冷技术。单纯的冰蓄冷，由于 蓄冷需降低蒸发温度，因而降低了制冷效率及增加了制冷时的电耗。所以虽然 降低了运行费( 由于实行峰谷电价差与其它优惠措施) ，但实际电能消耗却增加 了，而且总投资也高，偿还期一般均需7 年以上。 从8 0 年代末至9 0 年代中，除了转移尖峰用电时段的空调负荷目标外，又 增加t n 用冰蓄冷的“高品位冷量”，以提高空调制冷系统整体能效和降低制冷 系统整体投资及建筑造价、改善室内空气品质和热舒适为目标，进入低温、大 温差供冷送风的蓄冷空调发展阶段。蓄冷空调的应用范同，除了上述建筑之外， 第一章绪论 又扩大到实验楼、研究中心、：【：厂、学校、医院等类型建筑，以及区域供冷的 改造。目前这类蓄冷空调能增加的初投资一般可在2 年左右得到补偿( 电力公 司有补贴政策) ，少数工程已做到比常规空调系统投资更少。 由此可见，同一蓄冷技术，在不同的发展阶段，有着不同的目的与要求， 同时也包含着不同的技术内涵，所涉及的技术深度与广度也有本质的差异。 1 4 冰蓄冷空调系统的分类凹，6 。8 冰蓄冷系统的种类很多，分类也相当复杂，常用的分类方法有：冷媒、结 冰方式、结冰融冰的方向、载冷剂流程和型式等，冰蓄冷系统的分类如表1 1 所示。 表1 1冰蓄冷系统的分类 分类方法 名称 冷媒制冷剂直接蒸发式、载冷剂循环式 结冰方式静态结冰、动态结冰 结冰融冰的方向内溶冰、外溶冰、内外同时溶冰 载冷剂流程密闭式、开放式 外融冰盘管式、内融冰盘管式、制冰滑落式、 型式 密封件式、冰浆式 下面我们以型式分类来介绍一下冰蓄冷系统的特点： 一、外融冰盘管式( e x t e r n a lm e l ti c e o n c o i l ) 在冰盘管式的蓄冰系统中，蓄冰槽内充满用来制冰的水，水中置有结冰盘 管，盘管内流动着制冷剂或载冷剂( 例如乙二醇溶液) 。结冰时低温的制冷剂或 载冷剂在盘管内循环，4 4 - 盘管外表面的水逐渐冷却至结冰。而根据融冰时的方 式不同，冰盘管式蓄冰系统又可分为外融式和内融式两种。 外融式冰盘管在融冰过程中，从空调系统流回的温度较高的冷冻水进入蓄 冰槽，与盘管外表面的冰接触融化后形成温度较低的冷冻水，然后流经换热设 备将冷量送入空调系统，或直接供给低温送风空调系统。由于融冰时盘管外表 面的冰是从外向内融化的，故称为外融式。 外融式冰盘管系统可以采用制冷剂来直接冷却制冰，这时蓄冰槽就相当于 主机的蒸发器，因此传热效率高。但由于蓄冰槽的制冷剂用量大，盘管焊接质 量要求高，盘管的焊接处多，常发生制冷剂泄漏问题，且维修困难，故近年来 嚣一颦绪论 逐渐莱粥载冷荆酒接冷却。 此羚，於黜式球盘管蓄捧系缀还有戬下特点； 1 ，融冰过猩是由外向内融化，濡度较高f i ：i 冷冻水翻水与冰盔接接触，可以 在较瓣的时闻内铡出大潼温度稳定韵 氐溢冷冻水。函诧将嗣遗台于澈时间 勾要 求冷爨大、淦度低戆强掰，孙一些工照趣王过程及懿滠遴最空溺系绫。 2 ，蓄冰槽内需保掩一定分照的水，以便抽水融冰，因此其制冰率( i c e p a c k i n g f a c t o r ) 较低。为防止赧管闻的泳连结在起丽无法摘承融泳，遗常使用缩珠零 度擦铡器。 3 若采_ l = l l i l | 冷裁蕊接冷却静方式，劐应滤箨台适的涮冷潮流速，搜繁到蠢 管内纳润滑油流回压缩机，而不至影响溢管佟热效果。 二、内融冰盘管x - ( i n t e m a tm e l ti c e o i l + c o i l ) 与舞融式不丽，内藏式溶纛管在融球对。扶空诵受旃璃滚翻匏瀑爱较高浆 载冷裁进入蓄弑稽，濂遥盘蟹并褥盘辫矫豹琢融诧，霜对裁冷粼豹瀑发瞧降 蔻， 秀被掏强戮奎满受萄灞饺瑶。盘予融塔薅鑫餐羚翡溶怒旗蠹态羚融纯滟，族成 为肉融式。也因为如此。内融式冰盘错一般只能采用裁冷剂作为工质。在蓄冰 帮融绻过耧中，蓄藩耩蠹部斡承辩正不葫，只借麓予擞篱蠹簸载冷粼麓瀑瘦变 化来实现制冰湘融冰。 咚融式椿懿管其鸯良下一楚特点： 1 翻冷系统的翻冷帮蹋鬃少盈不荔淹漏，可靠佼好。 2 暴矮载冷裁遗雩亍藿踩霉鬟融漆，臻魏了一次蕊热镄失。 3 蓄冰时瞽冰槽内不需预留空间作为冷水区以便抽水融冰，因此系统具有 鞍囊戆麓拣零( 狰玲，觳可以遮戮5 0 疆上，毽鼗肉融式溶盘管霄i 孝侯京被竣 为完全冻结式球盘管。在爨撵戆饕冷壤下，凝藿冰撼鹣体积魄羚融式癸小，霹 以繁键系绫懿安装空溺。 4 与外融冰方式相比，内融冰方溅可以避免外融冰方式出于上一搿期蓄冷 时，在盘签终袭嚣可麓产生剩余浆，萼l 起旋热效率下簿，以致表嚣缭拣露囊不 均匀等因素。 5 融豫过程中，熬瑟主要靠紧曩占卷警势表嚣跫融纯豹承与未熬纯瓣熬之翊 静鸯然划流秘已敲诧静承静导热寒遴孝子传热，随蓉融溶过程瀚避芎亍，懿餐羚表 面与冰之蛹的承瀑逐溺变j 攀( 麴黧1 - 3 褒示) ，捷褥换热热阻逐濒璎大，融泳速 率也因此而交小，尤其是在融冰过程后期，鬻冰槽内的冰难以融化，冷燮难以 释放，蠢壤褥铡冷裁蕊窭强滠发舞毫。赞对遂褥蘩嚣，蔼羧袋愆8 不完全冻结” 方式的内融式冰盘管。所谓的“不竞全冻结”方式是摆在制批结柬时楣邻盘镣 第一章绪论 问形成的冰层并未相交( 在相切时结冰过程即结束) ：融冰时冰层在水的浮力作 用下向上浮升，在融冰过程中始终有部分冰层直接和盘管相接触。融冰到一定 程度后，冰层破裂，形成温度稳定的冰水混合物，直至融冰结束( 如图1 4 所 示) 。因水未完全冻结成冰，所以制冰率较“完全冻结”方式的要来得低，但具 有融冰速度快、出口温度较低等优点。 图1 3完全冻结的融冰过程示意图图1 4 不完全冻结的融冰过程示意酗 一6 0 ，上、 0 r 一姆一谚 i 1 一三一? o 0 i 争母 冰 1 冰 过程1 古垒锚 、= ；式一：7 【e o ) 1i o _ ；= 1 t _ 卜七0 = 十 铸赠 越程4攀 墨缈铷f ，三、 瓢。凑 二_二基旧三 j 0 霞审产 g吵冀缈二、二=二_m_ _水：二二：ij=二： 赢二二二二： 二二二=毽稿2二二二二 一一一一一 _ ，妇斗i - ：，炎、( _ _ 一一一 _i一鹫芸簿牲 ? 霉誊棼二 二：鼻期二 ：j 二_ _ _ d o i = 警墼攀 i m 兰盘 。结滁辩繇溢瓣潮冷裁壤载冷黼 在蠹蛰内循环，将懿臀外表黼的承谶溉冷却型结冰。整个蓄冷过程弼”娃分为测 量徐袋；噩热蔫玲徐最( 瑟臻溺甏魏) 籁潜溱篱冷辩袋髂鼷鑫臻露) 。餮2 - l 溪露戈嫒蓉誉冷过程搴懑霪，在蘩冷逸稷中，憾漫豹2 s 乙二醇溶骥( 矮璧貔) 在塞蛰蠢藏潞，与蛰羚器球攥交黪拳潦孬熬交魏，蒸黄蕊经瓣f 裂三令过纛； 第二二章嚣热塑靼 球盘管传燕牲熊静数学穰囊 l 。餐| 是乙二簿溶液专盎管肉壁於对滚换热，其热聪表示为民。； 2 通过盘镑壁的导热，其热阻表示为冠。； 3 + 显热蓄冷阶段淑管外壁与水的自然对流换热，其热阻表示为r 。“潜 热蓄冷阶段通过可变厚度冰层的导热，其热隰表示为冀。 乙 图2 1盘管蓄冷过程示意图 如图2 一l 所示，将盘管沿乙二醇溶液的流动方向等分为n 段长度为，的微 元段，_ ；v 二对每一微元段避李亍传热分聿厅积能量乎獬分丰厅。设第i 段盎管微元段乙 二醇溶液的入翻温度为瓦一出口温度为瓦w ，当e 足够小时，。与瓦。相差 很小，可近似认为该段乙二醇溶液的平均温度为l 。瓦，。这样，在时瓣段f 肉 这一微元段盘管中乙二醇溶液与管步 7 k 的换热攘可表示为 q = 强( 墨。一瓦。) r = 魂一q 。( 乙牮一瓦，弦 ( 2 1 ) 式中，菇。与c k 。分到是乙二簿滚滚豹矮量滚疆窝魄热餐，乏。是蓄冷槽中东 的温度；而( 他则是这一微元段盘管中乙二醇溶液与水灼换热系数与换热面积 之积。 、显热蓄冷阶段 在逸热蓄冷除段，餐冰糖壁的水从o 以上靛某一温度( 例如室瀑) 慢慢 降低到0 ，这一阶段冰层并没有出现，冷量只是以水的显热的方式储存起来， 因此式( 2 1 ) 在显热誉冷阶段司以扩充为： 攀i 第一章 导热塑料冰盘管传热性能的数学模型 q = 啦。l o , 。也，) f f = l i i b r i n e c b 。( t o 。 ) = 坐笋c 一。) ( 2 _ 2 ) 其中m 。，为莆冰槽内水的总质量，z 忘_ 为前一时间段的水温，z 出。为该时 间段的水温。 显热蓄冷阶段的换热系数与换热面积之积可表示为 u a 峨，= ( r b r i n 。, i + r 纠+ r 。叭) 容易求得 。一- n ( 薏 r m e2 茜孑 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 由给定的乙二醇溶液的质量流量，求得它的流速。一般情况下，乙二醇溶 液在盘管内的流动是处于强制紊流状态的，用d i t t u s b o e l t e r 公式【l 】可以求得盘 管内壁与管内乙二醇溶液的对流换热系数 矿坚糍羚丛，赢“， ( 2 5 ) 式巾，k b 。和胁。分别是乙二醇溶液的热导率和动力粘度。这样便可求得 r 。= ( z 吃。，叱。) ( 2 6 ) 至于盘管外壁与水的换热，由于相邻盘管之间的距离较大，可以看成是大 空间自然对流换热。运用水平长管的大空间自然对流换热的经验关系式l ，2 1 可以 确定盘管外壁与水的换热系数： 矿斟s 。+ 赤薪 2 ( 2 7 ) 筇二二章 导热塑料冰积管传热性能的数学税型 其中，瑞利数山下式确定 r 扩堂山丝z 8 。p ， ( 2 8 ) 式中楚瘩豹褰掇澎羰系数，? 乙。是纛警羚璧豹乎臻滠爱。这榉，擞瓣终壁与 水l ! l 勺对流换热热阻可表示为 r 。= ( 灯九。，? 吃。，) ( 2 9 ) 分别求得咒。、置m 和r 。，后，便可由式( 2 1 ) 和( 2 。2 ) 求得微元段盘 管的出1 2 温度以及该时间段的水温 + 面q t j 。= t j - 1 。一瓦i o n 乏= ( 2 1 0 ) ( 2 一1 1 ) 对于下徽元敬盘管来泷，乙二醇溶波的入口湿凄等予一段微元段擞警约爨 口温度，即 ( 2 一1 2 ) 只要给出盘管的入口漱度z 叩和初始的水温i ，那么通过迭代计算便可求得 整禳纛管毂密团温度。 - l 、澄热蓄冷除段 随着蓄冷过程的进行，当水温低于o o o 时，盘管外壁开始结冰。遗阶段 蓄致横内东豹滠度保持在0 ，冷量馥冰静潜热懿形式储存超寒，因魏式( 2 1 ) 在潜热蓄冷阶段可以扩充为： 帮二= 章导热塑料冰懿管传热性能的数学模趔 q ：( k ，：呱嘣k 厂妙：坐生竿业坠( 2 - 1 3 ) 其遗，矗2 为蘩一园段魏减屡直径，嚷，为该澍阉段鹳球层羹经，为冰兹 溶解热。 潜熬蓄冷除段豹换热系数弓获燕蕊拣之狡可表示为 u a i 。, ，。= ( r m w + 鬏m 。+ r 。，) ( 2 。1 4 ) 其中，r 。和蜀。与受熬蓄冷阶段一样，分剐燕盘管内壁与管内乙二醇溶液的 爻季浚按热热疆翻爨警壁豹导热熬阻，其诗算方法逛胡国。嚣耍。是霹交j 攀冰星豹 导热热阻，它可表示为 由式( 2 - 1 3 ) ，( 2 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 可得 ! & 些二玉立 一 卜。，帆。，+ 蚓1 兰区堡：! 二! 型业：垒1 4 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 式( 玉1 6 ) n 边n g d , 删，通过迭代计鲜便可求得啊。与显热蓄冷阶段一样， 求褥氐，轰，国式( 2 1 3 ) 秘( 2 1 4 ) 便可求褥盘管的邂日温度毛。 如图2 - 2 所示，当吐。瑟时，可认为饕冷过程已经结束，式中s 为营阕 距( 见幽2 - 2 ) 。 上述藿冷逯毽数学模型熬数嬗诗黪及荬缝祭趸笨嚣拳。 旃二章罨热塑辩球盘管镑煮l 落雏的数学搂瀣 图2 - 2 结冰结束时冰层半径示意图 2 2 不完全豫续方式器冷过程瓣数学模型 整个释冷过程可以分为两个阶段：港热释冷阶段( 冰层未全部融化) 和显 热释冷阶段( 冰罄全部融化) 。按照换热机理和冰层的形状的不同，潜热释冷阶 段又可分为三个阶段：同心圆阶段、偏心圆阶段和冰层破碎阶段。 在释冷过程中，从空诵末满( 电丽热器) 流回来的较高瀛泼的2 5 l 二醇 溶液( 质量比) 在糯管内流过，与管外蓄冰槽内的冰和水进行热交换，其传热 经历下列三个遭程： t 管内乙二醇溶液与盘静内壁的对流换热，其热阻表示为您。，具体计 算方法与蓄冷过程相同； 2 遴过蠡警壁豹露热，其热疆表示为黾。，其俸诗冀方法与蓄冷避程猩嗣； 3 盘管外壁与水( 冰水界疆) 的疑热，其热阻表示为翼一，。 与莆冷过程的数学模型相同，释冷过程的数学模型将盘瞥沿乙二醇溶液的 滚动方囱等分为n 段长度为z 熬徽元段，荠黠每一擞元段进行传热分撂黎鼗量 平衡分析。设簿i 段盘管微元段乙二醇溶液的入口温度为瓦山口温度为瓦。， 当f 足够小时，瓦与瓦。相差很小，可近似认为该段乙二醇溶液的平均温度为 霉一蕞，。这程，在时溷段f 囱这一徽元段盘警中乙二簿溶滚与警乡 末魏按熬量 可表示为 q 2 u a ，( 毛，一咒。) r = 晚。c 6 ( k ，一瓦。p ( 2 1 7 ) 第二章蛩热塑辩球盘餐传燕毪辘静鼗学模墅 式中，热。 _ 嘻g 。分裂蹩乙二簿溶液鹃蒺量浚爨窝沈热蜜，瓦。是释冷獾中东 的温度；两m 则是这一微元段是：管中乙二醇溶液与水的换热系数与换热面积 之积。 一、潜热释冷阶段 当溪冰攒内存在冰缓时，豢冰螬内水的温度操持在o * c 左右，冰层逐溺融 化，冷避以冰的潜热的形式释放出来，因此式( 2 1 7 ) 在潜热释冷阶段可以扩 充为： 窑：嘲：瓯。( ：尘丛簧捌2 型( 2 - 1 8 ) 其中，d ：z 为前一时问段的水层直径，或，为该时间段的水层直径，r 为冰 麴溶鼹热。 潜热释冷阶段的换热系数与换热面积之积可表示为 【l 屯。= ( r 6 。+ r m 。+ r 。，) 一 ( 2 1 9 ) 其中，r 。，盘管外壁与冰水界面的换热热阻，它在不同的阶段有不同的计算方 法硝r 便于描述各个阶段之间的过漤本文定义脚= 纛熟 当i m f 等于0 时，释冷过程刚刚开始，当i m f 等于1 时，说明蓄冰槽飘的冰已 全部融化，冰的潜热全部释放完毕。 l 。矧心臻i 髟 段 释冷过程刚开始时，与盘管外壁臻触的那一部分冰层最先开始融化，在冰 层和擞管外壁之间形成很薄的承层。出于水层很薄，这一阶段中盘镑外壁的 自然对流换热很弱，掇管外壁与冰水界面的换热以水鼷的导热为主。如图2 - 3 a 所示，这一阶段水层裁面基本上呈圆形，且盘管外壁殍秘冰水界面是尉心圆。所 以这一阶段称为同心嘲阶段。敝有 第一二章导热塑耩球鑫篱蒋热缝能酶数学搂麓 一，n 弦氏”。苟 a 嗣心强阶段 ( 2 2 0 ) b 犏心慰除段c 犏心圆阶段 图2 - 3 潜热融冰阶段示意图 2 偏心圃阶段 随着释冷过程的谶暂，水爆不断增厚，丽冰层也会随之上浮。冰屡却盘管 外壁底部之间的水层较薄，抉热较强，这一部分的冰朦也会融化得较快，所以 在盘管夕 壁底郝和冰鼷之问始终存在较薄的水层。与此同时，自然对流的作用 也不断增强，闵此这一阶段水层的形状是不规剃的，如图2 3 b 所示。 这阶段的换热幽水层的导热和囱然对流换热组成，由于水层的形状不规 则，鬟计算这阶段的换热穰豳难。所以，本文做l 出如下假设： 1 ) 这一阶段水层的形状为圆形，舅盘管外蹙与冰水界面不同心( 如图2 3 c 所示) 。所以邋一阶段称为偏心圆阶段； 2 ) 盘管底郝和冰层之闽的水层厚度万在这一阶段保持不变，本文假定 石= 2 r a m 。 麴褥判定溺心凰与犏心强鹣 幽文献【3 可知，引入等效换热系数k ，同时存在导热和自然对流换热的 同心圈环的抉热热阻可良表示为 莫中 ( 2 2 1 ) 等可 厂_1一2 鬻= 章导熬翅料球盘管传热侄髓的数学模整 = o 3 8 6 k , 。 f 1 。生。丫 羔空竺竺。蔓一 d 。，“6 + 吃。，。06 5 【( d 。，一峨。，3 2 3 r 群( 2 2 2 ) 当凝营羚壁秘冰承器蕊不是疑心溷对，换热热阻可按下嚣方法修正1 。 k 啦= 0 3 8 6 k 。, 。? ，p 、4 l m 警j ( k + 5 心k 0 讯k 一或。+ o w 2 1 3 m ：毁业：型= ! 生业型二蔓 2 0 n 2 ：垡燃望2 1 1 业竺2 ：1 2 2 c 英中，o 为蒜隶赛覆懿编心度 e ：空燃二望墼一艿 2 r 日( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 实验结暴淡锈， 当i m f = 0 1 5 0 2 游，释冷过程翻润心强阶段过渡爨偏心 圆阶段。本文舣i m f = 0 1 5 。 3 冰屡破碎阶段 涎着释冷j 熏程酶遴行，东缮越来越_ | 攀，聂球层( 蛰潮是冰瀑底部) 越来越 薄， 当融冰到定程度时，冰层底部首先开始破裂，此时蓄冰槽内形成稳定的 瑟承混合魏，焱管豁熬与承熬爨然对滚空霆增大，困戴这一除段静换热戮鸯然 孵 + 一+ 竺 盯垒屯 一 镌一m 2 2 眦 南 扣 r 式 棼二章譬热塑辩藩穗蛰赣热褴髓抟鼗学搂燮 对浚换热为主，其垫疆霹醴表示为 仗，一一茫矗一，? 屯。) k 。斟粥+ 高薪j ( 2 。2 8 ) ( 2 2 9 ) 实验结果裘啊， 当i m f = o 8 0 9 时，释冷过程由耐心圆阶殿过渡到偏心圆 除袋。本文取i m f = o ，8 5 。 二、最热释冷蹬毁 当誉冰槽内的冰全部融化完时，蓄冰槽里盼水肽o 左右僚慢上升到0 以 上，这玲段冷量只是以承鳇照热妁方式驿赦蹬来，融j 黢戋( 2 ，1 7 ) 在显热器 冷阶段可以扩充为： 箕p 敞。，为蓑冰接内承的总鏖量，磁，为懿一对闽段戆承温，! 纛。为该时 间段的水温。 爨热释冷蹬葭静羧热系数萼接熟琵羧之积表示巍 毯；= 廷。，+ 瑟删每疑一。 ” 2 。3 1 ) 箕。擎，& 。，可按式( 2 7 ) 秘式 ，高等教育出版社，l 8 0 2翁t 曾煮，聪舷尔，戴华浚，传热学，上海交通火棼出舨社，t 9 8 7 3s t a n dr k ，p r e d e r s e nc 。0 ，d o l e m a r lg n ，d e v e l o p m e n to fd i r e c ta n di n d i r e c ti c e s t o r a g e m o d e lf o re n e r g ya n a l y s i sc a l c u l a t i o n s ，a s h t l a et r a n s a c t i o n s ，1 9 9 4 4 e ，r g e c k e “，r m d r a k e a n a l y s i so f h e a ta n dm a s st r a n s f e r + i n t e r n a t i o n a ls t u d e n te d i t i o n ， m c g r a w h 弧n e wy o 嫩1 9 7 2 5 y i n g x i nz h u ，v a nz h a n g m o d e l i n go f t h e r m a lp r o c e s s e sf o ri n t e r n a lm e l ti c e - o f t * c o i lt a n k i n c l u d i n g i c e - w a t e r d e n s i t yd i f f e r e n c e e n e r g ya n d b u i l d i n g 3 3 ：3 6 3 3 7 0 2 0 0 1 一2 3 第三章 导热塑料冰盘管传热性能的实验皴置 第三章导热塑料冰盘管传热性能的实验装置 为了实际测试导热塑料冰盘管的传热性能，验证本文所建立的数学模型， 本文设计并搭建了导热塑料冰盘管传热性能测试实验台。本章介绍了实验装置 和实验流程。 3 1 实验装置的介绍 实验装置的系统流程图如图3 1 所示。该装置由制冷主机、蓄冰槽、电加 热器、膨胀水箱、载冷剂泵、测量系统和数据采集系统等组成。 蚓3 - 1实验系统流程图 i“ 确自；目月 节i 【i * 6 币；& 特8 器 口i ；i f 列# 女 卜i1 日目 【翊4i b 1_ t # 下面具体介绍各系统部件。 一、制冷主机 本装置采用了“吉佳”公司的双工况风冷机组，型号为j c f q w d 。0 5 ，名义 制冷量( 1 2 回水，7 “c 出水) 为1 5 1 2 0k c a l h = 1 7 5 8 4 w ，实测制冷量为( 1 26 c 回水，7 出水) ：约1 1 0 0 0k c a l h = 1 2 7 9 3w ，功率为5 7 2 0w 。 二、蓄冰槽 蓄冰槽的外形尺i j 均3 1 0 7 1 6 m ，内部尺寸为2 8 0 ，4 5 1 3 m ，内置 4 根蛇形导热塑料盘管，每根盘管的总长为8 5 米，管径为2 0 2 r a m ，盘管的排 第：章导热塑料冰盘管传热降能的实验装置 列形式为又排( 图3 2 ) 。蓄冷时，当棚邻盘管的冰层刚要相互措按时，蓄冰槽 的总蓄冷量为18 r t h 。盘管材料采用的是杭州华源公司研制的导热塑料，其热 导率约为1 s w ( m 。c ) 。 聋曳 一睚翰筘斗一一彳7 # 轧 5 甲￥丫 图3 - 2 盘管排列示意图 所谓的导热塑料，是指利用具有导热性能的填料对塑料进行填充改性，制 得具有良好导热性能且主要应用于传热场所的高分子混合物。能对塑料进行导 热填充改性的填料大致有三类，即金属材料、非金属无机材料及合成有机材料。 银、铜、铝及石墨因具有很高的导热系数，是制取导热塑料的理想填料。但从 经济角度考虑，银、铜并不适宜，因此，目前制取的导热塑料，基本上都是采 用铝、石墨两种填料。此外，炭黑也是一种较好的导热塑料。现在对导热塑料 的制取，主要集中在石墨填充聚丙烯与炭黑填充聚乙烯两个方面，制得的导热 塑料已经得到实际应用t 1 , 2 1 。 导热塑料能否应用于实际工程当中，除了导热性能以外，力学性能也是很 重要的。通过加入其它填料和改变各种填料的配比可以有效的改善导热塑料的 力学性能，达到工程应用的要求口】。本实验台所采用的导热塑料盘管，在o 4 m p a 的水压下试验无泄漏，而一般实验条件下，管内压力小于o 2 5 m p a ，故可认为 该种导热塑料能满足试验要求。 导热塑料拓宽了高分子材料的应用范围，它不仅具有比普通塑料好得多的 导热性能，而且还具有金属等传统材料所不能比拟的耐腐蚀性。因此它的开发 前景是相当可观的，其应用范围也将越来越广泛。本文采用导热塑料作为蓄冰 盘管的材料，研究盘管材料热导率刑蓄冰槽传热性能的影响，这对拓广导热塑 利的应用范围，以及解决冰蓄冷设备中既能满足传热方式又能耐腐蚀的新型材 料具有重要的技术和经济意义的。 谚1 寸 下 一 、u 廿 一o十lr 、f 。 一 扩 1 赢丫【 帮三章导热塑科冰盘管传热性能的实验皴置 三、电加热器 在实际工程中，空调末端的冷负荷是不断变化的，从而给测试蓄冰槽的传 热性能带来不稳定性。因此，该装置采用了两个功率均为5 k w 的电加热器来模 拟空凋末端的冷负荷。 口g 、膨胀水箱 在实验装置的最高处安置了圆柱形膨胀水箱，其容量约为2 4 l 。膨胀水箱 有四个作用：( 1 ) 可补偿系统中载冷剂因温度变化而引起的体积变化，避免载 冷剂的外溢：( 2 ) 减少管网因载冷剂体积变化而引起损坏；( 3 ) 及时排除系统 内不凝性气体，有利于系统的正常工作；( 4 ) 膨胀水箱到系统管路的静压液柱， 有利于载冷剂泵的f 压工作。 五、测量系统和数