【毕业学位论文】直接蒸发冰蓄冷空调实验与数值模拟研究-热能工程

分类号 密级 编号 中国科学院研究生院 硕士学位论文 直接蒸发冰蓄冷空调实验与数值模拟研究 高清华 指导教师 冯自平 研究员 申请学位级别 硕士 学科专业名称 热能工程 论文提交日期 2008 年 6 月 论文答辩日期 2008 年 6 月 培养单位 中国科学院广州能源研究所 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席 of of 008 摘 要 I 摘 要 随着社会经济水平的不断发展，电力峰谷差矛盾日益加剧，而空调耗电是造成电网负荷峰谷差的重要因素之一。冰蓄冷空调就是为了实现电网负荷削峰平谷而发展起来的一项实用技术，已经在欧美、日本 等发达国家得到广泛而成熟的应用，是当前解决电力峰谷矛盾最成熟的技术之一。为了鼓励冰蓄冷空调的应用，我国各地方政府和电力公司也纷纷出台峰谷差别电价政策，这为冰蓄冷空调技术在我国的大范围推广应用创造了良好的条件。 冰蓄冷技术包含多种技术分支，如应用最早最广泛的冰球式、盘管式等技术，具有系统规模大，集中化等特点。直接蒸发内融式冰蓄冷则是较晚发展起来的一项新技术，它具有系统规模小，适用于小型独立单元式商用或家用空调场合等特点。 直接蒸发式冰蓄冷系统的运行是一种伴有冰水相变潜热的复杂换热过程。各运行工况的动态特性和换热特性是直接蒸发式冰蓄冷系统设计开发和优化的重要依据。同时蓄冰槽与空调系统主要部件连接，研究各部件之间的耦合关系对系统的影响和整个冰蓄冷系统的换热特点具有十分重要的意义。 本论文的研究工作主要集中在两个方面： 1）进行直接蒸发冰蓄冷空调蓄冰、融冰和蓄热实验； 2）针对直接蒸发冰蓄冷空调的数值模拟； 本文首先利用直接蒸发冰蓄冷系统样机进行了一系列的蓄冰、 融冰和蓄热实验，为进一步深入研究提供了大量基础数据。 其次对蓄冰槽的传热过程进行了分析，从传热和能量平衡的角度建立了数学模型，对其蓄、融冰、蓄热机理进行了理论分析。 在对蓄冰槽的传热过程和常规空调系统研究分析的基础上，本文首次建立了直接蒸发式冰蓄冷空调系统的数学模型，考虑到蓄冰槽与空调主要部件之间的耦合关系，详细分析了系统的换热特性和动态特性，为指导直接蒸发冰蓄冷实用技术的产品开发和优化提供了重要的理论基础和参考依据。 关 键 词： 直接蒸发冰蓄冷；内融冰；蓄、融冰实验；数值模拟；动态特性；传热特性 of is is As of of of is in It is a of to is of It It is or of is to to of is to on of is on 1) of 2) of a of of of of on on of of s 直接蒸发冰蓄冷空调实验与数值模拟研究 录 V 目 录 摘 要 . . I . 录 . . V 第一章 绪论 . . 1 究背景 . . 1 力不足与电力盈余的矛盾存在 . 1 蓄冷技术的发展历史 . 2 蓄冷空调技术的分类 . 3 究意义 . . 3 究现状 . . 5 蓄冷空调研究进展 . 直接蒸发冰蓄冷空调的研究进展 . 5 有研究存在的问题 . 究任务 . . 8 题主要研究内容 . . 8 第二章 直接蒸发冰蓄冷空调的实验研究 . 9 统运行原理 . . 9 冰及融冰运行原理 . 蓄热及蓄热利用运行原理 . 9 验设计 . . 10 冰实验研究 . . 11 冰过程系统的传热特性实验曲线 . 11 冰过程系统的结冰特性实验曲线 . 14 冰实验研究 . . 15 冰过程系统的传热特性实验曲线 . 15 冰过程系统的融冰特性实验曲线 . 16 热实验研究 . . 18 热的意义及研究现状 . 1 8 热过程系统的传热特性实验曲线 . 18 热过程系统的动态特性实验曲线 . 20 第三章 直接蒸发冰蓄冷空调的数值模拟 . 21 冰槽的传热分析 . . 21 冰工况传热分析 . 融冰工况传热分析 . 蓄热工况传热分析 . 接蒸发冰蓄冷空调实验与数值模拟研究 蓄冷空调系统建模思路 . 规空调工况下系统的数学模型 . 31 缩机和膨胀阀的数学模型 . 31 凝器的数学模型 . 蒸发器的数学模型 . 常规空调工况系统数学模型 . 41 接蒸发冰蓄冷空调系统的数学模型 . 42 接蒸发冰蓄冷空调系统的蓄冰模型 . 42 接蒸发冰蓄冷空调系统的融冰模型 . 44 接蒸发冰蓄冷空调系统的蓄热模型 . 46 型求解 . . 48 动边界的求解方法 . 48 统模型求解 . . 49 解结果及分析. . 49 冷特性 . . 49 冰特性 . . 54 热特性 . . 59 第四章 结论与展望 . . 62 要研究工作 . . 62 要结论 . . 62 要创新点 . . 63 后工作展望 . . 63 符号说明 . . 64 参考文献 . . 65 硕士期间发表的论文 . . 69 致 谢 . . 70 第一章 绪论 1 第一章 绪论 究背景 力不足与电力 盈余的矛盾存在 近年来，随着商品经济的发展，工商业用电快速增加，电力供应出现紧缺局面，另一方面，电力使用也不尽合理。白天用电高峰压力大，拉闸限电现象屡见不鲜，而夜间电力不能储存，造成资源白白浪费。这就是电力不足与电力盈余的矛盾存在。 另外，人们对生活高舒适度的要求促进了空调行业的快速发展，而空调的应用进一步拉大了电力峰谷负荷差。由于空调用电主要集中在室外气温较高的中午和下午时段，使得原本己是波浪型电力负荷的高峰时段负荷激增。据统计，东北电网的最大峰谷差已是最大负荷的 37%，华北达到 40%，华中达到 表 1全国部分省市商业用电峰谷电价。 表 1国部分省市商业用电峰谷电价 省市 峰电价 平电价 谷电价 峰谷电价比例 北京 上海 天津 湖北 江西 四川 山西 陕西 广东 不断增加的电力负荷差给电网安全、合理运行带来很大麻烦，仅靠电网调度来满足昼夜电力需求变化非常困难。既然电源侧没有可行的办法来蓄存电力，解决峰谷差问题，那么采取必要方式，通过用户侧对用电负荷的调整来实现电力负荷的均直接蒸发冰蓄冷空调实验与数值模拟研究 2 衡就成为了当务之急。因此电力部门开始重 视和加强对电力负荷侧的管理，为将高峰时段的负荷转移到低谷时段，推行了一系列分时电价及其它优惠政策。目前全国除西藏之外均实行了峰谷电价政策，以广东省为例，峰谷电价比达到 1。在这种政策背景下，冰蓄冷空调技术在我国得到了迅速的发展。 蓄冷技术的发展历史 蓄冷空调最早出现在 1930 年前后，当时美国在教堂、剧院和乳品厂这类间歇使用、负荷集中的场所使用蓄冷供冷方式。70年代以来，世界范围内的能源危机促使蓄冷技术迅速发展。欧美国家将冰蓄冷技术引入建筑物空调，积极开发设备和系统，实施的工程项目也逐年增多1。美国南加利福尼亚爱迪生电力公司在 1978 年就开始制定分时计费的电价结构，美国其它各电力公司纷纷仿效，到 1987 年至少有 40 多家电力公司实行分时计费的电价结构和有关移峰的奖励措施。与此同时，从事冰蓄冷专用制冷机开发的公司纷纷崛起，多达数十家 ，如 前，蓄冷空调技术在美国已相当普及，约有 4000 多个蓄冷系统运行于不同的建筑物。 美国蓄能协会预测到2010年全美空调采用蓄能技术将达到95%以上。 目前，世界其它国家，尤其是发达国家，也已广泛应用冰蓄冷空调技术。英国的大型蓄冷系统有300 多个， 总容量达 06日本的大型集中式冰蓄冷工程已有1849个，分散式冰蓄冷空调已有35785 台； 韩国政府明令规定大于 2000外，在加拿大、德国、澳大利亚等国家，蓄冷技术也得到了相当广泛的应用。目前，世界上拥有最先进蓄冷技术并广泛应用的国家是日本。日本蓄冷空调技术的发展经历了三个阶段，这阶段的技术核心依次是:大型水蓄冷技术、大型冰蓄冷技术、小型冰蓄冷技术。 我国于上世纪 90 年代初开始引进和研制冰蓄冷技术， 目前各类冰蓄冷系统都己有建成的工程实例。第一个样板工程是电力部国家电力调度控制中心 (北京 )的冰蓄冷空调系统，总蓄冰量 16660760该项目被定为电力部重点工程；第 2个样板工程是国家电力部办公大楼 (北京 )的空调项目，总蓄冰量 249207120应用的蓄冰形式有直接蒸发式冰盘管、机械制冰、外融冰盘管、完全第一章 绪论 3 冻结式塑料盘管、不完全冻结式盘管、冰球、冰板式等。近年来，我国各大城市夏季空调用电量约占高峰负荷用电量的三分之一，造成电力高峰负荷期电力供应严重短缺问题，因而以江浙等沿海地区为首，各地 区政府陆续提出分时电价政策并对满足一定蓄冷标准的建筑物给予相应的经济补偿，这成为了冰蓄冷空调在我国投入广泛应用的契机。 蓄冷空调技术的分类 冰蓄冷根据制冰方法、冷媒、制冰设备和融冰方式的不同，有多种分类方法2。 按照制冰方式的不同可分为静态冰蓄冷和动态冰蓄冷。静态制冰方式，即在冷却管外或盛冰容器内结冰，冰本身始终处于相对静止状态；动态制冰方式，该方式制冰过程中有冰晶、冰浆生成，且冰晶、冰浆处于运动状态。 按冷媒来分可分为制冷剂直接蒸发式与载冷剂循环式，制冷剂直接蒸发式蓄冷效率较高，但对系统的要求也较高。 按融冰方式可分为内融冰、外融冰与内外同时融冰等。 按制冰设备可分为:冰晶式、制冰滑落式、冰盘管式。成熟的商品化蓄冰系统大致有蛇形盘管式以美国 司的产品为代表 、圆形盘管式(以美国的 U 形盘管式(以美国的 司的系列产品为代表)、冰板式(以美国司、司和浙江吉 佳机电设备公司为代表)、冰球式(以法国的 国的 究意义 冰蓄冷空调技术在电力低谷时间制冰，利用冰水相变潜热大的特性，将冷量储存在蓄冰槽内，在电力高峰时段释放出来以满足空调的全部或部分负荷要求，可以完成能源利用在时间上的转移，减少空调的装机容量，节省运行费用，降低运行成本。这种特殊的运行方式给电力部门、用户及社会三方均带来利益3。 对电力部门的益处:均衡电网负荷，提高电网建设与利用的经济性与安全性。如果电力部门按尖峰用电负荷建设发电设备与供电电网，那么在低谷时段，相当一直接蒸发冰蓄冷空调实验与数值模拟研究 4 部分发电设备与输电设备不能充分发挥作用，折算到每千瓦时的平均供电成本也要上升；如果按平均用电负荷建设发电厂输配电网，那么在夏季尖峰用电时段，用电负荷就会超过发电与输变电设备的供电能力，电网的周波(频率)就会下滑，下后就不能安全用电，供电调度部门必须采取拉闸停电的办法，强制削减用电负荷。而采用了冰蓄冷空调之后，利用低谷时段的富余电力制冷，尖峰时段不制冷或少制冷，即可均衡用电负荷，改善电网负载因素，有利于安全供电。减小对应急发电机组的依赖，提高基础发电机组的利用率。为了使供电能力适应用电负荷需要，发电机组需根据用电负荷随时调节自己的能力。但是随着发电机组向着超高温超高压发展，其容量己从 200展 到 600其调节负荷的能力却越来越小，故在电网中有时就必须配置烧油机组或燃气轮机发电机组，在尖峰用电时段可应急起动这些调峰机组，低谷时段则停机。而采用了冰蓄冷空调之后，由于在负荷侧进行了移峰填谷，故可减少对尖峰发电机 的依赖，同时也就提高了那些大容量基本负荷发电机组的利用率。 对用户的益处:目前各地供电部门对供电限制较严， 征收的额外费用也名目繁多，建筑业主与用户的经济负担较重，还常常受到拉闸限电等种种束缚。若在空调制冷行业中发展冰蓄冷空调技术，就能较好地缓解空调用电与城市电力供应能力的矛盾，更好地满足居民的用电需求，改善生活与工作条件。由于采用了冰蓄冷与低温大温差供冷送风相结合的技术，在初投资方面，既可减少空调处理设备、输配设备的大小，输送管网的管径，还可减少机房管井的占用面积，压低建筑层高，从而不但可节省空调的初投资，而且还可降低建筑造价；在运行费用方面，由于风机、水泵的输配功率大幅度降低，不但可补偿制冰蓄冷时多耗的电能，而且还可提高制冷空调系统的整体能效，再加上分时电价的优惠，从而使建筑业主与用户支付比常规空调更少的运行费用。由于采用了低温大温差供冷送风，使空调处理与输送过程均在较低温度下进行，有利于抑制细菌、病菌的繁殖，降低室内湿度，从而可进一步改善室内空气品质与热舒适水平。 对社会的益处:可少建或缓建电厂，进而减少 由于采用冰蓄冷空调提高了空调制冷系统的整体效率，减少 了钢材与有色金属消耗，提高了现有发电设备与供电电网的利用率，有利于提高全社会的能源利用系数，可更合理更经第一章 绪论 5 济地开发与使用能源。 基于以上优点，提出结合国情发展冰蓄冷空调技术，是转移高峰用电、开发低谷用电、优化资源配置、保护生态环境的一项重要技术措施，也符合我国的长期国策。 究现状 蓄冷空调研究进展 目前，国内外科研机构对冰蓄冷技术的研究都从不同的方面进行着，研究主要集中在减少冰蓄冷系统的初投资和尽量避免蓄冷过程制冷机组效率下降，主要包括对新型冰蓄冷技术、蓄冷设备和蓄冷系统的研究:(1)对冰蓄冷设备的研究包括设备形式和设备材质的研究4, 5，冰蓄冷设备形式有盘管式、球形、板式、套管式等，在材质上又分为金属和塑料等多种； (2)冰蓄冷系统的研究是针对冰蓄冷设备和介质的特点，可以采用制冷机与蓄冰槽串联、并联的不同系统形式。另外，对冰蓄冷技术与大温差供水、低温送风空调技术6, 7、辐射供冷技术以及地源热泵等技术结合的研究也取得了一定的成果。 接蒸发冰蓄冷 空调的研究进展 现阶段，国内外对于直接蒸发式冰蓄冷空调技术的研究分别利用实验和模拟的方法进行，研究重点主要集中在以下几个方面： （ 1） 蓄冷特性、释冷特性的实验和模拟研究 . W. 等构建了冰盘管的模型8，输出了蓄冰过程中蓄冷量和蓄冷速度的曲线，并进行了传热分析，给出了蓄冰 过程和融冰过程的相应的特点，并与实验结果进行了对比。 建立了基于柱形坐标系的冰盘管蓄冷和释冷过程的数值模拟9， 并给出了蓄冷速度和释冷速度等相关特性曲线的实验和模拟结果对比。 日本学者山羽基10根据蓄冰槽的分层特点，忽略水平方向温度分布的不均匀性，设定垂直方向温度场为线性分布，根据能量平衡关系，采用有限差分法，建立直接蒸发冰蓄冷空调实验与数值模拟研究 6 了温度分层数学模型，并对冰盘管出口温度对冷机出力的影响进行了修正，由此可以计算出槽内水温分布和制冰量。 中国科学院广州能源研究所杜艳丽等对直膨式冰蓄冷空调的关键技术11, 12进行了深入研究，通过进行实验，得到系统蓄冰和融冰特性，为此类空调系统的开发提供了实验基础和设计指导。 李俊梅等13做了直接蒸发水平盘管蓄冷特性的实验与模拟研究，建立了蒸发器和蓄冰槽的数学模型，其研究假设各时刻蓄冰槽内水温均匀，得出结论为随着制冰过程的进行，系统的蒸发温度和蒸发压力逐渐降低，机组 低，系统性能恶化。 （ 2） 蓄冷介质对蓄冷过程的影响 日本的笹口健吾等进行了高性能的直接蒸发式蓄冰槽的开发实验14。在静态蓄冷过程中，采用低浓度的乙二醇溶液代替纯 水溶液，发现在蓄冷过程中，大量的溶液在蓄冰盘管的表面结冰或者结成冰桥，由于在固液界面存在连续的液态相，并与冰槽上部的空气相连，因而也不会导致压力增大，从而可以增大制冰速度和 。 （ 3） 过冷度对蓄冷过程的影响 浙江大学的张绍志、陈光明等对蓄冰过程中的水的过冷问题进行了研究15。蓄冰过程中水的过冷度影响到蓄冰速度，因此有必要采取各种措施降低水在结冰前的过冷度。作者认为加入成核添加剂是封装式蓄冰方式中降低过冷度的有效方法，而采用电场与超声波等外加物理因素则对动态制冰中过冷问题的解决有很大帮助。 （ 4） 换热盘管材料对蓄冷的影响 M 析了冰槽内盘管材料的导热性能等参量对制冰融冰过程的影响16，并建立了模型，对实验结果进行了验证。结果证明：蓄冰盘管采用热传导性高的材料，蓄冷效率较高，但在热传导率高于 mK 时，传热效率增强变缓。 （ 5） 冰槽内盘管的布置形式对蓄冷过程的影响 西安建筑科技大学对高密度水平布置的蒸发盘管的蓄冰过程进行了实验和模拟研究17, 18，冰槽内蓄冷盘管密度的增大可以提高制冰速度，但是高密度的蓄冷盘管会造成材质的浪费，在实际的设计时应有合理的盘管密度。 M 析了冰槽内盘管间距等参量对制冰融冰过程的影响16，他发现对于给定横断面的蓄冰槽，当盘管直径增加时，换热面积增加，换热盘管内外流第一章 绪论 7 体的对流换热减小，二者存在一个平衡。 （ 6） 强化换热的研究 针对蓄冰过程的强化换热，山羽基从蓄冰槽内水温分布特性方面就盘管配置、蓄冷槽下部有无搅拌等因素影响对外融冰蓄冷方式进行了较为深入的研究10。研究发现：有搅拌时，蓄冰槽内水温分布均匀，开 始结冰时间比无搅拌时要晚一些，而总制冰时间短，管外结冰均匀一致，且蓄冷量大（相同制冰率） 。无搅拌时，侧部、中央配置时，无盘管部分按照水温分层，而且 蓄冰结束后，盘管上部结冰偏厚；下部、上部配置时也明显的受到水的密度随温度变化而变化的特殊性的影响。 西安建筑科技大学的刘寅对高密度水平布置的蒸发盘管的蓄冰过程进行了实验研究17，通过机械方法使冰槽内的水循环，缓解冰槽内水的分层现象，同样的时间内蓄冷量比静态蓄冷提高了 10 北京工业大学的李俊梅等进行了直接蒸发水平冰盘管蓄冷系统特性的实验研究13，对光管、二肋管、三肋管进行了对比分析，指出加肋管具有明显强化制冰作用。 针对融冰过程的强化换热，由于盘管外表面与冰之间的水层逐渐变厚，使得换热热阻逐渐增大(主要是水的导热热阻增大)， 使得盘管制冷剂的出口温度逐渐升高，而融冰速率逐渐变小。尤其是在融冰过程后期，蓄冰槽内的余冰难以融化，冷量难以完全释放，而且蓄冰槽内的垂直温差较大19现有的技术多是在蓄冰槽内引入空气管道，通过空气泵等对冰槽内吹入空气，加强扰动，增强对流换热效果，增大热交换22, 23。 总结起来，以上的研究在各方面都取得了一定的研究成果，为进一步研究直接蒸发冰蓄冷空调技术提供了参考依据。 有研究存在的问题 蓄冷和释冷特性是直接蒸发冰蓄冷空调的关键技术，国际上的研究一般是关于蓄冰槽传热的理论和模型分析，对已有应用的产品技术实施保密。国内外对蓄冰过程的研究，基本得到了蓄冷量、蓄冷速度等特性曲线，其研究基本是基于实验室的模拟工作，例如换热盘管采用大管径、恒定的蒸发温度、未曾考虑蓄冰过程制冷主直接蒸发冰蓄冷空调实验与数值模拟研究 8 机的动态特性，并未从产品的实际角度出发，而且对于蓄冰过程的研究也只是在蓄冰槽范围内进行，未结合整个系统的性能，同时对于融冰过程的研究基本未涉及到，对融冰过程中出现的一些问题（如冰槽内较大的垂直温差等）也未能很好的解决。 在数值模拟方面，目前国内外的研究多是围绕水平盘管（受重力影响较大导致结冰不均匀现象严重）蓄冰槽进行，对竖直盘管研究很少，实际应用中竖直盘管具有结冰均匀性好，占地面积小的优点，因此值得研究和开发。另外有些研究认为冰槽内的水温均匀一致，未考虑水温分布的不均匀性。对于蒸发盘管内制冷剂认为其蒸发温度恒定。而实际系统运行时，蒸发温度随着冰层的增厚会不断降低，冰槽内的水温分层也会影响到结冰状况。另一方面，目前的数学模型只是针对主要部件蓄冰槽进行模拟，而没有考虑到冰槽与其他设备的连接，即没有对整个系统进行模拟的研究，模型的适用工况及通用度具有局限性。 究任务 题主要研究内容 针对现有研究存在的问题，本课题从实验和数值模拟两方面对直接蒸发式冰蓄冷空调进行了以下深入研究。 （1） 直接蒸发冰蓄冷系统蓄冰、融冰和蓄热实验。利用一套直接蒸发冰蓄冷空调样机进行蓄冰、融冰和蓄热相关实验，为进一步深入研究系统蓄冰特性、融冰特性和蓄热特性提供基础数据。 （2） 直接蒸发冰蓄冷空调的数值模拟。目前的研究大多是从实验的角度进行，数值模拟多是单独针对蓄冰槽进行的，计算结果应用有很大局限性。虽然蓄冰是直接蒸发冰蓄冷空调的关键部件，但是蓄冰槽与空调其他部件连接，各主要部件之间的耦合性以及蓄冰槽的加入均对空调系统的运行有很大影响。因此需要从系统的角度进行分析，建立整个系统的数学模型，求解蓄冰、融冰以及蓄热工况下系统运行的动态特性和传热特性，为系统的设计和优化提供理论基础和数据支持。 第二章 直接蒸发冰蓄冷空调的实验研究 9 第二章 直接蒸发冰蓄冷空调的实验研究 实验时系统压缩机运行频率为 80照 本工业标准） ，蓄冰时（夜间）室外侧环境温度为 25，融冰（白天）时在标准工况下运行，即室外侧环境温度为35，室内侧环境温度为 27。初始水温为 15。蓄热时（夜间）室外侧环境温度为 0，初始水温为 10，蓄热利用（白天）时在标准工况下运行，即室外侧环境温度为 2，室内侧环境温度为 20。 统运行原理 冰及融冰运行原理 直接蒸发冰蓄冷空调是一种小型的冰蓄冷空调系统。制冰时，蓄冰槽作为蒸发器（原有蒸发器被旁通） ，制冷剂在蓄冰盘管内蒸发，吸收冰槽内水的热量，冰层在盘管外表面生成。融冰时，蓄冰槽作为过冷器，经冷凝器冷却后的制冷剂在蓄冰槽内进一步过冷，冰层吸收蒸发盘管内制冷剂 的热量，沿盘管由内向外融化。运行原理如图 2黑体线所示。 图 2接蒸发冰蓄冷空调蓄冰原理 图 2接蒸发冰蓄冷空调融冰原理 热及蓄热利用运行原理 直接蒸发冰蓄冷空调蓄热时，蓄冰槽（蓄热槽）作为冷凝器，冰槽（蓄热槽）内的水吸收换热盘管内流动的制冷剂的热量，水温升高蓄热；热水利用时，蓄冰槽直接蒸发冰蓄冷空调实验与数值模拟研究 10 （蓄热槽）作为蒸发器，经室内侧热交换器回来的制冷剂进入蓄冰槽（蓄热槽）进行吸热蒸发，热水被降温放热，经过蓄冰槽（蓄热槽）进行蒸发可以提高温度，改善系统的制热效果，同时蓄冰槽（蓄热槽）可以用来融霜，缩短热泵空调冬季融霜时间。运行原理如图 2黑体线所示。 图 2接蒸发冰蓄冷空调蓄热原理 图 2接蒸发冰蓄冷空调蓄热利用原理 验设计 直接蒸发式冰蓄冷空调一般适用于商用空调系统。作为商用空调，在设计时，蓄冰槽一方面要考虑其冷效率及蓄冷能力，另到占地面积。因此大多数直接蒸发冰蓄冷空调的蓄冰槽设计为立式，而且蓄冰槽内盘管的布置形式为竖直等间距排列布置的蛇形盘管。采用竖直排列的原因是为了减小管道内的制冷剂的重力对管内流动和传热特性的影响（尤其在制冰过程中，制冷剂的重力对其蒸发过程的影响较大，采用竖直布置可以使管内壁的液膜在径向均匀一致，从而使得管内外的热交换更加均匀，管外的冰层厚度在管道的径向均匀一致） ，同时竖直布置的管道使得蓄冰槽的占地面积大大缩小，有利于实际应用。 实验时，温度参数通过 K 型热电偶进行测量，精度为 各温度测点如图2示， A、 B、 C 三个测点用来测量蓄冰槽上部、中部和下部的水温；根据图 2冰槽的不同部位布置热敏电阻，根据 测定的水温信号来判断是否达到蓄冰时冰槽的水位要求、蓄冰结束的条件。系统输入功率通过电参数测量仪测得。 第二章 直接蒸发冰蓄冷空调的实验研究 11 未蓄冰时水位线124534211、2、3、4、5均为测温热敏电阻5未蓄冰时水位线均为测温点 78图 2蓄冰槽内测温点布置图 图 2断蓄、融冰结束的测试信号布置图 冰实验研究 在蓄冷过程中，压缩机的运行频率恒定，为了维持较大的制冰速度，主要通过调节膨胀阀的开度对压缩机的吸气过热度进行控制（通常维持在 3左右） 。在制冰过程中，蒸发温度和蒸发压力随蓄冰时间的推移而不断降低，膨胀阀的开度也不断减小，使得制冷机的输出能力有很大的衰减。同时由于冰层厚度不断增加，传热热阻增大，传热系数降低。特别是在蓄冷后期，当盘管外的冰柱开始搭接时，传热热阻急剧增大，传热开始恶化，制冰速度明显降低，这时应停止蓄冷。 冰过程系统的 传热特性实验曲线 实验开始时，蓄冰槽内平均水温为 15。从图 2水温变化曲线可以看出，在蓄冷前 2h 内，蓄冰槽内的水温下降速度逐步减小，这是由于随着水温的下降，制冷剂的蒸发温度也逐步降低（图 2，盘管内外的温差逐渐缩小。这一阶段上部水温下降速度最小，中部较大，下部最大，因而 上部水温一直高于下部水温，出现这种现象的原因是水的密度特性（水在 4左右时密度最大，高于 4时，水温越高，密度越小） 。同时在该蓄冷阶段，传热温差大，自然对流强度较大，水温下降速度也较大。 直接蒸发冰蓄冷空调实验与数值模拟研究 12 在蓄冷 2h 后，由于上部水温较低，盘管壁面开始出现结冰，由于冰的导热较水的自然对流强度大，所以换热增强，水温下降速度呈现短时间增大。之后，随着冰层厚度的增大，热阻增大，换热量减小，水温的下降速度逐步降低。在蓄冷近 6部分的水温均接近 0，此时进入完全的潜热蓄冷阶段。 10 时达到设定蓄冷时间和设计蓄冷量，水位也上升到设计水位，停止蓄冷。 A(冰槽上部水温)B(冰槽中部水温)C(冰槽下部水温)图 2蓄冰过程中蓄冰槽内水的温度分布 图 2蓄冷过程蒸发温度随时间的变化曲线 图 2示的是蒸发温度随时间的变化。可以看出蓄冷过程中，蒸发温度不断降低，但在显热蓄冷阶段下降较快。主要是由于在显热阶段冰槽内的水温下降较快，第二章 直接蒸发冰蓄冷空调的实验研究 13 为了保证压缩机在一定的回气过热度下进行运转， 造成节流膨胀阀的开度减小很快，从而蒸发温度下降也较快。而在潜热蓄冷阶段，盘管内外的温差相对较小，膨胀阀的开度减小较慢，从而蒸发温度下降较慢。 制冷剂沿盘管方向存在较小的压力损失（经测试冰槽内沿盘管方向压力损失约为 ，因此蒸发温度沿盘管方向略微降低，如图 2示（从测点 1 到测点7 蒸发温度有所降低，测点 8 较测点 7 约高 ，即在测点 7 处基本处于蒸干点） ，测点 7 至测点 8 段盘管基本处于过热区，加上从冰槽出口至压缩机吸入口段也处于过热区，保证了压缩机的吸气过热度。 测点1测点2测点3测点4测点5测点6测点7测点8图 2蓄冷过程各个测点处蒸发温度变化曲线 直接蒸发冰蓄冷空调实验与数值模拟研究 14 冰过程系统的 结冰特性实验曲线 图 2蓄冰过程相对制冷量随时间的变化曲线（蓄冷制冷量/常规空调运行制冷量） ，从图中可以看出，整个过程系统的制冷能力有很大的衰减（基本衰减为原来的 50%左右） ，特别是蓄冷初期系统衰减较快。这主要是由于蓄冷初期（显热蓄冷阶段）传热温差较大，导致水温迅速下降，从 而蒸发温度也很快降低，从而大大降低了系统的制冷能力。同时由于控制压缩机一定的吸气过热度，要求膨胀阀的开度也相应减小较快，压缩机的输气量有较大幅度的减小，使得系统制冷量有很大衰减。 冷过程系统制冷量随时间的变化曲线 冷过程系统 时间的变化曲线 第二章 直接