冰盘管式蓄冰过程的分析与模拟

冰盘管式蓄冰过程的分析与模拟

陈君

奥意建筑工程设计有限公司518031

摘要：随着我国经济的快速发展，空调的大量使用不但增加了城市的电网容量，更加剧了峰谷供电的不平衡率。冰蓄冷因其对电力系统具有良好的“削峰填谷”作用而被广泛使用，蓄冷装置的性能直接影响空调的蓄冷量，本文通过对蓄冰盘管的传热过程的分析和研究，建立了单管蓄冷的微分方程。经过使用Fluent模拟，得出了单管和多排管束在蓄冷2h和3h的温度场分布。

关键词：冰蓄冷；FLUENT；温度场；盘管蓄冷

0引言

空调蓄冷技术的产生已有八十余年的历史，而冰蓄冷技术又在20世纪80年代以来得到了长足的发展。当前，空调蓄冷技术的广泛应用已成为各大城市调整电力峰值的重要手段。

空调冰蓄冷技术，是在电力负荷很低或者用点费用相对较低时采用电动制冷，使蓄能介质发生相变从而将冷量存储起来，在电力负荷高的时候释放能量，从而使用能更具经济性和减少电网负荷。

根据蓄能所用的物质是否发生相变，可以将蓄能分为潜热蓄能和显热蓄能。显热蓄能是指将物质发生温度变化时所吸收或放出的热量储存起来；潜热蓄能是指将物质发生相变时吸收或放出的热量储存起来。例如，1千克的水升高或者降低1度，需要吸收或者放出大约4.18KJ能量，同样，将1Kg的水转变成冰或者1Kg的冰变成水需要放出或者吸收335KJ，从这个例子可以看出同一物质利用潜热蓄能的能力要远大于显热蓄能，在蓄相同能量的条件下，采用潜热蓄能可以减少设备的容量和型号。相变过程是一个伴随着能量显著变化的过程，且在这个过程中温度近似不变。

蓄冷系统一般由蓄冷、制冷和供冷系统组成。根据制冰方式的不同，冰蓄冷可分为动态制冰和静态制冰两大类。按蓄冷方式又可以分为冰浆式蓄冷、冰晶式蓄冷、冰片滑落式蓄冷、盘管外结冰式蓄冷、封装冰蓄冷等。本文主要针对盘管外结冰蓄冷方式进行研究，建立数学模型描述动态结冰过程的温度场变化。

1动态结冰模型的建立与求解

1.1模型假设

蓄冰时，制冷剂（蓄冷剂）在管内做紊流流动，与管外的水或冰进行换热，将管外水冷却至凝固点，该传热过程可以表示如下：管内介质与管壁对流换热，通过管壁的导热传给管外介质，管外的冰与管壁通过导热传热使冰层厚度逐渐增加，在冰与水交界处对流换热。根据这个过程可以做以下假设：

1，由于盘管的长度值远大于管径，且轴向导热量也远小于径向换热，故可以不考虑轴向传热，这样就可以将复杂的二维传热转换为较简单的一维传热。

2，假设制冷剂（蓄冷剂）在管内的传热各向同性，且各处的物性参数一致。

3，由于管壁（铜管）的导热系数较大，且管壁较薄（0.75mm），故不考虑管壁的热阻。

4，蓄冰槽内水的物性参数各向同性，温度相同。

5，同一管段上，管外结冰厚度相同。

1.2模型的传热学分析

冰层的厚度是从零开始逐渐增厚的，设其厚度为，这是一个带有动边界的一维非稳态导热问题，传热模型如图1所示。

图1

采用柱坐标下的导热方程如下：

1.3模型的求解

2fluent模拟及结果分析

2.1建立蓄冰槽的物理模型

本研究以小型蓄冰槽为对象，通过模拟蓄冰槽内的温度场来确定蓄冰槽的蓄冰效果。蓄冰槽的截面尺寸如图2所示，俯视图如图3所示：

图2

图3

从截面图和俯视图可以看出，该模型的六个环路是相互并联的，各个盘管在蓄冰槽内均匀分布。蓄冰槽的横截面如图4所示：

图4

该截面图是去掉保温层之后的简化模型，目的是方便进行模拟。图中圆圈表示蓄冰盘管，矩形表示蓄冰槽的内壁。该模拟所用的管材为铜管，其物性参数为：，，。管外蓄冷槽内水的物性参数为：，，，，盘管结冰后，冰的物性参数为：（0℃时的密度），。离散化方程的步长，，计算时间分别为和3h。

2.2单管蓄冰效果模拟

为了方便模拟和了解盘管蓄冰的效果，先以一根单独的外径为16mm的铜盘管为研究对象，蓄冷区域为160mm，物理模型经网格划分如图5所示：

图5图6

盘管的制冷剂温度为—10℃，计算区域边缘的温度为15℃，将初始条件及边界条件输入模拟模型后，得到模拟区域的温度场如图6所示。从图中制冷盘管的某个截面温度分布可以发现，在蓄冰过程中，蓄冰槽内的温度分布均匀，呈现同心圆的分布规律。在距蓄冰盘管较近的地方温度较低，这主要是制冷剂吸收冰槽内水的热量，当水温达到凝固点时谁开始变成冰，这样从管壁外部逐渐开始向外结冰。在蓄冰3h后冰层分布如下图7所示。

图7图8

由于在模拟过程中，把水作为第一相参数，当水的体积分数为1.0时，说明管壁周围充满水，当开始结冰时，水的体积分数逐渐减小，随着蓄冰时间的延长，冰层也会逐渐增厚，直至模拟结束。

2.3蓄冰槽蓄冰效果模拟

对整个蓄冰槽进行二维模拟，网格划分如图8所示，该模拟区域共划分了7047个结构化网格。按照前边单管模拟的过程，对整个蓄冰槽进行建模，并设置初始条件和边界条件，模拟蓄冰2h及3h后的冰槽温度场分别如图9、图10所示，蓄冰效果如图11、图12所示。

图11图12

从蓄冰槽的温度场可以看出，在蓄冰2h后，在底层盘管的周围开始大面积的凝固结冰，盘管周围的温度也开始下降，由于盘管是从蓄冰槽的下面开始逐渐向上形成回路，故下排盘管的温度要低于上排盘管，再加上重力的作用，形成了富有层次感的温度场。蓄冰经过3h后，由于导热过程的加剧，冰槽内的温度场相比蓄冰2h的温度场更低，总体上温度分布也比较均匀。从蓄冰的百分数图上可以看出，蓄冰的速率比较大，这是因为所设定的蒸发温度（-10℃）较低，而蓄冰槽的尺寸相对较小的缘故，蓄冰2h后蓄冰槽内的蓄冰量已经很大（约60%），蓄冰3h后蓄冰量已达到整个蓄冰槽的80%。

从图中可以看出，经过两个小时的蓄冰，蓄冰槽内盘管周围的水都已经凝固成冰，且蓄冰槽内的冰层分布均匀。

3结论

通过对盘管蓄冰的传热学分析，列出了盘管传热对蓄冰效果影响程度的微分方程。通过利用FLUENT模拟软件对单管、管束经过2h和3h的蓄冷后的温度场模拟，得出了蓄冰2h和3h后的蓄冰槽温度场分布及冰层分布，为进一步研究蓄冰槽的蓄冰性能奠定了基础。

参考文献

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