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1、新 世纪 中国蓄冷技术研讨会论文 如 冶 冰 姗 如 康 验 京 璐 把 断 封 一 孙 纯 武 _ _黄 一 考 一 釜 兴 杰 一 薄 禅 翻、 * 1一 *1 4 一 _( 重 庆玲 筑大 竿 城 市 藏 瞬学 院一 _州职5 ) 一 井 布次 二 一嘴犷 、 可 _ 一 万 摘要本文运用一维换热热阻网络理论， 对冰板蓄冷装置的蓄冷过程和释冷过程进行了动 态数值模拟， 并进行了实验验证， 计算结果与实测值有较好的吻合， 说明该模型对产品开发和工程 实践具有指导意义。 关健词冰蓄冷冰板式蓄冰装置热阻网络理论数值模拟 1 . 引言 蓄冰空调， 即是在夜间电力供应的低谷期 进行制冰， 把冷量储
2、藏起来 ， 到白天电力供应的 高峰期把冷量释放出来， 作为空调冷源， 从而转 移电力高峰用负荷， 达到合理利用电力资源和 减小国家电力工业建设投资的目的。因此该项 技术在世界各国得到了政府及电力部门的大力 支持和鼓励， 并获得了迅速的发展。 尽管我国现今的电力政策还不能刺激蓄冰 空调的广泛采用， 但这项技术的发展在我国也 是势在必行。因此， 国内有关的科研院校目 前 正在积极开展蓄冰空调关键技术的研究。本文 研究的内容就 是国家计委“ 九五” 攻关“ 建筑节 能产品开发、 产业化与毛程示范” 项目中“ 蓄冰 空调关键产品及技术” 的一个专题， 目的在 于 为 开发适合我国民倩的蓄冰装置提供实践
3、及理论 依据。 蓄冰装置种类繁多， 其中冰板式蓄冰装置 由于具有加工简单， 造价低、 贮槽结构形状可灵 活设置等优点， 国内外得到了较广泛的应用 为此， 本文以冰板式蓄冰装置作为研究对象 其工作原理是在塑料冰板内加人水， 放置在充 满载冷剂液体的冰槽内， 冰板内的水随着载冷 剂的温度变化进行结冰或融冰。本实验研究采 用的冰板形状及在冰槽内的堆放情况如文巾图 1 9和图 2 0所示 2 . 冰板式蓄冰装里的 数学模型及数值求 解 2 . 1 模型的简化 为便于求解， 将复杂的蓄冷过程和释冷过 程中的次要因素作如下简化: ( 功考虑到冰板面积与厚度之比较大， 所以 将其视为无限大平面一维传热， 忽
4、略沿载冷剂 流向的传热。 ( 2 ) 忽略结冰过程和融冰过程中冰与水体 积的变化。 ( 3 ) 忽略蓄冰槽的热损失。 ( 4 ) 冰板传热对称， 冰板厚度中心线及载冷 剂流道中心线为绝热线。 ( 5 ) 忽略 冰板板壁的蓄热。 ( 6 ) 在结冰期间， 结冰尚未完成之前， 忽略 冰的显热。 ( 7 ) 经模tj计算出来的 温度均为冰板厚度 中心线上的温度。 ( 8 ) 潜热集中于冰水边界层上。 2 . 2 蓄冷模型及其数值求解 2 . 2 . 1 蓄冷模型 采用一维换热热阻网络的墓本原理建立数 学模TO, 即将单位高度冰板沿载冷剂流向分成 n 小段， 在每一时问步长 卜 对每小段利用传热 方程
5、及能量平衡方程进行计算， 每一时刻冰的 厚度也通过迭代进行计算， 每次计算出的载冷 剂温度作为 一段的人口温度， 每一小段的温 度计算出来作为下一段传热计算的初始条件。 3 9 新世纪中国蓄冷技术研讨会论文 图 1 为载冷剂乙二醇水溶液流经冰板的局部示 意图。图2 为控制体能量平衡分析示意图。取 中间任意一段载冷剂为控制体， 对控制体进行 能量分析得到平衡方程。 图 1 乙二醇流经冰板的局部示意图 图 2 控制体能量平衡分析示意图 Q b -i ,j = Q w a u , i ,j 十 Q b ri- . i .j . 1 式中 Q b d - . l .i i 时 刻， 载 冷 剂 带 人
6、j 段 的 热量( W/ m ) ( 1 ) Q b m e . i .j . 1- - - i 时 刻， 载 冷 剂 带 出j 段 的 热 量， 也是 载冷 剂带人j 十 1 段的热 量( W / m ) Q . m u . i。 一时 刻， J 段载 冷 剂 传给 冰 板壁 的热量( W/ m ) n 其中Q w a ll . i . j 的热流方向为载冷剂指向 冰板， 即 释冷过程该值为正， 蓄冷过程为负。 Q bd n e . i. j = W . C ,. . y am .夸 、 一(2 ) 、 ! 二 、C . . V . 晋 ; 一 ，(3 ) Q W e j; . i . j
7、二 . . ( T -.; .; 一 T . .n .-j卜 A l ( a ) 式中Pb*;- 载冷剂密度( k g / m ) ; C p , M in e 一 一 载冷剂定压比热( J / k g ) ; v 、一一 载冷剂流经冰板时的流速 ( 价产 a ) ; b 载冷剂流道的宽度( m ) ; T b n . e iji 时刻， 载冷剂进人J 段的 温度( ) ; T M i- i . j . 1 - i 时 刻 ， 载 冷剂 离 开J 段 的 温度， 也是 进人j 十 1 段的温 度( ) T w . u ,e m . i. j一 二 时刻， J 段冰板壁外侧 温度( ) ; 一载
8、冷剂与冰板外壁的对流换热 系数( W / m“ 0 C ) ; 注: 由 于模型建立是指单位高度而言， 故a 单位为W / m “ C , 以 下有关参数单位同。 Q l 该载冷剂控制体的长度( m ) n 由假 设5 可知， 裁冷剂传给冰板的热量全 部传人冰板内部， 即可得方程: Q w e lj .i j . = Q - i. j - 1 Q i t , i .j + Q w e l . i .j ( 5 )、 式中 Q i t j一时刻， 1 段冰的 显 热 W / m ) ; Q m l. i j 一时刻， J 段冰的 潜 热( w/ m ) ; Q ,V . , . ; .; i时刻
9、， i 段水的显热( w i m) . 在 结冰 之前 ， Q * ， j 二 0 ， Q 阮 ; 1 = o 。由 ( 5 ) 式 得 Q 湘 ll ,. i 二 Q -; j ( 6 ) 在 结冰期间， Q - r , ; .i . = 0 ， 又由 假设6 得 叽声 J 二 0 ， 所 以 Q w e u , i . ; = 讥 ,. ; ( 1 ) 在 结 冰 完 成 后， 认 c. i .; 二 。 ， 侃， ij 二 0 ， 因 此 Q-11. i . j = Q . , i . j ( 8 ) 在 载冷剂与冰板内的水( 或冰) 的 热交换过 程中， 存在载冷剂与冰板壁之间的对流换
10、热热 阻、 冰板壁的导热热阻、 冰的导热热阻、 水的综 合 热阻( 冰与水之间的对流换热热阻计人水的 综合热阻内) ， 其蓄冷模型热阻网络如图 3 所 示。， T 沾 报 币 刁 T n ,T 、 侧 、 n :m mh 图 3 蓄冷模, w 热阻网络图 新世纪中国蓄冷技术研讨会论文 图 中 : T r ra u . i. i . j - i 时刻 ， j 段冰 板 壁内 侧 温 度 ( ) ; R b r ln e, i. j一时 刻， 1 段载 冷剂 与冰 板壁 之间的 对流换热热阻( m l c / W) ; 凡 . H .i n j i 时刻， 1 段冰 板壁的导热 热阻 ( m 9
11、C / W) 幕 R ice , . j二时刻， 1 段冰的导热热阻 ( m 1 : ) R . a ,j 一时刻， J 段水的综合热阻 ( m/ W) ; T w a -i j i 时刻， 1 段水的 温度( ) 。 2 . 2 . 2 蓄冷模型在各阶段的具体方程 2 . 2 . 2 . 1 水的降 温阶段 此阶段包括水在0 9 C 以上的降温过程和水 在0 9 C 以下的过冷过程。由图3 可得 将式( 6 ) 代人式( 1 ) 得 侃o e . i .j + 1 二 Q b 6 x i . j 一 Q w a l . i .j ( 1 5 ) 将式( 2 ) , ( 3 ) , ( 1 3
12、 ) 代 人式( 1 5 ) 得 。、 ， b、， P b r ia 场, b r in e V b ria e k 万J I b d -ij + 1 二 P b ri ar C P ,b ri ne V b rice T b r v m 、 C , W、， ， 、 万 ) 、 I . a te r , i + 一 w a m r , i ,j 一 p . a m r ( !A ) 、 凸忆产 () 整理上式得 组一含 T b , im . , J T b r io e - = 猛n e i . j P . rr r ,r. a , r( T w a -i + 1 j 一 % -J .j )
13、百一2 b一2 P b ri ce p ,b ri n e l b r in e v e m r 气 . e te r W “ -y P b r s- 气b ri rw 猛n e A r b (9)(10)(l1) 恤 T ea r, T aw .a ,. (T w a u r , i + 1 , j 一 1 ,.a tr .i . ; ) ( 1 6 ) Q j二 T . a - T . rr.,. 由假设 5可得 Q om . j.; 二 T i - T .4 .UR- ., i 二 Q . .,. 由以上三式可得 2. 22. 2结冰阶段 结冰阶 段是冰板中的 水过冷到0 9 C 以下某
14、 一温度T s u p ( 约一 4 . 5 C ) 时， 开始形成冰核并变 成0 的冰水混合物， 接下来便是冰在0 下的 生长。因此， 即将形成冰核那一瞬间的过冷水 的热量为 。，。/ W 、，. 、 Q s u b = p w a ter “ C p , w a te r创 -A l - T su p ( 1 7 ) 再假设刚结冰的那一瞬间， 冰的厚度为 丸， 由能量守恒得 由假设4 ， 冰板厚度中心线为绝热线， 载冷 剂传给冰板的 热量全部被冰板中的水吸收， 并 转换成水的热能， 所以可得 、W， ， 侃. 。 = Nat, C pr - 首 ( 几 、, t- 、 组 T - . -:
15、 : 卜节( 1 3 ) 尸配 式中 P w a 、 一水的密 度 k g / m ) ; 味 s t ar 一 水 的 定 压 比 热( J / k g “ 9C ) ; W- - 冰板的厚度( m ) ; r - 循环时间间隔( 5 ) ; T - ,i + t .; 二 十1 时刻， J 段水的温度 ( ) 。 由式( 1 2 ) 和( 1 3 ) 可得 1 袖. ，= L， W p i- , ( 一 U e o c u 十 r e 助 L p , m a te r l 万一 勺) 以 T ice - watet- N ate rC p ,srat, (?) T eup 式中T ic 。 一 。 le r冰水 混合物的温度， 即 一冰的潜热， 结冰时为负值( J / k g ) ; p * 一冰的 密度( k g / . ) o 所以有 P ie “ 一 r ) “ X o “ O l 二 P . a ta r C P I - W , ( 孔u p p w n 二s . a W 匕 rl ( 1 s o W 、 万) * a l 竭二 一2 . 尸 。 。 、( 1 9 ) 由假设 5 和 6 可知， 由载冷剂经冰板壁传 进的热量全部被冰板中的水吸收， 并转化为冰 的潜热。再根据图3可得方程 几 1、 . C 补( 几 尾 如 i I-?It-什
