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1、盘管式蓄冷装置蓄冰过程的模拟计算 施 伟 （上海水产大学制冷空调工程系，200090） 摘摘 要：要：本文对盘管式蓄冷装置的蓄冷过程建立了集总参数的数学模型，并进行了理论计算。分析了该系 统的换热效果，讨论了某些参数的变化对蓄冷器换热特性的影响。计算结果对该类换热器的设计和性能优 化有一定指导作用。 关键词：关键词：蓄冷，集总参数 Theoretical Analysis on the Ice Form Process of a Ice Storage System Shi Wei (Department of Refrigeration and Air-Conditioning, Shang
2、hai Fisheries University, 200090) Abstract: Theoretical model and calculation on the ice form process of a ice storage unit with coil pipe are presented, the influence on the thermal performance of the system by the variation of some parameters is discussed. The research work has some help for the d
3、esign and valuation of such system. Keywords: ice storage, lumped method E-Mail: 0 前言 空调蓄冷技术是利用峰谷电价的差别将用电 高峰时的空调负荷转移到电价较为便宜得夜间从 而节省运行费用，其作为电网移峰填谷的有效手段 在我国得到了日渐广泛的应用。相对于显热贮能， 冰蓄冷潜热贮能系统具有贮能密度大，吸、放热过 程近似在等温下进行等优点；而水作为潜热贮能的 介质，价格低廉，易于获取，热稳定性较好，易于 重复使用。 因此,冰蓄冷空调通常成为蓄能空调的首 选1-2。 对各种类型的相变换热器，国内外已进行了许多研 究3
4、-7。文献3-6对相变球堆积床换热器进行了理 论和实验的研究，对流体和相变球建立了一维模型 并进行了数值计算。 文献7对各种相变换热器建立 了通用的温度热阻模型并用迭代法进行了求解。上 述模型相对于工程应用计算过程较复杂，本文对盘 管式相变换热器建立了较简单的集总参数模型，并 进行了详细的理论计算。 作者简介：施伟（1972） ，男，硕士，讲师, 从事相变传热和传热强化的研究 1 数学模型 图 1 为盘管式蓄冷装置示意图， 盘管内流的是 制冷剂，管外是水。 蓄冰过程中低温流体流经盘 管并与管外的水换热使其结冰。根据水不同的温 度，蓄冰过程可分为三个时间段（见图 2） ： 时间段 I：显热贮存段
5、（） ； mwTT时间段 II：潜热贮存段（） ； mwTT=时间段 III：显热贮存段（） 。 mwTT为简化分析，作如下假设：1）蓄冷容器壁面 绝热；2）制冷剂和水的物性参数为常数；3)盘管和 水间的换热系数为常数；4）制冷剂流体和水之间 的温差用对数平均温差。基于上述假设，可得各时 间段的能量平衡方程分别为： 时间段：其热平衡方程： ()inoutffoutwinwinoutw wwTTcmTTTTTTkAdtdTVc=? ln（1） 160初始条件为：当时， （2） 0=t0TTw=当时， （3） 12tt =mwTT=解（1）和（2）得： Tin Tout令wwff VccmM?=，
6、1exp =ffcmkAN?，则 ( )()()tMNTTTtTininw+=exp0（4） ( )()tMNNTTTtTininout=exp0（5） 该时间段所蓄存的冷量为： ( )( )tTTVctQwww=0最大蓄冷量为： VTTVcQwinww+=0max该时间段蓄冷率为 ( )( )( ) ()+=inwww TTctTTc QtQt00max(6) 时间段： 当mwTT=时进入相变阶段，此时刻为，由（3）和（4）得： 12tininm TTTT MNt=012ln1（7） 该时段热平衡方程为 ()inoutffoutminminout wTTcmTTTTTTkAdtdV=? ln
7、（8） 其中为蓄冰池中冰所占的百分比 时间条件： 图 1 盘管式蓄冷容器示意图 当12tt =时，0=， （9） mwTT=T( t(s)当23tt=时，1=， （10） mwTT=由（8）和（9）得 ( )()()ininminmwinm wffTTTTTTctNTTVcmt+=0ln?（11） 该时间段所蓄存的冷量为： 图 2 凝固时水温度随时间变化 ( )()(tVTTVctQwmww)+=0( )( )()( ) ()+=inwmw TTctTTc QtQt00max(12) 时间段： 当1=时进入时间段，此时刻为，由（10）和（11）得： 23t()()inm wffininminm
8、wTTNVcmTTTTTTct = ?0 23ln1（13） 该时间段的热平衡方程同（1） ， 当t23t=时，T (14) mwT=由（1）和（14）得： ( )()(23expttMNTTTtTinminw)+= (15) 161( )()()23expttMNNTTTtTinminout=(16) 该时间段所蓄存的冷量为： ( )( )VtTTVctQwwww+=0( )( )( ) ()+=inwww TTctTTc QtQt00max(17) 2 计算结果及讨论 本文计算了一个蓄冰过程， 传热流体选用 20% 的 乙 二 醇 溶 液 ， 蓄 冰 池 的 体 积 为 0.6*0.4*0
9、.8=0.192m3，换热盘管均匀分布在蓄冷容 器内，其它各变量的值见表 1，计算结果见图 3-5。 0123456789-10-505101520TinTwToutT(oC)t(hour)mf=0.115395kg/s,cf=3.76kJ/kgKV=0.187054m3,A=1.98m2k=0.4kw/m2,T0=20oC,T in=-7oC图 3(a)表示流量为kg/s 时冷流体进口温度、出口温度和水温度随时间的变化， 该图表明在潜热交换时间段，冷流体和水的温度均 维持在一恒定的值。图 3(b)表示蓄冷量随时间的变 化，该图表明随着潜热交换时间段的结束，蓄冷速 率明显减少，蓄冷量趋近于 1
10、。 115395. 0=fm ?01234567890.00.20.40.60.81.0mf=0.115395kg/s,cf=3.76kJ/kgKV=0.187054m3,A=1.9782m2k=0.4kw/m2,T0=20oC Tin=-7oCt(hour)表 1 计算中各变量的值 0246810-10-505101520mf=0.082425kg/smf=0.115395kg/smf=0.148365kg/sTw(oC)t(hour)cf=3.76kJ/kgKV=0.187054m3,A=1.9782m2k=0.4kw/m2T0=20oC,T in=-7oC0246810-10-50510
11、1520mf=0.082425kg/smf=0.115395kg/smf=0.148365kg/sTout(oC)t(hour)cf=3.76kJ/kgKV=0.187054m3A=1.9782m2k=0.4kw/m2T0=20oC,T in=-7oC变量 值 变量 值 (kJ/kg) 340 cf(kJ/kgK) 3.76 T0() 20 cw(kJ/kgK) 4.1868 Tin() -7 f(kg/m3) 1050 Tm() 0 w(kg/m3) 1000 k(kW/m2K) 0.4 图3(b) 蓄冷量随时间的变化 图 4(a) 对不同的质量流量 水的温度随时间的变化 图 3(a) 流体
12、进、出口温度和 图 4(b) 对不同的质量流量 水的温度随时间的变化 流体出口的温度随时间的变化 16202468100.00.20.40.60.81.0mf=0.082425kg/smf=0.115395kg/smf=0.148365kg/st(hour)图 4(a)、4(b)和 4(c)分别表示不同的冷流体质量流量对冷流体的出口温度、水的温度和蓄冷量fm ?outTwT的影响。由图可知，随着的增大，蓄冷时间将缩短， 时间段内T将变小， 但的变化不是很大。 fm ?outoutT0246810 12 14 16 18 20 22 24-10-505101520A=1.9782m2A=0.67
13、824m2A=0.39564m2Tw(oC)t(hour)cf=3.76kJ/kgKV=0.187054m3,mf=0.115395kg/sk=0.4kw/m2T0=20oC,T in=-7oC0246810 12 14 16 18 20 22 24-10-505101520A=1.9782m2A=0.67824m2A=0.39564m2cf=3.76kJ/kgKV=0.187054m3,mf=0.115395kg/sk=0.4kw/m2T0=20oC,T in=-7oCTout(oC)t(hour)0246810 12 14 16 18 20 22 240.00.20.40.60.81.0A
14、=1.9782m2A=0.67824m2A=0.39564m2t(hour)图 4(c) 对不同的质量流量 蓄冷量随时间的变化 图 5(a)、5(b)和 5(c)分别表示不同的换热面积对冷流体的出口温度、 水的温度和蓄冷量AoutTwT的影响。由图可知，随着的增大，蓄冷时间将缩短，时间段内T将增大。 Aout3 小结 本文对盘管式蓄冷容器的蓄冷过程建立 了集总参数的数学模型，并进行了理论计算。讨论 了冷流体流量和盘管换热面积的变化对蓄冷器换 热特性的影响。计算结果对该类换热器的设计和性 能优化有一定指导作用。 符号表 k水和冷流体间的换热系数 (W/m2) A水和冷流体间的换热面积 (m2)
15、V蓄冷容器中水的容积 (kg/m3) 蓄冷容器中冰体积百分比 fm ?冷流体质量流量 (kg/s) w水的密度 (kg/m3) cw水的比热(J/kg) cf冷流体的比热(J/kg) Tw水的温度 () Tin冷流体的进口温度 () Tout冷流体的出口温度 () T0水的初始温度 () Tm水的相变温度 () t时间 (s) t12时间段和的分界时刻 (s) t23时间段和的分界时刻 (s) 图 5(a) 对不同的换热面积 水的温度随时间的变化 图 5(b) 对不同的换热面积 流体出口的温度随时间的变化 图 5(c) 对不同的换热面积 蓄冷量随时间的变化 163水的凝固潜热 (J/kg) Q蓄冷量 (J) 蓄冷率 参考文献 参考文献 1 Frank. P. Incropera, David. P. Dewitt 著，葛新石、王义方、郭宽良译，传热的基本原理，安徽教育出版社。 2 张寅平、胡汉平、孔祥冬、苏跃红编著，相变贮能理论和应用，中国科学技术大学出版社，1996。 3 S.L.Chen et al, Analysis of cool storage for air conditioning,
