结冰厚度对盘管、普通冰球及蕊心冰球热阻的影响

    

    1 前 言

    蓄冰装置在制冰过程中,由于结冰初期冰层很薄,总的热阻较小,因而结冰比较迅速。随着结冰过程的进行,冰层的厚度增加,总的热阻也增加,结冰变得缓慢甚至在结冰厚度达到某一限度时,结冰过程将会无法进行。为了分析结冰厚度对蓄冰装置的传热性能影响,以及在此基础上判断如何选择蓄冰装置和确定结冰的设计厚度,本文通过对蓄冰装置在结冰末期的热阻与结冰一半时热阻的对比,分析了三种蓄冰装置(盘管、冰球和蕊心冰球)受结冰厚度的影响程度。为了更好地比较结冰厚度对不同蓄冰装置热阻的影响,尤其是在结冰后期,总热阻主要来自冰层,因此本文分析时忽略了其它热阻的影响。

    2 分析计算

    下面我们以常见的盘管结冰、普通冰球结冰和金属蕊心冰球三种结构为例进行分析计算。

    2.1 盘管

    图1为盘管结冰示意图。设盘管内、外半径分别为r1和r2,结冰开始后的i时刻冰层的半径为ri,结冰完成时冰的半径为rmax。

    冰的外表面可近似地看作第一类边界条件,即温度恒定为0°C,则第i时刻的总热阻为

    式中αg为载冷剂与盘管内壁的对流换热系数;Kice,Kw分别为冰和盘管的热导率。

    式(1)中第一项为载冷剂与盘管内壁的热阻,第二项为盘管内、外壁间的热阻,按假设这两项可以近似忽略,第三项为冰层导热热阻。

    因为结冰完成时冰层的半径为rmax,那么当结冰达到总结冰量的一半(即结冰一半)时冰层的半径rhalf可由下式计算:

    因为忽略了载冷剂溶液的对流换热热阻和盘管壁的导热热阻,则结冰末期的最大热阻Rmax与结冰一半时的热阻Rhalf的比值为

    以杭州华源人工环境工程公司生产的盘管为例,r2=11mm,rmax=39 mm,由式(3)计算得:

     ,即在结冰末期时的热阻是结冰一半时热阻的1.32倍。由于计算中忽略了载冷剂溶液的对流热阻和盘管壁的导热热阻,而这两个热阻在结冰过程中基本保持不变,所以实际热阻的增加应小于1.32倍。

    2.2 普通冰球

    图2为普通冰球结冰的示意图,图中冰球外壁半径和内壁半径分别为r1和r2,结冰开始后第i时刻冰的半径为ri,结冰完成时冰的半径为rmax。冰的内表面可近似看作第一类边界条件,即温度恒定为0°C,则第i时刻总热阻为

    式中参数的意义同上。

    当结冰一半时冰层的半径rhalf可由下式计算: