双金属蕊芯冰球相变传热性能影响因素分析

    储冰蓄冷空调是一种不同于传统的新型空调系统,它利用夜间的低谷电(低价电)制冰蓄冷,转移高峰电的负荷,达到“移峰填谷”的目的。采用这种空调系统可以 获得很大的节能效益和经济效益[1,7]。储冰蓄冷空调主要有两种形式:一是冰池系统,另一是静态系统。静态系统包括冰桶式、冰球式、共晶盐式等等,其中 冰球式用的较多。双金属蕊芯冰球由聚乙烯外壳、溶液及带肋铝质芯组成[1](如图1所示)。这种新型冰球可双向进行相变,故结冰厚度减半,响应较快。它还 有性能好、高效、容量大、易生产等优点。

    双金属蕊芯冰球在结构设计上具有诸多优点,如采用高密度聚乙烯PE材料做冰球外壳,该材料成本低、强度大、加工方便、使用寿命长、毒性小;外壳形状设计上 采用伸缩褶,满足了水相变时造成密度改变的要求;球内的金属配重,解决了一般冰球结冰后因比重减小而上浮的问题,使安装更为方便,适用于各种形式的蓄冰 槽;冰球内的金属蕊芯呈中空状,上有短翅,提供了双向结冰、融冰条件,而且还有效地增加了结冰的成核点;冰球两端的金属与外壳结合处采用特殊的锯齿状迷宫 式密封,可以保证不变形、不泄漏、长期安全使用等。

    尽管如此,仍然有必要对其进行深入研究,以进一步降低成本,提高性能,并使结构、尺寸更为优化、合理。储冰蓄冷空调的工作过程分为制冰蓄冷和融冰供冷两部 分,由于冰球在制冷蓄冷过程中,随着水向冰转变过程的进行,传热热阻逐渐增大,相变潜热不断释放,使结冰速度逐渐减慢,对整个系统的节能效益产生直接显著 影响;而冰球在融冰供冷过程中,随着过程的进行,传热热阻减小,水的自然对流作用不断加剧,进一步强化了融冰过程,保证了冷量的释放。因此本文从结冰过程 研究着手,通过理论与实验研究,对冰球的有关传热性能影响因素进行了详细讨论。并提出结构及尺寸改进意见或优化策略。

    1　理论模型

    蕊芯冰球在储冰槽中所处的位置各异,有水平、倾斜、垂直,但凝固过程基本相同。以垂直为例,若将冰球置于圆柱坐标系,由于对称的原因,角度方向的传热可忽 略。因而,球内传热可简化为二维的传热问题,即径向和轴向,其中包括金属芯内导热、固相内导热、液相内导热、相变、不同物性介质间的耦合问题。以前的一些 文献只限于一维径向导热的数值计算及分析。对于柱内传热的机理性研究也有一些介绍[2～5]。在凝固过程中,相变溶液在容积较小的球内温度均为0℃左右, 在这个温度区域水的密度变化相当小,其容积膨胀系数也介于负值和正值之间,因此可以认为当以水作为蕊芯冰球的储冷相变介质时,自然对流较弱,可以忽略其影 响。结合球内凝固的实际情况,可做如下假设:(1)相变温度恒定,为0℃;(2)相变介质固液两相的比热、导热系数、密度均为常数;(3)相变的发生从外 向内和从内向外及柱体两端同时进行; (4)发生相变的相在过程中温度不变; (5)液相初温为0℃,忽略自然对流的影响。