运用于系统仿真的冰球式蓄冷罐的模型

    1 引言

    冰蓄冷空调系统是在空调负荷较低时制冰储冷,而在空调负荷高峰时融冰取冷,可以全部或部分转移制冷负荷,从而缩小供电网络的峰谷用电负荷差。冰蓄冷系统在最近几年发展很快,在美国、日本、澳大利亚等发达国家发展尤为迅速,在我国发展也较快。冰球式蓄冷是其主要的蓄冷形式之一,其设备具有结构简单、技术要求低、可靠性高、阻力小、换热性能好等优点,它在蓄冷空调系统中的应用也越来越多。

    冰球蓄冷罐是冰球式蓄冷系统的关键设备,其工作特性直接影响蓄冷空调系统的性能。与一般的空调系统相比,蓄冷空调要复杂得多,对它的研究更适宜采用仿真的方法。在建立用以分析冰蓄冷空调系统的仿真器的工作中关键是建立合理而准确的冰球式蓄冷罐。本文给出了蓄冰罐的数学模型,并在TRNSIS仿真平台上编制蓄冰罐的仿真模型。

    2 蓄冰罐的结构模型[1]

    蓄冰罐的结构模型如图1所示。忽略罐体边缘的影响,冰球中心连线的典型结构成四面体。根据正四面体的几何性质,冰球堆积的结构参数为:单个冰球的表面积:πd2;单个冰球的体积:πd3/6;1m3罐内的冰球数/d3;1m3罐内体积的换热面积π/2;每层冰球的当量高度(h)d/3;1m高度冰球的层数:1/h。其中,d为冰球的直径,m。

    3 蓄冰罐数学模型[2]

    载冷剂在冰球式蓄冰罐中的流动是一个很复杂的过程,涉及载冷剂掠过冰球的换热以及冰球内的相变换热过程。对此作如下简化:

    (1)冰球在蓄冷罐内均匀分布,载冷剂和冰球中介质的热工参数只沿流程方向发生变化;

    (2)冰球内液体的初始温度均匀一致;

    (3)冰球的传热性能只与冰球中的冰量多少有关;

    (4)忽略球体内的自然对流换热,按照纯导热过程进行计算。

    引入当量对流换热系数:

    其中,αw由下式确定:

    式中 δ—冰球球壳的厚度,m

    λ—冰球球壳的导热系数,W/(m•℃)

    λf—载冷剂的导热系数,W/(m•℃)

    Pr—载冷剂的普朗特数

    Re—载冷剂的雷诺数

    v—载冷剂的流动速度,m/s

    υf—载冷剂的运动粘度,m²/s

    冰球侧的能量方程为:

    冰球中无冰时:

    冰球中冰水共存时:

    冰球中全冰时:

    式中 Q—单个冰球与载冷剂间的传热量,W

    α—换热系数,W/(kg•℃)

    Ti—冰球的温度,℃

    Tf—载冷剂的温度,℃

    A—换热面积,m²