直接蓄冰系统蓄冷过程动态模型研究

　　1 前言

　　直接蓄冰系统是空调蓄冷工程中常用的一种方式,与间接蓄冰系统相比,其结构紧凑、投资省、换热效率高,省去了二次载冷剂侧的换热,并且可与空调机组构成一体,如图1所示为直接蓄冰系统工作原理图。低谷时,机组进行蓄冰贮冷;高峰时,机组溶冰供冷,这样可使空调机组在高峰时段不开或少开。

　　直接蓄冰系统是由沉浸在充满水的贮槽中的金属管作为蓄冷介质和制冷剂间的换热表面。在蓄冰充冷时,制冷剂在管内循环,吸收贮槽中水的热量,直至管外形成冰层。直接蓄冰是一个动态变化过程,随着蓄冰时间的增加,其冰层不断加厚,而管外冰层增厚将影响其换热效率和蓄冰量。为了搞清其变化规律,文中将就其动态特性作一探讨。

　　2 直接蓄冰动态模型建立

　　蓄冰运行时,制冷剂在管内流过,与管外的冰或水进行热交换,其传热经历三个过程:

　　(1)通过可变厚度冰层的导热;

　　(2)通过管壁的导热;

　　(3)管壁与管内制冷剂间的对流换热。

　　为分析方便起见,在对直接蓄冰过程建立模型前需作如下假设:

　　(1)传热管外壁与固液两相界面之间为同心圆,可按纯导热计算冰环的传热;

　　(2)在贮槽内水开始结冰时,水几乎被充分冷却,即槽内水的温度近似于水的冰点。

　　(3)由于管的长度相对于管径较大,因此可认为轴向导热很小,这时可将多维问题简化为一维(径向)问题。

　　2.1 蓄冰半径r随蓄冰时间t的变化关系

　　(1)蓄冷量Qi

　　式中:Qi—蓄冷量,kW;

　　hf—冰的融解潜热,kJ/kg;

　　mi—蓄冰量,kg;

　　t—蓄冰时间,s。

　　(2)蓄冰量mi

　　mi=P(r²-r²0)•L•Q 　　(2)

　　式中:r—冰层外径,m;

　　r0—外径,m;

　　L—管长度,m;

　　Q—冰密度,kg/m3。

　　(3)冰外径r与蓄冰时间t的关系

　　由式(1)、(2)得:

　　(4)管内制冷剂与管外冰之间的换热量Qe

　　Qe=K•A•Δt=K•A•(tf-te) (4)

　　式中:Qe—管内制冷剂与冰层间的换热量,W;

　　A—传热面积,m2;

　　K—传热系数,WP(m2#K);

　　Δt—传热温差,℃;

　　tf—水的冰点,℃;

　　te—制冷剂蒸发温度,℃。

　　其中:A=2πrL(5)

　　式中:ri—管内径,m;

　　hi—管内对流换热系数,W/(m2•K);

　　kp—管壁导热系数,W/(m•K);