壳管式蓄冰槽蓄冷特性的试验研究

    1 引言

    目前,静态外融冰空调系统均采用上部与大气相通的开放式蓄冰槽,决定了外融冰水系统必为开环系统。因此,停机后不可避免出现室内末端的水流倒灌、电磁阀和电动调节阀由于承受较大的水静压而造成开启与调节困难等缺陷[1];工程上常采用换热器等水路隔离措施避免这些缺陷,但这又将造成取冷温度升高、系统成本上升。而采用由壳管式蓄冰槽构成的蓄冷水与空调水连通的闭环系统,则可充分发挥静态外融式冰蓄冷系统的优势,有效改善空调系统的低温经济性[2];但由于缺乏壳管式蓄冰槽设计和指导工程应用的基础理论,以及尚无成熟的蓄冰槽含冰率IPF(IcePacking Factor)传感器[3],该技术在推广初期有一例工程应用后[4],未见其它工程应用的报道。

    对于静态制冰系统壳管式蓄冰槽,其蓄冰过程属于有限空间内的固液相变传热过程,受到冰盘管的布置形式、管子数量、初始水温以及管内载冷剂流量、温度等因素的影响,它与大空间和有限空间内单一管外水的冻结存在明显差异。刘道平等针对单一圆管以及管束外有限空间内水体的冻结过程及其机理进行了深入研究[5~9],得出了指导壳管式蓄冰槽设计的有益结论,推进了闭环冰蓄冷系统的应用;但目前尚缺乏可直接指导壳管式蓄冰槽实际应用的研究结果。本文通过对多管程壳管式模型蓄冰槽的蓄冷特性进行试验研究,以期为壳管式蓄冰槽的工程应用提供一定的指导依据。

    2 热工特性实验装置

    为研究壳管式蓄冰槽的蓄冷特性笔者研制了多管程壳管式模型蓄冰槽,结构如图1所示。该模型蓄冰槽保留了壳管式蓄冰槽的典型特征:空调水具有封闭空间、冰盘管具有多个管程,空调水入口具有布水器、冰槽内具有空调水折流板等。模型冰槽的冰盘管和折流板均采用不锈钢材料制成,其中冰盘管的规格为D25×2.5mm,为便于观测结冰与融冰状态,其壳体采用有机玻璃管材制成,外被厚度为20mm的聚氨酯泡沫塑料保温层。在槽体的空调水进、出口以及内部空间中沿轴向和径向对称布置有30对热电偶,以测量水体与冰体的温度。

    图2是该试验装置的原理图,它包括恒温介质系统、壳管式蓄冰槽以及测量系统三个部分。恒温介质系统包括制冷机、冷却盘管换热器、电加热器、调压器、恒温控制器以及介质蓄存与输送设备等,利用恒温介质系统,在蓄冷时提供温度恒定的载冷剂(质量浓度为35%的乙烯乙二醇溶液);测量系统包括温度测量和冰量测量两部分,主要包括温度传感器、浮子流量计、精校量筒、秒表、膨胀水量测量管以及数据采集仪、计算机等设备。

    载冷剂、水与冰的温度传感器采用铜-康铜热电偶,每对传感器的精度经过标定,误差为±0.1℃,测量时,将传感器直接布置在被测介质需观测部位,以减少测量误差。传感器布置位置如图2所示。采用浮子流量计监测介质的流量稳定状况,量程与精度范围为0~1L/h±3%;并用量筒与秒表精确校验载冷剂与空调水的流量,量筒规格:200mL?1mL;秒表精度为0.01s。蓄冷过程中冰的增长率利用设置在冰槽上部取冷水出口的标有刻度的垂直膨胀水量测量管,由冰水密度差计算得出。