（土木工程专业论文）冰球式蓄冷系统蓄冰特性分析和实验研究.pdf

独创性声明 l i l ll l1i iii l l1 1 11i iitl y 17 8 9 0 5 7 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研、 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： ， 摘要 摘要 冰蓄冷空调系统是实现电网“削峰填谷 的有效方法。冰球式蓄冷作为主要 的冰蓄冷形式之一，其设备具有结构简单且灵活适用性强、使用寿命长、技术要 求低、稳定可靠性高、阻力小、换热性能好等优点，在冰蓄冷系统中应用广泛， 市场占有率较高。 国内外学者对冰球式蓄冷系统蓄冰热力学特性的研究做过大量的工作。冰球 式蓄冰罐蓄冷过程的数学模型建立方面，大多数学者采用集总参数法建立模型中 的冰球部分，或者没有考虑到冰球内水的过冷度影响。蓄冷系统的蓄冷过程影响 参数的分析方面，目前的模拟和实验研究基本只局限于分析参数对蓄冰罐蓄冷过 程的定性影响，而没有结合蓄冷时间、泵功率和主机效率等因素，研究这些参数 对整个蓄冷系统的影响，更没有进行更深入具体的参数选取过程的研究。 本文基于上述背景，主要作了以下工作：建立更接近实际的冰球式蓄冰罐蓄 冷过程数学模型，其中考虑到了冰球的过冷问题，同时可以求解出蓄冷过程中冰 球内蓄冷介质温度分布的变化；利用冰球式蓄冷系统的实验和模拟更全面地分析 冰球式蓄冰罐的蓄冷性能，并综合考虑蓄冷时间、泵功率和制冷机c o p 等因素， 以最低能耗为目标，对冰球尺寸和载冷剂流量最佳值的选取进行分析。 本文建立的冰球式蓄冷系统模型具有一定的实用性。模型不仅能够用于系统 性能的模拟研究，还可用于系统结构和运行工况的能耗分析及优化等其他研究， 希望为今后的冰球式蓄冰罐的结构设计、冰球式蓄冷系统的工程设计和运行管理 提供参考。 关键词冰球式蓄冷；模型；实验；冰球尺寸；流量 a b s t r a c t a b s tr a c t i c es t o r a g ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mi sa ni m p o r t a n tm e a s u r eo ft r a n s f o r m i n ga p a r to fp o w e rl o a d si np e a kp e r i o dt ov a l l e yp e r i o d e n c a p s u l a t e di c es t o r a g es y s t e mi s o n eo ft h em a i ni c es t o r a g ef o r m s i tn e e d ss i m p l e e q u i p m e n ta n dl o wt e c h n o l o g y , a n d i ti sf l e x i b l e ，a n dh a sl o n gl i f e ，h i g hr e l i a b i l i t y , l i t t l er e s i s t a n c ea n d g o o dh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c e ，a n dt h e r e f o r ei ti sw i d e l yu s e di np r o j e c t s m a n yr e s e a r c h e r sh a v es t u d i e dt h ec h a r g i n gp e r f o r m a n c eo fe n c a p s u l a t e di c e s t o r a g es y s t e m i nr e s p e c to fd e v e l o p i n gt a n kc h a r g i n gm o d e l ，s o m er e s e a r c h e r s d e v e l o p e dt h ec a p s u l ep a r to fi tb yl u m p e dp a r a m e t e rm e t h o d ，a n ds o m ed i dn o tt a k e s u p e r c o o l i n gp h e n o m e n o ni n t oa c c o u n t i nr e s p e c to fc h a r g i n gc o n d i t i o n m o s to f r e s e a r c h e sb ys i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n to n l ya n a l y z et h eq u a l i t a t i v ee f f e c to f c h a r g i n gp a r a m e t e r , b u tn o ta n a l y z et h ee f f e c to fi to ni c es t o r a g es y s t e m a n dn o td o t h ed e e p e rr e s e a r c ho nh o wt od e t e r m i n et h ev a l u e ，w h i c hn e e d st o c o n s i d e r a t e c h a r g i n gd u r a t i o n ，p o w e ro fp u m pa n dc h i l l e rc o p b a s e do ft h a t ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s f i r s t l y , am o r er e a l i s t i c e n c a p s u l a t e di c es t o r a g et a n ki sd e v e l o p e d w h i c ht a k ei n t oa c c o u n ts u p e r c o o l i n g p h e n o m e n o n ，a n dv a r i a t i o no ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fp h a s ec h a n g em a t e d a lc a l l b es o l v e d s e c o n d l y , t h ep e r f o r m a n c eo fe n c a p s u l a t e di c es t o r a g et a n ki sa n a l y z e db y e x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n t h em o d e le n a b l e sad e t a i l e da n a l y s i so fd e t e r m i n i n gt h e s i z eo fc a p s u l ea n dt h ef l o wr a t eo fh e a tt r a n s f e rf l u i di nc o n s i d e r a t i o no fc h a r g i n g d u r a t i o n ，p o w e ro fp u m pa n dc h i l l e rc o e t h em o d e lo ft h ee n c a p s u l a t e di c es t o r a g es y s t e md e v e l o p e di nt h i s t h e s i si s r e l a t i v ec o m m o n t h em o d e lc a nb eu s e dn o to n l yi ns y s t e mp e r f o r m a r l c ea n a l y s i s b u t a l s oi na n a l y s i so ft a n kf o r ma n ds y s t e mc h a r g i n gc o n d i t i o n ih o p et h i st h e s i sc a n d o s o m e t h i n gh e l p f u lt of o r md e s i g no fe n c a p s u l a t e di c es t o r a g et a n k ，p r o j e c td e s i g na n d o p e r a t i o no fe n c a p s u l a t e di c es t o r a g es y s t e m k e y w o r d se n c a p s u l a t e di c es t o r a g e ；m o d e l ；e x p e r i m e n t ；c a p s u l es i z e ；f l o wr a t e i i ，1 摘要 a b s t r a c t 第1 章绪论 1 1 冰蓄冷技术概述” 1 1 1 蓄冷空调技术的重要意义一1 1 1 2 冰蓄冷空调技术的发展历史与现状1 1 1 3 蓄冰设备的分类3 1 2 同类研究工作国内外研究现状- 5 1 2 1 实验研究5 1 2 2 模拟计算研究”6 1 3模拟计算方法6 1 4 计算工具软件7 1 5本学位论文的研究内容8 第2 章冰球式蓄冰系统蓄冷过程实验9 2 1冰球式蓄冷系统实验台介绍9 2 2实验前的准备工作1 5 2 3实验操作规程l5 2 4 实验数据处理1 6 2 5实验结果分析与讨论1 6 2 5 1初始温度对蓄冷性能的影响18 2 5 2 流量对蓄冷性能的影响2 0 2 6 本章小结21 第3 章冰球蓄冷模型的建立与数值模拟2 3 3 1冰球蓄冷过程概述。：2 3 3 2冰球蓄冷数学模型的建立和求解2 3 3 2 1 蓄冷过程传热控制方程2 3 3 2 2 方程的离散和求解2 6 3 3模型的验证2 7 3 4数值模拟的结果与讨论2 8 3 4 1 单个冰球蓄冷过程的一般规律2 8 3 4 2 乙二醇温度和对流换热系数的影响2 9 3 4 3 冰球尺寸和材质的影响3 l 3 5本章小结3 3 i i i 北京丁业大学t 学硕十学位论文 第4 章冰球式蓄冰罐蓄冷过程的数值模拟3 5 4 1冰球式蓄冰罐蓄冷数学模型的建立和求解3 5 4 1 1 载冷剂侧数学模型的建立一3 5 4 1 2 方程的离散和求解3 7 4 2 模型的验证3 9 4 3数值模拟的结果与讨论4 0 4 3 1 蓄冰罐的一般蓄冷规律4 0 4 3 2 初始温度对蓄冰罐性能的影响4 4 4 3 3 乙二醇入口温度对蓄冰罐性能的影响4 6 4 3 4 乙二醇流量对蓄冰罐性能的影响4 9 4 3 5 冰球尺寸对蓄冰罐性能的影响5 3 4 4本章小结5 4 第5 章冰球式蓄冷系统的运行能耗分析5 5 5 1制冷机模型5 5 5 2蓄冷系统的模拟计算和验证5 6 5 3系统运行能耗分析5 7 5 3 1蓄冷时间的变化规律5 7 5 3 2乙二醇泵能耗的变化规律5 7 5 3 3 冷却塔风机及冷却水泵能耗的变化规律5 9 5 3 4 制冷机能耗的变化规律6 l 5 3 5 系统总能耗的变化规律6 2 5 4本章小结6 3 结论6 5 参考文献6 7 附录冰球式蓄冰罐蓄冷模型计算程序7 1 攻读硕士学位期间发表的学术论文”7 9 致 射81 第1 章绪论 1 1 冰蓄冷技术概述 第1 章绪 1 1 1 蓄冷空调技术的重要意义 2 0 0 9 年，我国年发电量3 6 5 万亿千瓦时， 的增长仍然满足不了国民经济的快速发展和人 缺电局面仍未得到根本改变，电力的使用具体呈现为峰谷差大、高峰电力严重不 足的状况乜3 3 。大中型建筑物中广泛使用的集中空调已成为重要的用电大户，其 用电量要占建筑物总耗电量的4 0 6 0 ，其中大部分空调设备主要在白天运行， 所以也是造成电网峰谷差大的主要原因之一。峰谷差的拉大使得部分地区白天电 力紧张，而夜间电力又过剩，这样使得低谷期间发电站的运行效率比较低。冰蓄 冷空调系统因其可实现对电网“削峰填谷”的作用而成为解决这个问题的有效方 法之一1 。 所谓的冰蓄冷空调系统，就是利用冰的蓄热特性，利用电网负荷低谷期( 如 夜晚) 的电力，使制冷机在满负荷下运行，将空调所需的冷量以显热和潜热的形 式部分或全部地蓄存于蓄冷介质冰中，而在电网负荷高峰期( 白天) 再将冷量释 放出来以满足建筑物的空调系统的需要。另外，除了“削峰填谷的作用，冰蓄 冷空调系统可以减少制冷设备容量及装设功率眵，由于制冷设备满负荷运行的比 例增大，运行状态稳定，提高了制冷设备的运行效率及利用率h 1 ，随着峰谷电价 差政策的推行可为用户节省一定的运行费用口“1 ，对于旧建筑的空调系统改造， 冰蓄冷也是一种理想的采用方式哺1 。 1 1 2 冰蓄冷空调技术的发展历史与现状 冰蓄冷空调起源于2 0 世纪3 0 年代，走过了降低中央空调投资、减缓电网高 峰用电压力、为电网移峰填谷和提高空调系统使用的灵活性及可靠性等不同目标 的发展过程。 在美国，冰蓄冷空调技术早在2 0 世纪3 0 年代就有应用，其目的是消减空调 设备装机容量，以小机组带动大负荷，主要在一些周期性使用、供冷时间又很短 的建筑物，如教堂、体育馆、会堂中采用，旨在降低初投资口1 。后来因为常规制 冷机组发展很快，成本不断降低，而冰蓄冷空调因为成本相对较高而一度停滞。 1 9 7 3 年，全球性能源危机爆发，一些工业发达国家因为倍受冲击，越来越重视 能源节约和合理使用能源。冰蓄冷空调以其“削峰填谷 ，可使电能得到合理使 用的特点，再次受到人们的关注。美国首先将冰蓄冷空调技术作为电力调峰的有 北京t 业大学t 学硕十学位论文 效手段应用于建筑物工程的建设中，南加利福尼亚爱迪生电力公司于1 9 7 8 年率 先制定分时计费的收费措施。1 9 8 1 年后，美国电力部门为推广应用冰蓄冷空调 技术，颁布了相关的奖励措施，对移峰l k w 电力奖励1 0 0 - - - 5 0 0 美元，并分担 5 0 的可行性研究费用。1 9 9 4 年年底前，美国约有4 0 0 0 多个冰蓄冷空调系统用 于不同的建筑物，美国蓄能协会预测，到2 0 1 0 年全美空调采用蓄能技术将达到 9 5 以上。 美国供暖制冷空调工程师学会( a s h r a e ) 、电力研究所、国际蓄能咨询委 员会、蓄能应用研究中心及一些公司、高校在冰蓄冷空调技术开发研究方面做了 大量工作，使其不断的成熟与完善。美国目前已有大量知名的蓄冰品牌，如 f a f c o 、c a l m a c 、b a l t i m o r e 等。m a x i m l c e 和m u e l l e r 公司的动态蓄冰系 统也在美国、日本、韩国、中国等地有1 0 0 多个工程在运行。 法国冰蓄冷空调技术发展也比较成熟，全国制冷空调系统( 用电空调) 几乎 6 0 以上都采用了冰蓄冷空调，其中c r i s t r o p i a 和i b i s 系统较为著名。法国 c m t - c s t r o p 队公司在欧洲、亚洲、美洲的2 5 个国家有经销商。在亚洲， c r i s t r o p i a 与日本三菱油化公司、韩国d i 公司、印度c r i s t r o p i a 有限公 司以及中国杭州c i a t 制冷设备有限公司都签署了许可协议，在全球推广 c r i s t r o p i a 提供的冰球蓄冷装置。在英国，其大型蓄冷系统就有3 0 0 多套，总 容量达4 2 1 0 m 。 日本是一个自然资源十分贫乏的国家，几乎所有能源都依赖进口，日本历届 政府都十分重视能源的有效利用，积极推广各种成熟的用能技术。日本冰蓄冷空 调装置发展迅猛，日本从1 9 5 2 年开始试用冰蓄冷空调系统，到2 0 世纪9 0 年代 以后，蓄冰空调系统大幅增长，近1 0 年来新建、改建冰蓄冷项目3 0 0 0 多个，电 网低谷用量使用率达4 5 。预计到2 0 1 0 年通过冰蓄冷空调系统可移峰7 4 2 万k w 。 日本走的是分散式冰蓄冷的发展道路。1 9 9 9 年以前日本的蓄冰空调系统以 2 0 0 m 2 以上的建筑物为对象，而现在空调则面向1 0 0 一- - 2 0 0 m 2 的小规模店铺、饮 食店和办公室，同时也供1 0 0 m 2 以上的居民住房使用。9 家电力公司和4 家制造 厂联合开发了冷暖负荷为5 - - 一1 0 h p 的小型冰蓄冷式组合空调机。这种整体式的冰 蓄热式的热泵空调系统的薄型冰槽的尺寸进一步减小，并将蓄冰槽和制冷用的热 泵装备在一起，亦可多台并联使用。1 9 9 6 年日本的分散型蓄冰空调装置的建成 数是集中式的一倍，这种型号占目前日本业务用组合空调机的1 3 。日本三菱公 司研发的功率为o 7 5 k w 的蓄冰空调机组，其室外部分与常规空调相同，是目前 世界上最小的蓄冰空调机组之一。 据统计，北美、欧洲、日本等地区蓄冷空调的市场占有率分别达到7 0 、3 0 和7 5 。我国台湾省自从1 9 8 4 年从美国引进冰蓄冷及控制设备，建成台湾第一 个冰蓄冷空调系统以来，冰蓄冷空调系统发展很快。1 9 9 5 年台湾只有2 2 5 个蓄 第1 章绪论 冷式空调系统，到1 9 9 8 年底已建成6 0 0 个之多。1 9 9 4 年底的总蓄冷量高达2 0 0 万k w h ，转移高峰用电超过5 2 万k w ，用户每年节省电费约为3 亿台币。 2 0 世纪9 0 年代，我国大陆地区冰蓄冷空调技术也得到了发展。1 9 9 3 年5 月 投入运行的深圳电子科技大厦采用了法国c r i s t r o p i a 冰球蓄冰系统，其削峰 能力为4 7 。这栋楼高2 8 层，是我国第一幢采用冰蓄冷空调技术的高层建筑。 虽然当时在我国许多地区供电负荷峰谷差已经十分严重，但是由于电力系统并没 有实行相应的政策，同时国内暖通界人士对冰蓄冷空调技术也缺乏全面深入的了 解，所以冰蓄冷技术没有得到很大的发展。 后来随着电力高峰供应不足而低谷过剩的矛盾日益突出，为改善电力供应的 紧张状况和电网负荷率，1 9 9 4 年1 1 月国家计委、国家经贸委和电力工业部联合 召开全国节电工作会议，提出到2 0 0 0 年我国将转移1 0 0 0 - - - 1 2 0 0 万k w 的尖峰负 荷到低谷使用，并以此作为一项重要节能目标。从1 9 9 5 年开始，华北电力集团 率先公布峰谷电价比为4 5 ：1 ，各地电力部门也纷纷出台了一些优惠政策，譬如 实行分时电价、减免部分电力增容费、对投资蓄冰空调的项目提供低息贷款进行 奖励等。这些办法对我国推广冰蓄冷空调技术起到了有力的作用，全国陆续有一 批冰蓄冷空调项目开始上马，特别是浙江省如雨后春笋般地涌现了一批冰蓄冷空 调项目。1 9 9 5 年全国共建成了约l o 个冰蓄冷空调系统，1 9 9 6 年全国又有近1 0 个冰蓄冷空调系统投入运行。而到2 0 0 5 年则迎来了是冰蓄冷空调技术的发展高 潮。目前国内已有十多家研制和生产蓄冰设备的厂家，一大批的冰蓄冷空调项目 正在建设中。 1 1 3 蓄冰设备的分类 0 冰蓄冷空调系统是在常规电制冷的基础上减少制冷主机容量、增加蓄冷装置 而做成的。从系统组成上讲，冰蓄冷空调系统只是比常规空调系统多了一套或数 套蓄冰及其辅助设备，其他与常规空调系统基本一样。目前国内外普遍采用的蓄 冰设备分类方法，如文献 4 ，7 所述，是按制冰方式分为静态制冰和动态制冰， 静态制冰包括盘管式蓄冰、封装式等；动态制冰包括冰片滑落式和冰晶式等。盘 管式蓄冰中，根据融冰方式的不同又分为外融冰式和内融冰式；封装式分为冰球、 冰板和芯心冰球式等，如图1 1 所示。 ( 1 ) 盘管式蓄冷设备 盘管式蓄冷设备是由沉浸在水槽中的盘管构成换热表面的一种冰蓄冷设备。 在蓄冷过程中，载冷剂或制冷剂在盘管内循环，吸收储槽中水的热量，在盘管外 形成冰层。取冷过程则有内融冰和外融冰两种形式。内融冰在融冰供冷工程中， 来自用户或二次换热设备的温度较高的载冷剂进入蓄冰盘管内，通过盘管表面将 热量传递给冰层，使盘管外表面的冰层自内向外逐渐融化进行取冷。外融冰是指 温度较高的空调回水直接送入盘管表面结有冰层的蓄冰水槽，使盘管表面上的冰 1 北京t 业大学t 学硕十学位论文 层自外向内逐渐融化。 盘管式蓄冷设备中常用的盘管结构有三种，分别为蛇型盘管、圆筒型盘管和 u 型立式盘管。它们作为换热器的功能部件，分别与相应的不同种类的储槽组合 为成套的各种标准型号的蓄冷设备。 图1 1 蓄冰设备分类 f i g 1 - 1c o m m o nm o d e so fi c es t o r a g ee q u i p m e n t ( 2 ) 封装式蓄冷设备 把蓄冷介质封装在球型或板状小容器内，并将许多的这种小容器密集的放置 在封装罐或开式槽内，从而形成封装式的蓄冷设备。常见的封装容器有冰球、冰 板和芯心冰球等三种主要形式： 冰球。用于空调蓄冷的冰球，外壳一般用高密度的聚乙烯材料制成，里面充 有去离子水和成核添加剂。这些冰球被密集堆放在蓄冷槽内，载冷剂在冰球之间 的间隙流通换热。有的冰球表面加工有许多的凹涡，这些凹涡可以增加冰球的传 热面积从而提高传热效率。 冰板。冰板一般被制作成扁平的板状，外壳由高密度的聚乙烯材料制成，板 内注入去离子水。冰板有次序地放入蓄冷槽内，冰板约占蓄冷槽体积的8 0 。 芯心冰球。芯心冰球是在冰球的基础上进行改进获得的一种蓄冷设备，具体 是增加了金属芯和皱褶。皱褶由高弹性高强度的聚乙烯制成，有利于适应冻结和 融冰时内部冰或水体积变化而产生的膨胀和收缩。冰球两侧的中空金属芯心，一 方面可以增强换热，另一方面起到配重作用，在开放式槽内放置时冻结后不会浮 起。 ( 3 ) 冰片滑落式蓄冷设备 蓄冰时，冰层越厚制冷机的蒸发温度越低，性能系数也就越低。如果控制冻 l 第l 章绪论 结冰层的厚度，每次仅冻结薄层片冰，则可提高制冷机的蒸发温度和性能系数。 冰片滑落式蓄冷设备就是在制冷机的板式蒸发器表面上不断冻结薄片冰，然后滑 落至蓄冰槽内进行蓄冷。 ( 4 ) 冰晶式蓄冷设备 冰晶式蓄冷设备是通过冰晶制冷机将低浓度的乙烯乙二醇水溶液冷却至低 于o ，然后将此状态的过冷水溶液送入蓄冰水槽，溶液中即可分解出o 的冰 晶。若过冷温度为2 ，则可产生2 5 的直径约为1 0 0um 的冰晶。由于单颗粒 冰晶十分细小，冰晶在蓄冰槽中分布十分均匀，可以用泵直接输送。 1 2 同类研究工作国内外研究现状 冰球式蓄冷作为主要的冰蓄冷形式之一，其设备具有结构简单且灵活适用性 强、使用寿命长、技术要求低、稳定可靠性高、阻力小、换热性能好等优点陋 1 们， 在冰蓄冷系统中应用广泛，市场占有率较高1 。一些学者对冰球式蓄冷系统蓄冰 热力学特性的研究做过大量的工作，下面分别从实验研究和模拟计算两个方面进 行阐述： 1 2 1 实验研究 实验是研究冰球式蓄冰罐蓄冷热力学特性的重要手段。m c h e r a l a t h a n 等n 幻 在实验中采用直径为4 8 m m 的冰球，蓄冰罐最多可装冰球2 5 0 枚，并通过其数目 的增减以改变蓄冰罐的空隙率。通过实验分析了不同载冷剂入口温度对不同位置 冰球和载冷剂温度变化的影响，得到了蓄冰罐的空隙率与蓄冷量、蓄冷速率的关 系。得出结论认为，随着入口温度的降低，蓄冷时间缩短，并且载冷剂入口温度 存在一个最优范围。j eb e d e c a r r a t s 等n 3 1 采用装有2 5 0 0 个直径为7 7 m m 冰球的蓄 冰罐，实验得到过冷度、载冷剂温度、流量等参数对蓄冷过程的影响。得出结论 认为：蓄冷介质的过冷现象对蓄冷过程影响很大；载冷剂入口温度的降低和流量 的增大都会加速蓄冷的完成；当蓄冷开始于一个未完全释冷的状态时，其中一些 冰球不会发生过冷现象，这样可以使蓄冷时所需的载冷剂入口温度升高，蓄冷时 间减少。 上述实验研究有一个共同的实验条件，即每次实验时，载冷剂入口温度都保 持恒定，在蓄冰系统实际运行中，蓄冰罐的入口温度是与制冷机的出口温度一致 的，而制冷机的出口温度是不断变化的。因此，上述实验在这方面与实际的蓄冷 运行有一定的差异。 同济大学吴喜平n 4 1 通过对某大厦冰蓄冷空调系统运行情况的测试，研究了蓄 冰罐在不同流量下的蓄冷特性。清华大学李吉生等n 朝在冰球卧式蓄冰罐实验的基 础上，对该设备不同蓄冷工况的载冷剂出口温度、蓄冷速率变化进行阐述，认为 在蓄冷后期的低蓄冷速率是由于冰层厚度的影响。 气 北京t 业大学丁学硕十学位论文 上述的两个实验研究分析了蓄冷工况对蓄冷过程的定性影响，得出结论认为 蓄冷温度和流量的选取应综合蓄冷时间、泵耗功和主机效率等因素综合考虑，而 并没有进行更深入具体地选取过程的研究。 1 2 2 模拟计算研究 模拟计算方面，a r n o l d n 6 叫踟用实验得出载冷剂与球内未发生相变的蓄冷介质 之间的总传热系数随球内冰的比例变化的函数关系，以此为基础，将冰球侧能量 平衡方程与蓄冰罐侧能量平衡方程联立求解，并对模拟计算结果进行了检验。j p b e d e c a r r a t s 等n 9 2 1 1 对冰球式蓄冰罐进行了数值求解，其中考虑到了以单个冰球 实验结论为基础的罐内冰球在不同过冷度下的结晶概率，并且通过计算分析了蓄 冰罐入口温度和流量对蓄冰罐性能的影响。清华大学李先庭等乜2 3 得出了冰球式蓄 冰罐数学模型，求解后与某实际系统的测试结果进行对比，吻合较好。清华大学 张雁等瞳朝通过实验测量推导出潜热换热阶段球内换热系数随球内蓄冰比例变化 的函数关系，并以此为基础建立蓄冰罐数学模型，经过将计算结果与前人实验数 据对比，证明此模型合理。南京大学吴双茂等乜盯建立了冰球式蓄冰罐数学模型， 该模型考虑了蓄冷材料的过冷度及罐体热损失的影响，通过模拟计算讨论了入口 温度、初始温度和流速对蓄冷过程中蓄冷介质温度、载冷剂温度和蓄冰率的影响。 然而，通过总结上述文献可以发现，以上冰球式蓄冰罐数学模型中的冰球侧 能量平衡方程是采用集总参数法建立的，即将蓄冷过程中蓄冰罐内冰球的温度看 作整体一致的，这与实际过程显然是有所不同的。 i s m a i l 等晗引使用有限差分和移动网格法求解、验证了冰球蓄冰罐数学模型， 并且分析了载冷剂流量和温度、球壳材质对蓄冷完成时间的影响。这篇文献中所 建立的数学模型和求解方法能够计算出模拟蓄冷过程中冰球内的温度分布，但同 时没有考虑到冰球内蓄冷介质的过冷现象，在这方面具有局限性。 综上所述，鉴于目前国内外同类研究的不足，以下两个方面值得做进一步的 深入研究：建立更接近实际的冰球式蓄冰罐蓄冷过程数学模型，其中考虑到了冰 球的过冷问题，同时可以求解出蓄冷过程中冰球内蓄冷介质温度分布的变化；利 用冰球式蓄冷系统的实验和冰球式蓄冰罐模型的模拟计算更全面地分析冰球式 蓄冰罐的蓄冷性能，并综合考虑蓄冷时间、泵功率和制冷机c o p 等各种因素进 行冰球尺寸和载冷剂流量最佳值的选取。 1 3 模拟计算方法 如若在建立冰球式蓄冰罐模型中的冰球部分时，摒除集总参数法，而使整个 模拟计算更接近实际，那么如何处理冰球内蓄冷介质的相变问题，就成了建模时 的核心内容。相变问题在传热界又称为s t e f a n 问题，这类问题在所研究的区域中 存在一个随时间而变化的内边界，即相界面，它把整个区域分成两个随时间变化 6 - 第1 章绪论 的活动部分，在每个部分分别满足对应的传导方程，而在内边界上存在着潜热的 吸收或释放，使得求解困难，除了极少数情况可以求得精确的分析解外，大多数 情况只能用近似分析方法或数值方法求解啪3 ，其中应用最广的是数值方法，本文 即采用这种方法。 求解此类问题的数值方法一般分为两大类砼7 ，驯：一类以温度为变量，分别在 固、液两相和固液相界面上建立三个能量方程；另一类取焓为变量，建立能满足 整个求解区域的能量方程，从而不需再考虑固液相界面的移动。i s m a i l 等心5 1 在其 研究中采用的第一类方法，本文将采用第二类方法建立冰球式蓄冰罐中冰球侧方 程，以此作为区别于同类研究的一点尝试和创新。 数值解法方面，在流动与传热计算中应用较广泛的是有限差分法，有限元法， 有限分析法及有限容积法。本文将采用的是有限差分法，这是历史上最早采用的 数值方法，对简单几何形状中的流动与换热问题也是一种最容易实施的数值方法。 其基本点是：将求解区域用与坐标平行的一系列网格线的交点所组成的点的集合 来代替，在每个节点上，将控制方程中每个导数用相应的差分表达式来代替，从 而在每个节点上形成一个代数方程，每个方程中包括了本节点及其附近一些节点 上的未知值，求解这些代数方程就获得了所需的数值解。 1 4 计算工具软件 本文的数值模拟计算采用软件m a t l a b 7 0 作为计算工具。m a t l a b 是一个为科 学和工程计算而专门设计的高级交互式的软件包。它集数值分析、矩阵运算、信 号处理和图形显示为一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。在这个环 境下，对于一些较为复杂的数值运算，用户只需简单的列出数学表达式，其结果 便以数值或图形方式显示出来。例如，为解用矩阵向量形式表达的形如a x = b 的线性方程组，首先生成系数矩阵a 和右侧的b ，然后简单地敲入x = a b 即可。 另外，在计算方面还具备以下优点凹1 ： ( 1 ) m a t l a b 既是一种编程环境，又是一种程序设计语言。它与其他高级程序 设计语言c 、f o r t r a n 等一样，也有其内定的规则，但其规则更接近于数学表示， 例如，变量、矩阵无须事先定义； ( 2 ) m a t l a b 中有大量的命令和可用函数集，也可通称为m a t l a bm 文件，这就 使得用它来求解问题通常比传统编程快得多。比如，函数m e s h 、c o n t o u r 、s u b p l o t 等等，就会出现“一句顶百句”其他语言的场面。此外，它还易于扩展，允许用 户自行建立完成指定功能的m 文件； ( 3 ) m a t l a b 提供了良好的用户界面，许多函数本身会自动绘制出图形，而且 会自动选取坐标刻度，可以是用户大大节约设计时间，提高设计质量。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 5 本学位论文的研究内容 本文以冰球式蓄冷系统的蓄冷过程为研究对象，建立一个更符合实际、更全 面的冰球式蓄冰罐蓄冷模型。在实验和模拟计算的基础上，综合全面地分析冰球 式蓄冰罐的蓄冷性能，而后对冰球尺寸、载冷剂流量的选取进行研究，为冰球式 蓄冰罐的结构设计、冰球式蓄冷系统的工程设计和运行管理提供参考。具体工作 内容如下： ( 1 ) 搭建冰球式蓄冷系统实验台，进行接近实际运行的蓄冷实验。通过对实 验数据的分析，得出冰球式蓄冰罐进出口温度、蓄冷速率、蓄冷量的一般变化规 律以及蓄冷时间，随后考察系统初始温度和载冷剂流量对上述蓄冰罐性能参数的 影响。 ( 2 ) 采用焓法建立第三类边界条件下，考虑过冷现象的冰球的蓄冷全过程数 学模型。经过模拟计算分析载冷剂温度、对流换热系数、冰球球径以及材质对蓄 冷量和蓄冷时间等的影响。 ( 3 ) 建立更符合实际的冰球式蓄冰罐蓄冷数学模型。由于其中考虑到蓄冷介 质的过冷度，且冰球侧数学模型采用了相对集总参数法而言，较为复杂的焓法， 使得整个蓄冰罐模型的计算更精确、更符合实际，并且可以得出蓄冷过程中冰球 内蓄冷介质温度分布的变化。 ( 4 ) 通过实验验证冰球式蓄冰罐数学模型和求解的正确性。利用验证正确的 模型完成其他受到实验条件限制而无法进行的蓄冰罐蓄冷性能的分析，如蓄冰罐 中不同位置处冰球、载冷剂的温度和蓄冰率的一般变化规律，以及载冷剂入口温 度、流量和冰球尺寸对上述性能参数的影响。 ( 5 ) 以实验台为研究对象，综合考虑蓄冷时间、泵运行功率和制冷机c o p 等 因素，通过应用所建立的冰球式蓄冰罐模型，得到不同冰球尺寸和乙二醇流量下 的整个系统的蓄冷能耗变化规律，并以系统蓄冷运行能耗最低为目标，进行冰球 尺寸和载冷剂流量最佳值的选取。 8 如图2 1 所示，它主要包括制冷系统、冰球式蓄冰罐、水箱和测控系统等。其基 本运行流程如下： 蓄冷流程：蓄冰过程中，载冷剂经制冷机降温后，从蓄冰罐下侧管路流入， 经过与冰球换热，从上侧管路流出，通过水泵重新回到制冷机，随后进入下一个 循环，直至蓄冰罐内冰球或载冷剂温度达到要求的状态，结束蓄冰。 释冷流程：融冰过程中，载冷剂在水箱内受到加热器加热，通过水泵之后， 从蓄冰罐上侧管路流入，经过与冰球换热，从下侧管路流出回到水箱，随后进入 下一个循环，直至蓄冰罐内冰球或载冷剂温度达到要求的状态，结束融冰。 霸剧 d l q 】士 d y i y 1 气= - d 9 - 1 d y 5 2删电 。ji 2址 址 $ r f r r r r 渊加 谒 一口团 d - y ?渊热1 乍 - l ，1 玲幕 强￥l w 口 碍 - 捕 回 。_ 1 、 一 u 凝发 f 鹫 电马 n d = _ 翌$ d - y l l 器嚣 l 裹 2 y 8 。譬一一帛 巍泵啊、一、_ l 跎d y 2 d 二删一v 崔、一y 4 水系统 节阀 慈善 癌器 感譬 1 冰球式蓄冷系统实验台流程图 f21 s c e m a t i cd i g r a mo fe x e r i m e n t a ls e - u p 流对应的阀门情况如表2 1 所示。 北京t 业大学t 学硕+ 学位论文 表2 1 实验台运行中的阀门状态 t a b l e2 - 1t h ev a l v es t a t eo fe x p e r i m e n t a ls e t u p 阀门编号 d y1d y 2d y 3d y 4d y 5d - y 6d y 7d y 8d y 9d ylo 蓄冷流程 开开 开 开 开开开关 关关 释冷流程关关开开开开 关 开 开开 阀门编号 d y l1 d l q ld - l q 2 d - l q 3 d 9 1 d 9 2z - 1 蓄冷流程开开开开关开关 释冷流程关关关关开关开 1 制冷系统 制冷系统由制冷机、冷却塔、冷却水泵和相应的管路组成。本实验台选用法 国西亚特a u r e ai l a 6 0 型涡旋式制冷机，其中共有两台压缩机，单台压缩机运 行时的额定空调工况制冷量为1 3 7 k w ，蓄冰工况制冷量为8 3 k w 。实验时可对 其制冷量( 通过选择单双台压缩机) 、出水温度限值及波动范围进行调节。冷却 塔采用d b n l 3 9 型，冷却水最大流量为9 m 3 h ，风机功率为o 3 7 k w ，可自动补 水。冷却水泵为威乐m h l 2 0 2 型，最大流量为5 m 3 h ，最大扬程为2 2 m 。 2 冰球和蓄冰罐 黼暑 稚 糠妻 密封塞头 膨胀空腔 p c m 蓄冷液 h d p e 外壳 图2 - 2 蓄冰罐和冰球结构示意图 f i g 2 - 2i c es t o r a g et a n ka n dc a p s u l e 本实验所用的蓄冰罐和冰球结构如图2 2 所示。蓄冰罐为一个内径为7 0 0 m m ， 高为1 5 0 0 m m 的钢制圆柱容器，壁厚为1 5 m m ，外包3 6 m m 厚的橡塑保温层，其 容积为0 5 8 m 3 。为使载冷剂均匀的在蓄冰罐中流过，避免发生短路，蓄冰罐进口 和出口均设置了分布器，同时还起到防止冰球浮出液面的作用。蓄冰罐中共有冰 第2 章冰 球5 6 8 个，所选用的冰球为西亚特a c 0 0 型，外径为9 8 m m ，厚度为1 5 m m ，外 壳采用高密度聚乙烯( h d p e ) 材料，内充去离子水和成核添加剂，由于容器为刚 性结构，其中预留9 的膨胀空间。a c 0 0 型冰球性能参数如表2 2 所示。 表2 - 2a c 0 0 冰球的技术性能参数 t a b l e2 - 2p a r a m e t e r so f a c - 0 0c a p s u l e 性能项目单位数值备注 外壳高密度聚乙烯( h d p e ) 溶液去离子水及添加剂 外径 m m9 8 液重g 4 0 0 7 总体积 c m 34 9 3 内容积 c m 34 0 8 潜热 k j 个 1 4 7 8 换热表面积m 2 ( k w h ) 0 6 堆放球数 令| 心 1 2 2 5 平均值 融点 0 过冷度 2 2 保证值为2 5 最高工作压力 m 【p a2 5 3 载冷剂泵 载冷剂泵为威乐m h l 2 0 2 型，最大流量为5 m 3 h ，最大扬程为2 2 m 。通过变 频器可以改变水泵电机转速，从而实现载冷剂变流量运行，流量调节范围为 o 3 3 m 3 h 。 4 水箱 接近载冷剂水泵入口侧的位置设置一个尺寸为4 0 0 4 0 0 5 0 0 的水箱，将它 放置于系统最高点以上( 大约2 2 m ) ，其目的是： ( 1 ) 系统在运行过程中可能有滴漏现象，为保证系统正常运行，可通过水箱 补充损失的载冷剂； ( 2 ) 在系统蓄冰融冰过程中，当系统溶液温度变化时，可补偿系统中载冷剂 的体积变化量保障系统安全正常运行； ( 3 ) 可及时排除系统内不凝性气体，有利于系统的正常工作； ( 4 ) 利用膨胀箱到系统的静压液柱使载冷剂泵正常工作。 水箱内部装有6 只l k w 的电加热器，在融冰实验中可以起到模拟负荷的作 用。同时水箱安装有高低液位传感器，它们用来监测载冷剂液位，防止液位过高 溢出水箱，或者液位过低使加热器烧坏。 5 管道和阀门 载冷剂管道和冷却水管道的管径均为d n 4 0 ，前者外包3 5 m m 厚的橡塑海绵， 用以减少管道的冷量损失。 北京下业大学下学硕十学位论文 阀门选用流量调节灵活、全开阻力较小的蝶阀。由于其操作简便、迅速，因 此可以很方便的转换整个系统的运行工况。系统中为保障泵安全运行，防止泵停 止运行时流体对泵体的冲击，在每一个泵的出口管道上均安装了止回阀。同时在 蓄冰罐的最高点设置手动放气阀，在系统最低点，设置排污管和阀门，以便系统 清洗。 6 其他附件 为了在实验台运行过程中，及时了解系统运行工况，保障系统运行，在进出 制冷机的载冷剂管道、冷却水管道上安装了温度计和压力表，在水泵进出口侧安 装了压力表。 为防止系统运行中有大的杂物等进入重要设备，影响实验台安全运行，系统 中在