（制冷及低温工程专业论文）直接蒸发盘管外融冰系统蓄冰槽性能的研究.pdf

摘要 在小型蓄冷空调方面的研究，日本进行得较早，但公丌的研究成果却很有限。 日前，我国也进行过一些研究，清华大学周晓棠研制并开发了小型家用冰蓄冷空 调，但该系统为内融冰取冷。对于内融冰取冷，国内外已有较多的文献町供参考， 但对于外融冰取冷，可供参考的资料却很少。本文在前人所取得的冰蓄冷研究成 果的基础上，对宜接蒸发式外融冰取冷系统蓄冷槽的一些性能进行了初步研究。 户型蓄冷空调有其自身特点，蓄冷槽是其与常规家用空调的主要区别。文中 通过建立相变传热的数学模型对蓄冷槽进行了设计计算。为了使盘管表面冰层融 化均匀，在槽内加设了折流板。从理论上，对制冷剂在盘管内的蒸发制冰过程及 盘管表面的冰层融化问题进行了分析。 实验中采用两种蓄冷方式：无扰动蓄冷和扰动蓄冷。结果表明，扰动蓄冷所 蓄的冷量要比无扰动蓄冷蓄的冷量多，且蒸发温度要高约1 2 。扰动蓄冷时， 蓄冷槽内的各点温度变化基本相同，但扰动性过大，在盘管表面不易形成冰层。 无扰动蓄冷时，槽内水温出现明显的分层现象，且初始水温越高，分层现象越明 显。采用一定的流量进行取冷时，取冷过程大致分为两个阶段：潜热取冷阶段和 混合取冷阶段。取冷初期，由于冰层较厚，水的扰动性大，槽内水温分层明显。 随着盘管表面冰层的融化，最后槽内各点温度变化趋于一致。根据槽内冷水的温 度分布，槽内加设折流板后，冷水的流动比较均匀，取冷效果好。取冷的理论计 算结果和实验结果存在一定误差，理论模型需进一步完善。 关键词：直接蒸发，盘管外融冰，户式冰蓄冷空调，理论分析，实验研究 a b s t r a c t t h e r ei s o n l y al i t t l el i t e r a t u r ea b o u tr e s i d e n t i a l i c e - s t o r a g e a i r c o n d i t i o n i n g s y s t e m ( p 3 s a c s ) t h o u g hi t h a sa l r e a d yb e e nr e s e a r c h e di n j a p a n i n0 1 3 c o u n t r y , p r e p a r a t i o na n de x p l o i t a t i o na b o u t i tw a sd o n ei nq i n g h u a u n i v e r s i t y ，h o w e v e r , i ti s a ni n t e r n a lm e l ti c e - o n c o i lt h e r m a ls t o r a g es y s t e m ( i m l t s s ) t h e r eh a v eb e e nm a n y m a t e r i a l sa b o u ti m i t s sa th o m ea n da b r o a d ，b u tt h e r ei sf e wa b o u te x t e r n a lm e l t i c e - o n c o i lt h e r m a l s t o r a g es y s t e m ( e m i t s s ) o n t h eb a s eo ft h o s e a b o v e ， e x p e r i m e n t so i lt h ed i r e c te v a p o r a t i n ga n de x t e r n a lm e l t i n gi c e o n c o i lt a n ka r ed o n e i nt h i sp a p e r t h em a i nd i f f e r e n c eb e t w e e nr i s a c sa n dr o u t i n ea i r _ c o n d i t i o n e ri st h ei c e s t o r a g e t a n k b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l o f p h a s e - c h a n g e h e a tt r a n s f e r , t h et a n k i sd e s i g n e da n dc a l c u l a t e d i no r d e rt om a k ei c eo nt h ec o i lm e l te q u a b l y , s o m ep l a t e s a r ep u ti nt h et a n k t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep r o c e s so ft h er e f r i g e r a n te v a p o r a t i n gi n t h ec o i la n dt h em e l t i n go fi c et h e o r e t i c a l l y g e n e r a l l y , t h e r e a r et w om o d e so f i c em a k i n g ( t w ok i n d so f i c es t o r a g es y s t e m s ) ： s t a t i ca n dd y n a m i ci c es t o r a g es y s t e m a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，m o r ee n e r g yi ss t o r e d i nt h ed y n a m i ci c es t o r a g es y s t e m ( d i s s ) w i t hi n c r e a s i n go fi c et h i c k n e s s ，t h e r m a l r e s i s t a n c eb e t w e e nw a t e ra n dc o o l i n gm e d i u mb e c o m e sg r e a t e r , a n dt h et e m p e r a t u r e o f e v a p o r a t o rd e c r e a s e s ，l a t e r , t h et e m p e r a t u r eo fe v a p o r a t o ri nt h es t a t i c i c es t o r a g e s y s t e m ( s l s s ) i s1 o r2 。c l o w e rt h a nt h a ti nt h ed i s s i nt h ed i s s ，t h ew a t e r t e m p e r a t u r eo fe v e r yp o i n ti s c l o s et oe a c ho t h e r , w h i l ei nt h es i s s ，o b v i o u sw a t e r l a y e r sa p p e a r i nt h et a n k f o rt h ed i s s ，i ti sd i f f i c u l tt om a k ei c eo nt h ec o i lw h e n t h e f l o wo ft h ep m n pi st o ob i g f o rt h es i s s ，t h eh i g h e rt h ei n i t i a lw a t e rt e m p e r a t u r ei n t h et a n k ，t h em o r eo b v i o u sw a t e rl a y e r si sb yt h ee n d w h e nt h ec o o ld i s c h a r g er a t ei s l o w e r , t h ew h o l ed i s c h a r g ep r o c e s s c a nb ed i v i d e di n t ot w o p h a s e s ：l a t e n t h e a t d i s c h a r g ea n dm i x e dd i s c h a r g e a tt h eb e g i n n i n g ，t h ei c eo n t h ec o i li ss ot h i c kt h a t t h ew a t e rf l o w sm o r eq u i c k l y w i t ht h em e l t i n go fi c e ，t h ew a t e rb e g i n st of l o w s m o o t h l y a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h et a n k w i t hs o m ep l a t e sh a sm o r e s t e a d yw a t e rf l o wt h a nw i t h o u t t h e r ei sa l i t t l ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n dt h ec a l c u l a t i o nb yt h em a t h e m a t i cm o d e l s ，s ot h em o d e l ss h o u l db e m e n d e df i n t h e n k e y w o r d s ：d i r e c te v a p o r a t i o n e x t e r n a lm e l ti c e o n c o i l r e s i d e n t i a li c e 。s t o r a g e a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e ma n a l y s i s e x p e r i m e n t 第“章引言 第一章引言 1 1 课题背景及研究意义 白改革丌放以来，我国的综合国力和人民生活水平都有较大程度的提高。电 力工业作为国民经济的基础产业之一，已取得长足的发展。我国近年来的总装机 容量已达到年增长1 5 x 1 0 7 k w 水平，1 9 9 6 年发电装机容量已居世界第二位。截 止到1 9 9 7 年底，全国发电装机总量达2 5 1 0 8 k w ，年发电量达1 1 1 3 2 i 0 1 2 k w “。 但是随着用电结构的变化，工业用电比重相对减少，城市生活、商业用电快速增 长( 多数城区的负荷增长达到1 6 2 5 ) ，电力供应高峰不足而低谷过剩的矛盾日 益突出( 峰谷差与高峰负荷之比高达2 5 3 0 ) ，这不仅导致企业经济效益下降， 同时给居民生活造成极大不便”1 。 解决电力不足的问题，一方面是靠增加对电力的投入，加快电力建设的步伐， 多装机组；另一方面还要继续坚持开发与节约并重的能源方针，加强计划用电与 节约用电，通过经济的、技术的、行政的和法律的手段，鼓励用户节约用电，移 峰填谷，充分利用现有电力资源，大力开发低谷用电。 目前，我国的电网调峰技术和调峰方式都还跟不上实际需要。最经常采用的 方式是被动式调峰，即根据负荷需求，调节机组出力或定时起动待运机组，如大 型柴油发电机、燃气轮发电机或备用汽轮发电机组等；在尚不能满足时，由电网 拉负荷限电，但拉负荷是限峰而不是调峰，不宜轻易采用。抽水蓄能电站是一种 较为理想的调峰方式，它将谷段电能移到蜂段使用，具有移峰和填谷的双重作用。“。 但是以上列举的各种调峰方式，初投资都很高，运行费用也很大，因此难以推广。 那么，我们不妨换个角度，从用电负荷上着手，使电网用户将用电负荷移峰填谷， 这样得到的效果是一样的。随着城市的现代化建设，空调系统的使用不断普及， 在城市电网负担的各种用电负荷中，建筑物空调系统的电力负荷比例与日俱增， 且基本上处于电负荷峰值期，已逐步成为城市电网的很大负担之一。1 9 9 6 年北京 和深圳的夏季空调用电量已分别占全市总用电量的2 5 和3 5 ，2 0 0 0 年则达到了 5 0 6 0 。”。由此可见，蓍冷空调技术具有相当大的移峰填谷潜力，能在较大程度上 减轻城市电网负担。 为推动蓄冷空调技术在我国的广范应用并保证其正确实施，国家经贸委办公 厅已颁布文件，其中将冰蓄冷空调作为今后的重点发展项目。1 9 9 8 年底颁布的国 第一章引言 务院有关文件中更强调了“为缓解高峰用电对电网安全稳定运行的压力，保证经 济发展和人民生活水平提高对电网的需要，要加大推行峰谷电价的力度，鼓励用 户采用节电技术措施，多用低谷电，加快推广蓄冷空调等消峰填谷的措施。”目 前峰谷电价政策的出台及其不断的发展和完善，将为促进我国蓄冷空调的发展和 应用刨造良好的外部经济环境，蓄冷技术在我国的应用将形成不可逆转的趋势。 所谓蓄冷技术，即在夜问电网低谷时间( 同时也是空调负荷很低的时间) ，制 冷主机丌机制冷并由蓄冷设备将冷量储存起来，待白天电网高峰用电时问( 同时 也是空调负荷高峰时间) ，再将冷量释放出来满足高峰空调负荷的需要或生产工艺 用冷的需求。这样，制冷系统的大部分耗电发生在夜间用电低峰期，而在白天用 电高峰期只有辅助设备在运行，从而实现用电负荷的“移峰填谷”。合理设计的蓄 冷空调系统具有很多优点，首先可以转移制冷机组用电时间，起到转移电力高峰 期用电负荷的作用；其次系统的制冷设备容量和装设功率小于常规空调系统，一 般可减少3 0 5 0 ；再次系统中制冷设备满负荷运行的比例增大，状态稳定，提高 了设备利用率；还有蓄冷系统的一次投资可能比常规空调系统要高，但其运行费 用却大大降低等等，因此蓄冷空调技术具有良好的发展前景”1 。 蓄冷空调技术最初开始于3 0 年代，其发展经历了三个阶段。 从3 0 年代至6 0 年代。，是以削减空调制冷设备装机容量为主要目标，以小 冷机带动大冷负荷的蓄冷阶段。主要应用于影剧院、教堂、乳品加工厂等短时问 用来降温、负荷集中的场所。随着设备制造业的不断发展，节省购置费已失去吸 引力。相反，蓄冷装置成本与电耗方面的不利因素突出起来，以至该项目技术的 应用进入了相当一段停滞期。 1 9 7 3 年全球性的经济危机，再次引起人们对空调蓄冷技术的关注和研究。大 约在1 9 7 7 年前后，美国、加拿大和欧洲一些工业发达国家，夏季电负荷增长惊人， 下午的耗电量竟然超过夜间耗电量的1 5 倍，以致于不得不增建发电站来满足高 峰负荷。但一到夜间又闲置下来，更糟的是在夜间发电站是在低负荷、低效率下 运转。由此，人们开始实验性地将冰蓄冷技术引入建筑物的空调系统，开始了以 直接蒸发式管外结冰为基础的冰蓄冷空调系统的研究。“。 1 9 8 3 年在美国能源部主持召开的第三次“蓄冷在制冷工程中的应用”专题研 讨会上，酋次提出了与冰蓄冷相结合的低温送风系统。冰蓄冷技术的发展从此进 入了第三个阶段“4 ”1 。除了转移尖峰用电时段的空调用电负荷外又增加了利用冰 蓄冷的“高品位冷量”，以提高空调制冷系统整体能效和降低空调制冷系统整体投 资及建筑造价，改善室内空气品质和热舒适性的目标，进入了低温、大温差供冷 第一章引言 送风的蓄冷空调发展阶段“。”。此后采用此项技术的建筑空调不断增加。1 9 9 4 年 年底前，美国约有4 0 0 0 多个蓄冷空调系统用于不同的建筑物。1 9 9 8 年年底前，同 本大约有9 4 0 0 个蓄冷空调系统在运行。美国b a c 公司在芝加哥的最大的盘管式冰 蓄冷空调系统最大蓄冷量近4 6 万千瓦时。| i = = | 本横滨市最大的冰球式冰蓄冷空调系 统最大蓄冷量近3 9 万千瓦时“”。 我国蓄冷空调技术起步较晚，由于得到了有关领导部门的熏视，全国范围内 采用蓄冷空调的工程在逐年增多。从9 0 年代初开始建造蓄冷空调系统以来，到9 7 年底已建成3 3 项水蓄冷和冰蓄冷空调系统，9 8 年1 月以后开建、建成或投入运行 的系统又有5 0 项左右“3 。蓄冷技术在大型中央空调系统中的应用，收到了显著的 社会效益和经济效益。 随着我国经济的逐步增长，居民居住条件的日益改善，人们对家居环境的舒适 性和健康性的要求越来越高。我国建筑业尤其是住宅产业的高速发展，带动了房 间空调器生产的高速增长。据统计，1 9 9 5 年全国每百户城镇居民平均拥有8 台房 问空调器，到2 0 0 0 年每百户城镇居民房间空调器的拥有量已为4 0 台；而在部分 经济发达地区，如北京、上海和广州，这一比例己由1 9 9 5 年的1 5 台百户猛增至 2 0 0 0 年的7 8 台百户，并仍呈不断上升趋势。 图1 一i 上海历年供电最高峰和电力峰谷差 当前的发电能力是高峰不足、低谷有余。以上海为例，2 0 0 0 年其用电峰谷差 达4 3 4 6 万k w h ( 见图1 ) 。用电高峰和最大峰谷差出现在夏季高温时段，2 0 0 1 年 7 月1 2 日上海出现3 7 的高温，用电负荷达1 0 8 9 万k w ，超过历史最高记录。同 月，毗邻的杭州市由于高峰供电不足而六次拉闸限电。同时，近几年上海冬季也 出现用电的次高峰。“。这说明，用电高峰主要是由空调和供暖造成的。在我国各 大城市，如果没有空调，则电力确实有富裕；如果空调进一步普及，则高峰供电 第一章引言 缺口会越来越大。为满足空调的需求，势必要投巨资兴建调峰电厂，而一年中超 过5 0 的时间，这些设备又会闲置，或者在低负荷下运行，造成巨大的能源浪费。 凋查表明，家用空调器的耗电量在总空调耗电量中占据着相当大的份额，2 0 0 0 年北京地区为6 0 ，日本的统计数据为8 0 。因此如果能把蓄冷技术应用到家 用空调器等小型空调设备上，它们所起到的移峰填谷作用将是很可观的。 同本的田中俊彦在1 9 9 4 年就提出了小型蓄冷空调的思想”“。在小型蓄冷空调 方面的研究，日本仍走在前面。近年来，日本b a c 等5 家公司联合开发了几种1 0 马力以下的小型冰蓄冷空调器，为内融冰型、变频和定频几种机型，可以蓄冷5 个小时。日本三菱公司研究开发出功率为0 7 5 k w 的蓄冷空调机组，其室外部分 与常规空调相同，是目前世界上最小的蓄冷空调机组之一，从日本的工程实践司 以看出小型蓄冷空调系统的节能效果。在定负荷运转情况下，由于昼夜温差较大， 利用昼夜室外气温差可使冷冻机提高效率，节能率达2 2 ；由于蓄冷而产生的热损 失，年损失能量率5 ；由于蓄冷所需要的运送动力增加，年损失能量率4 ；所以 与非蓄冷空调系统相比较，节能率为2 2 5 - - 4 = 1 3 。“ 日本的研究表明蓄冷技术在小型及家用空调机上的应用是可行的，那么结合 我国国情，家用小型空调系统潜在市场很大，如果小型蓄冷空调系统能够得到普 及，便可以更好地解决电力峰谷差问题，故研究小型蓄冷空调系统有很大的经济 效益和社会效益。在国内，对于大中型冰蓄冷技术的研究开发和推广应用方面已 积累了一定的经验，但在家用小型冰蓄冷技术方面的研究还比较少，可以借鉴的 资料极其有限，加上仅有的几个有这项技术的空调器厂家的资料又进行保密，就 使得此类系统在技术设计、性能预测方面有很多困难，因此，本课题在天津市自 然科学基金的资助下，对应用在别墅中的小型蓄冷空调系统进行了研究，主要是 针对蓄冷槽的蓄冷和取冷性能。蓄冷槽是蓄冷空调系统的重要组成部件，其性能 的好坏对蓄冷空调系统产生直接影响。蓄冷槽内布置折流板，目前国内外的研究 文献中未曾涉及，并且采用的是外融冰的取冷方式。外融冰系统本身具有很好的 优点，可以实现长时间稳定地取出低温水，为实现低温送风、减小设备容量、实 现系统经济高效运行、减少占用空间提供了技术可行性。相对内融冰而言，外融 冰的研究还不够成熟。文中在实验和理论相结合的基础上，对所设计的蓄冷槽的 性能进行了研究，以填补国内空调领域在这方面的空白。 第一章引言 1 2 文献综述及研究现状 由于蒂冷技术得到了全世界的重视，因此关于此项技术的研究也越来越全面、 深入。从不同的角度出发，蓄冷系统就有很多种分类方法，美国制冷工业协会( a r i ) 1 9 9 4 年出版的蓄冷设备热性能指南中将蓄冷设各按冷量蓄存的方式分为显热 式蓄冷和潜热式蓄冷，显热蓄冷设备常用的介质有水和盐水；潜热蓄冷设备常用 的介质为冰、共晶盐水合物等相变物质。”。s t r a n d 等将蓄冷系统分为直接式 ( d i r e c t ) 和间接式( i n d i r e c t ) 两类，前者是指蒸发器直接置于蓄冷槽中，冰 层在蒸发器表面生长或融化；后者则利用二次冷媒在冷机和蓄冷槽之问循环，冰 层在蓄冷槽内生长或融化”l 。按制冰方式又可分为静态制冰和动态制冰，静态制 冰包括内融冰盘管式、外融冰盘管式、封装式等；动态制冰包括片冰滑落式和冰 晶式等。a s h r a e 蓄冷系统设计指南中从控制运行方式的角度将蓄冷系统分成 全负荷蓄冷和部分负荷蓄冷两种系统”，等等，总之，分类方法很多。 冰蓄冷技术在大型蓄冷空调系统中的应用取得了显著的成效，起到了对电网 的移峰填谷作用。国内外一些具有较高水平的蓄冷空调工程为今后蓄冷空调工程 的设计、施工以及运行积累了宝贵的经验。在小型蓄冷空调方面的研究，美国及 月本一些发达国家走在了世界的前列。日本和歌山制作所的今西正美等在1 9 9 3 年 曾经介绍过一种组合式冰蓄冷空调机，其制冷能力在2 6 2 9 k w 之间，蓄冷量为 4 2 1 0 5 k j ( 3 2 4 r t h ) ，结冰率i p f 在5 0 以上，采用直接膨胀式制冰蓄冷：放冷 时蓄冰槽作为冷凝器使用，它和相应的室内蒸发器由- d , 功率的冷媒泵代替压缩 机结合起来，构成独立的制冷循环，该组合式冰蓄冷空调机有三种放冷运行模式： 常规放冷、蓄冰槽放冷和二者联合放冷【。“。显然，机组实现了高c o p 运行，压缩 机容量大幅度降低，运行经济性也很好。 在国内，近几年也有过对小型蓄冷空调系统的研究开发，取得了一定的研究 成果。天津理工学院的陈伟珂等人搭建了小型蓄冷空调系统的实验台，该系统 采用封装式菁冷装置，蓄冷罐内均匀分布3 0 个直径为1 0 0 m m 的蓄冷球，球内装 有5 0 0 m l 的有机蓄冷工质，蓄冷系统的载冷剂为水。常规空调系统部分由压缩机、 风冷冷凝器、节流阀和风冷蒸发器组成，采用的制冷剂为r 1 2 ，设计制冷量为7 k w ， 工质的蒸发温度为5 ，压缩机的吸气温度为1 5 ，冷凝温度为5 0 。c 。陈伟珂等 人进行了常规空调、蓄冷过程和放冷过程的实验，由实验结果可知，该实验台的 性能并不理想，原因在于：蓄冷采用封装式设备和载冷剂管路，使整个系统变得 过于复杂，不符合小型机组简单紧凑的特点；蓄冷采用套管式蒸发器和特殊的有 第一章引言 机蓄冷工质，使系统的造价成本提高；取冷控制也存在问题，2 0 分钟即完成耿冷 过程的蓄冷系统，显然其实际应用价值并不很大。这些方面都是我们在丌发小型 冰蓄冷空调机组时应该注意并努力完善的地方。 清华大学的周晓棠也对小型蓄冷空调进行了研究。”j ，采用的是直接蒸发蓄冰 制冷剂过冷系统，实验台示意图见图i 一2 。该系统仍采用直接蒸发制冰蓄冷， 图1 - 2小型冰蓄冷空调实验台不意图 所不同的是供冷时，制冷剂先经过冰盘管内融冰取冷，从而获得极大的过冷度， 然后再进入蒸发器蒸发放冷，通过这种方式来提高机组的制冷量和性能系数c o p 。 周晓棠结合清华同方人环设备公司生产的户式空调进行了相应的实验研究，并以 北京地区一使用面积为1 6 0 m 2 的别墅型住宅为例，对实验结果进行了分析，该例 中每日空调8 h ，时间段为7 ：o o 8 ：0 0 、1 2 ：0 0 1 4 ：0 0 、1 8 ：0 0 2 3 ：0 0 ， 然后分别采用户式冰蓄冷空调枫组( 1 2 k w 1 6 k w ) 和原户式空调( 1 6 k w ) ，对 两者耗电量进行了模拟分析，并根据北京电价结构( 高峰：8 ：0 0 1 1 ：0 0 、1 8 ： 0 0 2 3 ：0 0 ，0 9 2 9 元k w h ：平峰：7 ：0 0 8 ：0 0 、1 1 ：0 0 18 ：0 0 ，0 5 6 9 元k w h ；低谷：2 3 ：0 0 7 ：0 0 ，0 2 3 2 元k w h ) ，给出两种空调系统运行费 用的综合比较，并得到如下结论：当蓄冰槽体积仅为0 4 2 m 3 时，可节约运行费用 2 1 ，用电高峰耗电量减少3 6 ，机组的装机容量减少2 5 ，其经济效益还是很可 观的。 第一章引言 从以匕设计的小型冰蓄冷系统可以看出，列户式的冰蓄冷空凋系统而言，利 用制冷剂直接蒸发蓄冷和取冷是较为理想的首选方式，那么搞清楚直接蒸发冰盘 管蓄冷取冷特性就十分重要。s t r a n d 曾给出直接和间接冰盘管蓄冷系统的改进模 型。“，但模型过于复杂，且许多系数需针对具体系统才能确定，应用起来比较困 难。同济大学的钱以明等就直接蒸发式管外结冰蓄冰槽结冰过程进行数值模拟求 解，并经过实验验证，证明模拟结果比较理想，因此对蓄冰槽的蓄冰性能研究和 系统设计提供了可靠的理论依据。”j 。北京工业大学的李俊梅等作了直接蒸发冰盘 管蓄冷系统特性的实验研究”1 ，作者首先建立了蒸发器和蓄冷槽的数学模型，为 了研究方便，在工程允许的精度范围内，作了一些合理假设，如：制冷剂在管路 中做一维轴向流动，只考虑径向换热；盘管外壁与固液两相界面之间为同心圆环 ( 实际上并不这样) ；两相区内制冷剂气、液均匀混合，各时刻蓄冰槽内水温均匀 等，按照能量平衡原理建模；然后又进行实验验证，得到的理论值和实测值基本 吻合。该文还对光管、二肋管、三肋管进行了对比分析，指出加肋管具有明显的 强化制冰作用。 中国科技大学的方贵银也作了直接蒸发蓄冰系统蓄冷过程动态模型研究。“。， 他基本上按照上文的假设，给出蓄冰半径r 随蓄冰时问t 的变化规律。方贵银还 采用蓄冷率e 来表示实际蓄冷量与最大可能蓄冷量之比，认为蓄冷率e 与制冷剂 蒸发温度和过热度有关，在蒸发温度为一5 ，过热度为3 时，蓄冷率e 为6 0 。 从以上动态模型分析得知：冰层厚度并不随时间线性增加，即蓄冰时间不是越长 越好，到了某一极限时间后，冰层厚度基本上不再变化，这时应停止蓄冰。 清华大学周晓棠研究的小型冰蓄冷系统采用的是内融冰取冷，装置上增加了 二次冷媒换热部分，使得系统变得复杂，占地面积大，并且换热效率低。户型蓄冷 空调系统的要求是控制简单可靠，占地面积小，投资少，效率高。李俊梅和方贵 银研究的直接蒸发蓄冰系统均为外融冰取冷。国内外在内融冰的蓄冷和驭冷方面 研究的较多。“。7 。外融冰的蓄冷方式与内融冰相似，但其取冷过程却比内融冰复 杂。相对于内融冰而言，国内外对于外融冰的取冷特性研究的较少。 同本的山羽基对于外融冰槽取冷特性进行了较为深入的实验研究“i 。研究发 现，阿基米德数a r ( 与孔口直径成正比，与速度的平方成反比) 对槽内水温竖直 温度分布有很大影响，欲尽可能长时间地取出低温水，应使a r 尽可能大；盘管数 量及其布置方式对取冷特性有影响，并与a r 数的大小有关；增大冰盘管含冰率后 在取冷初期取水温度有所降低；搅拌可使融冰条件均一化，可削弱进口条件对取 冷温度的影响。 第一章引言 对于外融冰槽取冷过程的理论研究，由于存在相变情况下槽内流场、温度场 及其影响因素的变化极为复杂，很难进行外融冰特性的准确模拟，往往需要对问 题做出一系列的简化，采用能量平衡的方法进行近似求解。山羽基对于外融冰给 出了混和模型，将槽内分成完全混和区和一次扩散分层区两部分，对于每一部分列 出能量平衡关系式。盘管在不同区域的大小对混和模型的影响以修正系数的形式 体现，参照实验结果决定模型中的有关系数。求解模型可以得到有关取冷特性参 量及其随时间的变化。 清华大学张茂勇对外融式冰盘管取冷特性进行了研究，得到外融冰的整个取 冷过程大体上可以分为两个阶段：潜热取冷阶段和混合取冷阶段“”。研究发现： 外融冰可以| 炙时间稳定地取出低温水，可以实现更大负荷强度的取冷，从而可以 适应用户的不同负荷分布状况。影响外融冰槽取冷特性的主要因素有：冰槽水流 进出口方式、取冷流量、进出口温度、负荷强度、初期蓄冷量以及冰槽结构、物 性参数等，各种因素具体的作用方式和大小具有较大影响。对于外融冰而言，取 冷进出口方向对取冷特性有较大影响。在其它条件相同时，上进下出方式要比下 进上出方式出口温度平均高2 。c 左右，这是由于受到水的密度随温度变化的规律的 影响。 1 3 课题任务及研究方法 根据前面两节的阐述，不难看出：蓄冷空调系统小型化以适用于家庭( 如供冷 面积1 0 0 2 0 0 平方米左右) 是目前空调发展的一个重要方向。这种小型蓄冷空调 系统往往存在运行费用相对较高的问题，采用外融冰蓄冷可以明显的节省运行费 用。系统采用直接蒸发方式进行蓄冷，既省去了二次冷媒部分，又避免了冷热转 换的中间环节，减少了能耗，并且加工、管理简单，比其它一些蓄冷方式更有竞 争力。小型蓄冷空调中采用直接蒸发蓄冷、外融冰取冷的方式应该是一种较好的 解决办法，值得做进一步研究。因此，本课题的研究是很有意义的，它将为冰蓄 冷技术在小型空调系统中的应用做出重要贡献。 下面具体给出本课题的任务及研究方法： ( 1 ) 在前人对冰蓄冷空调技术研究的基础上，结合小型冰蓄冷空调的自身特 点，同时参考已有的各种系统型式，通过对比分析，选定最适合用在小型蓄冷空 调的系统形式； ( 2 ) 具体给出该系统的设计方法，包括：系统原理、设计思路、蓄冰槽的建 第一章引言 模过程，以及与小型蓄冷实验系统相匹配的其它部件； ( 3 ) 对蓄冷机理进行了分析，并建立了蓄冰过程的动态模型，通过模拟分析 蓄冰的形成过程。在蓄冰槽内加设折流板，使得盘管表面的融冰问题变得更加复 杂。将蓄冷槽分成两个区域，槽上部为完全混合域，槽下部为一维扩散域。对两 个区域分别建立模型，并进行模拟分析在取冷过程中水温的变化情况； ( 4 ) 搭建实验台，对蓄冷和取冷两种工况进行实验，以验证所建模型的可靠 性，并为进一步分析外融冰系统的蓄冷特性及取冷特性提供参考数据； ( 5 ) 通过整理分析实验数据，得到蓄冷过程和取冷过程的各种影响因素及其 影响趋势，从而作为小型冰蓄冷空调设计和运行的指导依据。 笙三主尘型董堡至塑塞竺墨竺塑堕塞 第二章小型蓄冷空调实验系统的确定 2 1 系统方案论证 2 1 1 蓄冷空调系统分类 冰蓄冷系统的种类和制冰形式有很多种。从蓄冷系统所用冷媒上考虑，有直 接蒸发式和间接冷媒式。所谓直接蒸发式，是指制冷系统的蒸发器直接用作制冰 元件，如盘管外蓄冰、制冰滑落式等；而间接冷媒式是利用制冷系统的蒸发器冷 却载冷剂，再用载冷剂来制冰。 表2 l 为上述几种冰蓄冷系统及其特性的比较。1 。 表2 1冰蓄冷系统的特性比较 系统类型冰盘管式完全冻结式制冰滑落式密封件式冰晶式 制冷方式直接蒸发或载载冷剂间接直接蒸发载冷剂问接制冷剂直接蒸 冷剂间接发冷却混合 制冰方式静态静态动态静态动森 结冰、融冰方向单向结冰、单向结冰、单向结冰、双向结冰、 异向融冰同向融冰全面融冰双向融冰 选用压缩机往复式、螺杆式往复式、螺杆式往复式、螺杆式往复式、螺杆式往复式、螺杆式 离心式、涡旋式离心式、涡旋式 制冰率( i p f )2 0 4 0 5 0 7 0 4 0 5 0 5 0 6 ( ) 9 54 5 营冷空间2 8 5 41 5 2 1 2 1 - - 2 71 8 2 33 4 ( m 3 k w h ) 蒸发温度( )一4 9 7 94 78 1 09 5 蕾冰槽 2 41 51 - - 21 51 3 水温度( ) 释冷速率 由 慢 快慢极快 适用范围空调、工艺制冷空调空调、食品加工 空调空调、食品加工 按蓄冰的形式不同，可分为静态蓄冰和动态蓄冰两种。静态蓄冰是指冰的制 第二章小型蓄冷空调实验系统的确定 备和融化在同。位置进行，蓄冰设备和制冰部件为一体结构。具体形式有冰租管 式( 外融冰式管外蓄冰) 、完全冻结式( 内融冰式管外蓄冰) 、密封件蓄冰。动态 蓄冰是指冰的制备和储存不在同一位置，制冰机和蓄冰槽相对独立，如制冰滑落 式、冰晶式系统等等。 2 1 2 两种典型的系统方案 冰蓄冷系统的组成是多种多样，各有特点，根据系统的应用环境找到一哥十适 合于小型蓄冷空调系统的特殊形式。小型蓄冷空调系统应该具有占地面积小，初 投资少，结构简单紧凑，蓄冷取冷方便，控制灵活有效等特点，下面通过分析两 种典型蓄冷方案的优缺点，从中选出一个切实可行的系统方案。 一、串联式内融冰系统 这是一种典型的、技术成熟的冰蓄冷系统形式，它已经被广泛应用于各种中 央空调系统中。图2 1 为串联式内融冰系统流程图。该蓄冷系统由制冷主机、蓄 冷槽、板式换热器以及泵、阀门等串联组成，利用温度较低的乙二醇溶液通过板 式换热器冷却空调用水。 该系统的优点是机组运行模式灵活，既可以冷机单独供冷、蓄冰槽单独供冷， 也可以两者联合供冷，它能够充分利用夜间低谷电蓄冰，蓄冷率可以达到很高， 白天冷机可基本不开，更便于电力负荷削峰填谷；但系统组成比较复杂，需要乙 二醇二次冷媒系统，包括溶液泵，乙二醇水溶液膨胀水箱，管路等，同时还要有 板式换热器以提供冷冻水等。 第二章小型蓄冷空凋实验系统的确定 二、直接蒸发式外融冰系统 一 直接将与制冷机组相连的蒸发盘管置于蓄冰槽内进行制冷蓄冰。制冷剂与冷 冻水只发生一次热交换，故制冷剂的蒸发温度较载冷剂间接蓄冰系统有所提高。 其系统原理图如下： 图2 2 直接蒸发式外融冰系统 此种方式下机组直接蒸发制冰蓄冷，取冷方式也很灵活，同样可提供三种供 冷方式，且外融冰系统可以较长时间取出低温水，对空调系统十分有利，机组还 可以充分利用夜问蓄存冷量，最大限度的节约运行费用；但是系统相对仍较复杂， 蓄冰槽处于冷冻水系统中，如果为开式水箱的话，则需要加装压力传感器与水泵 和阀门联控，以免系统中水倒灌，若将蓄冰槽改为闭式箱体，则要考虑其承压问 题，这样必将提高加工要求及部件成本。 将两种系统形式的主要特性汇总于下表： 表2 2两种典型蓄冷方案的主要特性 、蓄冷方案 项目 内融冰系统外融冰系统 贮槽体积( m 3 k w h ) 0 叭9 0 0 2 30 0 2 3 蓄冷温度( ) 一6 一39 一4 释冷温度( )可低至l 3 可低至l 2 贮槽结构开式或闭式钢、玻璃钢、混凝土开式混凝土、钢 制冷机种类双工况冷水机组直接蒸发式制冰机或_ 双工况冷水 机组 第二章小型蓄冷空调实验系统的确定 i 释冷流体乙二醇溶液水 土要特点 优点：l - 运行模式灵活优点：123 点同( 内融冰) 2 莆冷率高4 可以较睦时间取出低温水 3 削峰填谷作用明显缺点：l ，点同( 内融冰) 缺点：1 系统组成复杂2 蓄冰槽要求较高 2 需二次冷媒系统3 控制系统复杂 2 1 ，3 盘管式蓄冷空调系统 盘管式蓄冷空调系统因具有换热效果好、释冷温度相对稳定、储冷槽要求低、 单位蓄冷量造价低等优点，是蓄冷系统中较普遍采用的一种蓄冷方式。但由于系 统配置不同，初投资及运行费用有很大差别。文献 4 3 ，通过实例探讨了四种盘 管式蓄冰空调系统的经济性。如图2 3 所示： ( a )( b ) ( c )( d ) 1 储冰槽2 泵3 三通阀4 空调负荷5 蒸发器6 乙二醇机组7 膨胀水箱 8 ，热交换器9 压缩冷凝机组 图2 3 盘管式蓄冷空调系统原理图 第二章小型蓄冷空调实验系统的确定 以上四种系统都采用分量储冰形式，即在用电谷期，制冷机用于储冰，运行 时间一般为9 小时；白天用电峰期，空调负荷用融冰供冷，制冷机不运行；非峰期 间，空调负荷内制冷机和融冰共同供冷，它们的运行方法如下： 方案a ：制冷系统的冷媒分两路循环，储冰槽盘管制冰( 蒸发温度为一5 ) 和 干式蒸发器供冷( 蒸发温度为2 ) 。融冰供冷时段，冷冻水由三通阀控制直接送入 空调负荷，进出水温差为5 ( 7 一1 2 ) ：共同供冷时段，储冰槽出来的冷冻水 的温度超过7 时经三通阀使冷冻水通过于式蒸发器再冷却到7 ，然后送入空调 负荷。 方案b ：冷媒只有干式蒸发器一个回路，双蒸发温度运行，储冰时段为一1 0 。c ， 供冷时段为一5 。c 。乙二醇分两路进入储冰槽中的盘管( 储冰) 和热交换器( 供冷) 进 行闭式循环。冷冻水流向与方案a 相同，只是在共同供冷时段通过乙二醇水热 交换器再冷却。 方案c ：冷媒只有盘管一个回路，储冰和供冷都采用一个蒸发温度( 一7 。c ) 。这 种系统不仅谷期制冰，共同供冷时段也是一边融冰，一边继续制冰。储冰槽融冰 水温为2 一3 ，空调负荷可以实现低温送风。 方案d ：冷媒只在乙二醇机组中循环，一个蒸发温度( 一l o 。c ) ，乙二醇只进入 盘管( 储冰或供冷) ，空调期间运行情况与方案c 相同。 按储冰方式和送风温度给出四种方案的盘管式蓄冰空调系统：a 一冷媒直接蒸 发，常温送风；b 一载冷剂间接冷却，常温送风；c 一冷媒直接蒸发，低温送风；d 一载冷剂间接冷却，低温送风。图2 3 为这四种系统的方案原理图。对四种方案 的经济性进行分析比较，发现以冷煤直接蒸发，低温送风系统的经济性最佳；与 常规系统相比较，其电力消峰率为4 0 ，初投资和运行费用分别减少1 5 年e i4 8 。 因此，本课题就采用直接蒸发盘管式蓄冷系统作为研究对象。 2 2 系统控制方案的确定 冰蓄冷空调系统的确定，除了设备、流程外，还包括运行方式、控制策略的 确定，这些因素直接影响系统的初投资和运行费用，是确定冰蓄冷空调系统方案 的重要一步。 冰蓄冷空调系统的运行方式分为全部蓄冰和部分蓄冰。 全部蓄冰是指机组在电力低谷段制冰蓄冷，非谷段的冷负荷全部由融冰来满 足，而无需制冷机组来承担。该方案蓄冰装置和制冷机组的装机容量相对其它方 第二章小型蓄冷空调实验系统的确定 案是最大的，初投资也相对最多，而电费相对最节省。适用于峰谷电差价较大、 电力高峰期较短的情况及短暂负荷的场合，如剧院、体育管等场所。 部分蓄冰方式是将设计日非谷段的冷负荷总量转移一部分( 般为3 0 6 0 ) ，由蓄冰设备的蓄存冷量来承担，白天制冷机组与蓄冰装置联合供应冷负荷 的需要。部分蓄冰方式又可分为以下两种典型睛况： 1 、均衡负荷式，即制冷机组在昼夜2 4 小时内基本上全部满足负荷运行。在 晚问满载蓄冰，白天当制冷机组产冷量大于空调冷负荷时，将满足冷负荷所剩余 的冷量( 用冰的形式) 贮存起来；当空调冷负荷大于制冷机组的制冷量刚，不足 的部分由蓄冰设备( 融冰) 来完成。这种方式蓄冷装置容量相对最小，系统的初 投资最小，制冷机组利用率高。对于设计日最大小时负荷与平均小时负荷之比较 大的系统，可获得较多的经济效益。但系统的弹性较差，冷负荷稍有增加就不能 适用，同时对释冷控制的要求也更严格。而且如果空调负荷高峰时段与当地电力 负荷高峰时段不重合时，系统运行费用较高。 2 、负荷控制式，即按限电要求进行蓄冷，当冷负荷大于眼电要求内制冷机的 供冷能力时由蓄冰设备承担其余冷量。根据电力部门的要求，分为电力“移峰” 和“削峰”。 r 寸1 司 图2 4 全部蓄冰 一l 二) j 一 士二 f ? ，r f f f ? f t jj r ? 鳗戡鳓摘蝴嘲 并，j 牟翻龇 时问 图2 5 部分蓄冰均衡负荷式 “移峰”是指在整个电力高峰时段禁止制冷机运行，对存在上、下午两个用 电高峰的地区，移峰限电有移上午电力高峰，移下午电力高峰及移全部电力高峰 几种情况。 “削峰”是指在电力高峰时段允许制冷机运行，但对其供冷用电量加阻限制 的方式，具体的限制比率因具体的情况而定。 设上午8 ：0 0 1 l ：o o 和下午1 8 ：0 0 2 2 ：0 0 为两个电力高峰，夜间o ：0 0 第二章小型蓄冷空调实验系统的确定 早8 ：0 0 为电力低谷时段，则以上运行方式的负荷安排如图2 4 2 9 所示。 在确定了运行方式之后，还需要选用合理的控制策略，即在实际运行中合理 分配制冷机组直接供冷和蓄冰设备融冰释冷的具体量值，使二者能最经济的满足 冷负荷的要求。运行控制策略中主要有制冷机组优先、蓄冰优先控制策略。 制冷机组优先策略是尽量让制冷机组满负荷运行，如果负荷火于冷冻机制冷 能力，则在冷水机组满负荷运行的情况下，依靠蓄冰设备融冰来补充负荷不足的 部分。这种控制方式工程实现简单，运行可靠，但在冷负荷较小时，冰槽使用率 极低，不能有效地削减电力高峰负荷和减少系统运行费用。 嘣司 图2 6 限制负荷：移上午电力高峰 时间 图2 8 限制负荷：移全部电力高峰 ( k w 冷 负 荷 刚间 图2 7 限制负荷：移下午电力高峰 时间 图2 9 限制负荷：削峰运行 蓄冰优先控制策略是尽可能地利用蓄冰设备融冰来负担冷负荷。当蓄冰设备 不能完全承担时，依靠制冷机组负担不足的部分。这种策略能最大限度地利用蓄 冰设备，但因为要保证冷源能负担每天的峰值冷负荷，蓄冰不能融化太快，所以 第二章小型蓄冷空调实验系统的确定 需要对负荷进行预测以决定各时刻的最大融冰量。该控制策略实现起来较为复杂 但可以最有效的利用电力峰、谷段电费的差价而获得明显的经济效益。 2 3 实验系统组成部件的设计 本课题是在天津市自然科学基金的资助下对小型蓄冷空调系统进行了初步研 究。现以天津市某图书馆的配套综合楼为课题依据。经过综合凋研发现，此类建 筑一般是两至三层，建筑面积大约为2 5 0 平方米左右，夏季的冷负荷变化特点一 般为：从早上8 ：0 0 至1 8 ：o o 冷负荷较大，而在夜间基本不用冷，冷负荷明显减 少。对于此类建筑采用蓄冷空调系统既不会影响建筑物的外观，又解决了压缩机 的启