外融式冰盘管取冷特性的实验研究

1、外融式冰盘管取冷特性的实验研究Experimentofdischargingcharacteristicsofexternalmeltingice-on-coiltanks摘要介绍了在我融冰式冰盘管实验台上所作的外融冰槽取冷特性实验研究，提示了影响外融冰槽热工特性的流量、进口水温、负荷强度、初始蓄冷量、取冷水流进出口方式等主要因素及其作用规律，评论了冰盘管蓄冷技术的发展和应用前景。关键词外融式蓄冰槽冰盘管冰蓄冷实验研究AbstractPresentsinvestigationintothemeltingprocessoftheexternalmeltingice-on-coiltanktocl

2、arifyitsthermalcharacteristicsonanexperimentset,revealsthemainfactorsincludingtheflowrate,intakewatertemperature,dischargingrate,initialchargedquantityandchilledwaterconnectingthatinfluencetheprocessandtheiractions,andreviewsthedevelopmentandapplicationprospectsofice-on-coilthermalstoragetechnology.

3、Keywordsexternal-melticestoragetankice-on-coilicestorageexperimentalresearch0引言外融式蓄冰槽是一种重要的冰蓄冷型式，从制冰过程看属于静态制冰方式1。由于外融冰系统本身具有的可以长时间平衡地取出低温水的优点，近年来在国内外越来越多引起人们的重视，但是相对于内融冰而言，外融冰的研究还不够成熟，特别是在取冷特性方面。目前日本2、美国35等国家在外融冰开发及应用方面处于领先地位，我国一些大学和科研单位也做了许多工作67。外融冰作为一种关键技术，目前国际上一般不提供蓄冷、取冷性能曲线等基础性资料和研究成果，因此我们有必要进一步

4、加强有关方面的研究工作。本文结合所进行的实验研究结果，就外融冰槽的取冷特性及其影响因素进行分析和探讨。1实验原理与试验装置外融冰取冷过程是直接从已经完成蓄冰过程的冰槽内将冷水作为取冷介质输送到用户，冰是从冰柱外表面开始向内融化的。取冷系统是一个独立于蓄冷系统的环路，如图1所示。外融冰槽的取冷特性可以采用冰槽进出口温度、换热速率（单位时间内转移的热量）、总换热量（累计转移的热量）、取冷率（已取出的冷量占总冷量的百分比）、含冰率（槽内冰的体积或质量占冰水总体积或总质量的比例）、液面高度等参量及其随时间的变化状况进行描述8，9。本课题设计了蓄冷容量为6.33105kJ钢制方形蛇管蓄冷槽，并在水槽上下

5、各设置了一个布水器，实验台的温度、流量等测点布置也在图1中示出，在冰槽进出口处有两个旁通相连结，需要时可以通过开关有关阀门来改变进出口水流方向。图1外融冰取冷过程实验装置2实验结果及其分析由于外融冰的蓄冷过程和特性与内融冰是一致的，已有很多研究成果，因此本文将重点集中在两者的取冷特性研究方面，并为此进行了一系列的实验，对实验结果进行了整理、分析，得到了外融冰槽的热工特性，进而对影响外融冰取冷特性的因素进行了进一步的考察，着重揭示了取冷流量、冰槽进口温度、负荷强度、初始蓄冷量、取冷水流进出口方式等因素及其作用规律，对于另外一些影响因素，例如冰槽结构尺寸、液体物性等等，暂时无法通过实验的方法进行详

6、尽研究，将留待以后作进一步探讨。21典型外融冰柄的取冷特性现选取一个典型工况来说明外融冰基本的取冷特性。在编号为M22的取冷过程中，取冷流量G=63/h，取冷负荷强度q=35kW，从而冰槽取冷进出口温差t=t0-ti=5，取冷结束时出口温度t0=7，冰槽水流进出口方式为下进上出。整个取冷过程进行了5h，共取出冷量Q=6.33105kJ。将所测得的，ti，t0，G，q，Q等有关参数整理成有关曲线，如图2所示（图中i,o,d,u分别表示冰槽进口、出口、下部、上部。另外，tw表示平均水温，Hw表示水面高度，QR表示取冷率。下同）。从图中可以看出整个外融冰取冷过程大体上可以分为两个阶段：潜热取冷阶段和

7、混合取冷阶段。图2外融冰槽典型取冷特性取冷过程的第一阶段是从开始取冷一直持续大约3.5h，取出75%的冷量。在这一过程中，取冷出口温度从0.3升高到2左右，曲线基本保持不变并略有上升。这说明这一阶段基本上是进行的潜热取冷，显热取冷量很小。这种情况主要是由于温度较高的水从底部布水器的下侧以极小的速度进入槽内，然后相当均匀地缓慢向上流动，迅速与冰面附近温度接近于0的低温水混合，并沿着叉排管束中间的之字形流道向上流动，从而水温也迅速降低到接近0，这使得位于冰槽上部的取冷出口处一直保持在较低的水温。从而外融冰系统可以长时间地稳定地取出低温水，这是外融冰的一个非常重要的优点。随着融冰的进行，冰水交界面积

8、逐渐减小，流道空间逐渐加大，潜热取冷量逐渐不能完全承担进入的热负荷，需要由槽内水的显热冷量承担一部分负荷，因此槽内水温tw逐渐上升，进出口温度也随之上升，取冷过程进入到混合取冷阶段，从第3.5h处一直到取冷过程的结束的第5h。此时取冷曲线斜率增大，取冷水温以较快的速度上升。从液面高度Hw的变化曲线可以看到，曲线整体上呈线性分布，只是到了第3.5h之后才略有平缓，这是在混合取冷阶段潜热取冷略有下降造成的。在整个取冷过程中，共取出了5.4105kJ的潜热冷量。同时，槽内平均水温从1.6升高到6.2，低于此时的冰槽出口水温7，折合显热冷量为1.33105kJ，其中潜热占80%，显热占20%，略高于按

9、照冰槽进出口温差计算出来的6.33105kJ。上述冷量的误差约为5%，主要是冰槽由于从外界吸热而导致的冷量损失（每h约为0.1%）造成的，同时计算显热量所依据的槽内平均水温及其变化的测量也存在系统误差。22影响外融冰取冷特性的因素为了考察各主要影响因素对外融冰取冷特性的影响，笔者在实际应用中可能需要的范围内选取了每一种因素的不同水平进行了一系列的实验，由此得到了有关因素的作用规律。221冰槽水流进出口方式蓄冰槽内取冷水流动方向改变时，对取冷过程明显影响。对比其它实验条件均基本相同的上进下出实验M17和下进上出实验M22的性能曲线（图3）可以发现，如果以取冷出口水温达到7作为取冷结束点，当初始蓄

10、冰量与设计容量相关不超过20%时，在取冷过程的前70%80%时间内，下进上出方式的取冷出口温度只有0.22，末期取冷温度则逐渐上升到7；而上进下出方式在取冷的大部分时间平均温度在24甚至还略高一些，但取冷末期则较快地上升到7。对比两者结束时的槽内平均水温可知，上进下出的M17为8.7，下进上出的M22为6.22，前者高于后者2.5，从而可以多取出一部分显热冷量。总之采用上进下出取冷方式可以较多地取出槽内水的显热冷量，但是绝大部分时间取冷过程中的平均出口温要高于下进上出方式。图3冰槽水流进出口方式的影响如果以出口水温达到4作为取冷过程的结束点，下进上出的M22可以取出约80%的冷量，上进下出的M

11、17只能取出不到50%的冷量，此时冰槽内还存在大量的冰。同时两者的槽内平均水温基本一致。因此，当用户需要4左右的低温水时，应该采用下进上出的供冷方式，特别是如果用户的供冷水系统采用变流量大温差方式的时候更为合适。不同的取冷水流方向之所以引起取冷特性不同，主要是槽内水的流动换热的惯性力和浮升力的综合作用导致盘管外的冰层融化状况不同。为了能够更突出地研究外融冰能够长时间取出低温水的优点，在下面的讨论中，将主要针对下进上出取冷方式对影响取冷特性因素进行考察。222流量不论是蓄冷过程还是取冷过程，都必须由一定流量的某种介质将冷量输送到换热装置进行换热，但是在蓄冷过程以及内融冰的取冷过程中载冷剂在盘管内

12、流动并与管外进行换热，因此流量必然影响到管内流体与内壁面的表面传热系数，从而影响到换热速率，而外融冰则是直接将冰槽内与冰接触换热的水送出，流量对换热过程的影响就会有所不同。在图4中给出了3次下进上出方式的外融冰取冷出口温度曲线，编号为24,27,28的实验分别对应流量G=4.6，8，10m3/h，取冷负荷强度均为q=28kW，从而取冷温差分别为t=5.2，3，2。实验结果表明取冷水流量增大时冰槽出口水温有所升高，但是温度偏差不超过1，并且3次实验都是表明在取冷的前三分之二时间内出口水温都是在12甚至更低一些。可以看出，流量的变化对于外融冰取冷出口水温没有实质性的影响，因此从取冷特性以及减少泵耗

13、角度看，在可能的情况下减小流量是有利的，当然也不可能无限减小，因其要受到用户处换热器的允许最大进出口温差的*。图4流量的影响223冰槽进口温度当取冷进口温度变化时，会影响到出口温度、取冷速率等参数随时间的变化规律。在实验M30，M31，M32中，ti=12，11，10左右，G=3.63/h，均为下进上出取冷水流方式，无搅拌。其取冷进出口、取冷速率和取冷量曲线见图5。图5进口水温的影响比较各次实验的结果发现，随着ti的升高，t0也升高，但是升市高的幅度要远小于相应的t0的幅度，导致取冷进出口温差升高，q随ti的升高而升高。从槽内冰水换热角度看，ti，t0均有升高，必然使槽内水流通道平均水温有所升

14、高，从而冰水总换热量增加。同时，如果以t0=4作为取冷结束条件，则ti分别为12，11，10时的取冷率分别为：70%，72%，73%，即进口水温越低，可以取出更多的冷量，从而可以更充分地利用蓄冰装置的蓄冷能力，如果进口水温降低到7时更加明显。因此，在不考虑取冷负荷强度时，如果用户要求4低温冷源，并且在取冷过程中控制冰槽进口温度恒定时，选择进口水温较低时其设备容量利用率更高一些。224取冷负荷强度由于取冷负荷强度（或取冷速率）与取冷流量和进出口温差之积成正比，因此考察其对取冷特性的影响时需要保持取冷流量相同以排除流量变化引起的影响。在实验M41，M44，M22中，q=21，28，35kW，每h取

15、冷强度占设计容量的12%，16%，20%，t=3，4，5左右，其它条件基本相同：G=6m3/h左右，下进上出，无搅拌，实验结果见图6。从图中可以看出，在取冷流量相同的条件下，当取冷负荷增加时，取冷进出口温度都升高，其中进口温度升幅分别为1.2,1.4，而出口温度升幅要小得多，仅在0.10.2左右。这是由于进入冰槽的水焓值较高，自然与槽内水混合后也略高一些，但是冰水换热高速率的特性使得其对出口水温影响很小。与内融冰不同，当外融冰单位时间取冷率增大到40%50%以上时冰槽出口温度仍然可以维持在1左右，从而可以更好地适应用户负荷的变化，这是外融冰取冷特性的一个重要特点。图6取冷负荷强度的影响225初

16、期蓄冷量实际工程经常出现蓄冷量与设计容量并不相等，需要考察这种情况对取冷过程的影响。外融冰取冷时冷水需要渡过槽内管束之间以进行充分的冰水换热，因此相邻冰柱需要保持一定间距，例如本外融冰槽设计情况下相邻冰柱间距为12mm左右。在编号M36，M41，M45的取冷过程中，q=28kW左右，G=3.6m3/h左右，下进上出，无搅拌。3个取冷过程的取冷时间分别为10.5，8.7，5.3h，从而总取冷量分别为7.91，6.65，4.05kJ，分别占设计容量的125%，105%，64%。以各自的取冷率QR作为横坐标绘制取冷特性曲线，见图7。从中可以看出，3次实验的进出口温度曲线在取冷过程经历了较短时间的初始

17、段后的大约三分之二阶段内（即出口温度在1左右）吻合得非常好。此后温度曲线有所差别，但幅度不大，达到相同出口温度时的取冷率相关在5%以内。这一结论对分析外融冰取冷特性和实际工程应用都有重要指导作用。图7初始蓄冷量的影响上述结论是在保持取冷负荷强度的情况下得到的，进一步的实验表明当保持取冷进口水温不变时结论仍然成立。如果蓄冰过量以至出现冰柱搭接，将会大大恶化外融冰取冷特性，图8给出了q=32kW左右，G=5.53/h，蓄冰超限情况上的取冷过程。可以看出其取冷特性极端恶化了，将极大地影响到整个外融冰系统的正常工作，因此必须严格避免冰柱搭接情况的出现。图8蓄冰出现搭接时的取冷特性3结论与讨论通过对外融

18、冰取冷方式的实验研究可以发现：外融冰可以长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均有其特点。对外融冰而言，取冷进出口方向对取冷特性有较大影响。当采用下进上出方式时，取冷流量在工程常用范围内变化时取冷出口水温偏差在0.51内，并且流量减小出口水温有所降低，又可降低泵耗，但是受到用户最大允许温差的*。当流量不变时用户本身的取冷负荷强度改变对取冷温度的影响也在0.51以内。当保持流量、负荷强度不变时，在通

19、常使用的范围内（612）改变冰槽进口水温（由用户出口水温决定）对取冷出口水温的影响仅仅有0.2。其它条件相同时初始蓄冷量不同，取冷进出口水温随取冷率的变化几乎完全一致。由于外融冰取冷过程的固有特点，当蓄冷量过多导致冰柱之是出现搭接现象时会严重恶化冰槽取冷特性。外融冰的上述特性表明外融冰可以更大幅度地降低空调系统送风温度，增加送回风温差，为实现送风量的大幅度减少创造了条件，并有可能更大程度地减少风机、水泵、阀门、管路等的设备容量、部件尺寸，减少材料使用和设备功耗，从而可以使水路、风路的机电设备、材料的初投资和系统运行费用随之减少，更能达到整体上降低空调系统的费用、提高经济效益的目的。另一方面，外融冰由于需要严格*蓄冰量不得出现冰柱搭接，实际工程中对控制要求较高，为此需要预留较大的冰柱间距，在容量相同时蓄冰槽体积明显要比内融冰大一些。从系统特点来看，外融冰取冷过程属于开式系统，许多情况下需要用换热器进行中间转换才能将冷量输送到用户。外融冰需要设置独立于蓄冷过程的取冷系统，有时还需要进行二次换热才能输送到用户，从而增加了系统的复杂性。参考文献1张寅平，等。冰蓄冷研究的现状及展望，暖通空调，1997，27（6）：