1、摘要：通過不完全凍結(jié)式冰盤管融冰過程的實驗研究，分析了水平排列管束外環(huán)水溫度的變化特性，得出了融冰后期環(huán)水升溫的過程存在一個升溫平臺的結(jié)論，進而研究了不同初始蓄冰量等因素對環(huán)水溫度變化特性的影響。關鍵詞：冰蓄冷；不完全凍結(jié)；融冰過程 Temperature variation in surrounding water during discharge for apartially charged iceoncoil thermal storage tank LI Haijun, CHEN Guobang, WU Guangqing (Institute of Refrigeration and

2、 Cryogenic Engineering, Zhejiang University , Ha ngzhou 310027, China) Abstract: The experimental investigations for the partial charged method of internal melt iceoncoil during a discharging cycle were carried out. Characteri stics of water temperature variation around the tubes aligned horizontall

3、y in the tank were analyzed. The experimental results show that the increasing process of water temperature in surroundings will stagnate by the end of a discharging cycle. Then this paper makes a further research of the effects of initial ice storage capacity and other factors on the characteristic

4、s of water temperature variation in surroundings. Keywords: ice storage tank; partial charging; discharging cycle 0引言 冰蓄冷空調(diào)技術，是在電力負荷較低的夜間用電低谷期采用制冷機制冷，利用冰的潛熱特性，將冷量儲存起來，在電力負荷較高的白天用電高峰期，把冰中儲存的冷量釋放出來滿足建筑物空調(diào)或生產(chǎn)工藝的要求，從而達到轉(zhuǎn)移尖峰電力負荷、節(jié)省電費和降低設備容量等目的 。在當前使用的多種蓄冰系統(tǒng)中，內(nèi)融冰盤管式蓄冰槽具有可靠性好、制冰率(Ice Packing Factor，簡稱IPF)高

5、、融冰速率快等優(yōu)點，因此得到了廣泛的應用。內(nèi)融式冰盤管在制冰和融冰過程中，蓄冰槽內(nèi)部的水靜止不動，只借助于盤管內(nèi)的載冷劑的溫度變化來實現(xiàn)制冰和融冰，與蓄冰結(jié)束時蓄冰槽內(nèi)需保持50以上冷水預備抽水融冰的外融冰盤管式冰蓄冷系統(tǒng)相比1，內(nèi)融冰盤管式冰蓄冷系統(tǒng)在蓄冰時蓄冰槽內(nèi)不需預留用以抽水融冰的冷水，從而系統(tǒng)具有較高的制冰率，可以達到70%以上1，因此這種內(nèi)融式冰盤管有時候也被稱為完全 凍結(jié)式冰盤管。但是，在完全凍結(jié)式冰盤管的融冰過程中，融冰主要靠緊貼盤管外壁面已融 化的水與未融化的冰之間的自然對流和已融化的水的導熱來進行換熱（如圖1a所示）。隨著融冰過程的進行，盤管外表面與冰之間的水層逐漸變厚，使

6、得換熱熱阻逐漸增大（主要是水的導熱熱阻增大），使得盤管出口溫度逐漸升高，而融冰速率逐漸變小。尤其是在融冰過程后期，蓄冰槽內(nèi)的余冰難以融化，冷量難以完全釋放，文獻2、3中的實驗結(jié)果均說明了這一點。為了克服完全凍結(jié)式冰盤管這一缺點，文獻4提出不完全凍結(jié)式冰盤管這一概念，它是指在蓄冰結(jié)束后，在蓄冰槽內(nèi)水平排列的管束周圍還存在少量液態(tài)水（以下簡稱環(huán)水，如圖1b所示），融冰時在這部分環(huán)水的浮力作用下，冰層與盤管的底部能保持良好接觸，從而改善載冷劑與冰水之間的傳熱性能，保證穩(wěn)定的融冰速率和較低的載冷劑出口溫度。由于蓄冰結(jié)束時須保留少量液態(tài)水，該系統(tǒng)的制冰率較完全凍結(jié)式低，但具有融冰速度快、出口溫度低等優(yōu)點

7、。從圖1b中可以看出，在不完全凍結(jié)式融冰過程中，冰層外表面與靜態(tài)環(huán)水之間的換熱方式主 要是自然對流。由于融冰過程中盤管緊貼著冰層底部，冰層比完全凍結(jié)式融破得早（過程3），而冰層破碎后形成的碎冰上浮促進了蓄冰槽內(nèi)環(huán)水的自然對流換熱（過程4），進而對蓄冰槽的整體傳熱性能產(chǎn)生一定的影響。研究管束外環(huán)水溫度的變化特性有助于深入理解不完全凍結(jié)式冰盤管的融冰特性。因此，本文實驗研究了不完全凍結(jié)式冰盤管融冰過程中環(huán)水溫度的變化特性，并在此基礎上討論了初始蓄冰量等因素對環(huán)水溫度變化特性的影響。 1實驗設備簡介本文為驗證模型而搭建的實驗臺主要由制冷主機和蓄冰設備兩部分構成，圖2a為系統(tǒng)流程簡圖。制冷主機為雙工況

8、風冷機組，名義制冷量17.6kW。在外形尺寸3.1m×0.7m×1.6m、內(nèi)部尺寸為2.8m×0.45m×1.3m的蓄冰槽內(nèi)，置有4根水平排列、長度均為85m的蛇形盤管，相鄰盤管的水平間距為40mm，垂直間距為80mm，盤管外徑為20mm，壁厚2mm。溫度傳感器T1、T2分別用以測量蓄冰槽進出口的載冷劑（容積濃度為25的乙二醇水溶液）溫度，壓力傳感器P3測 量蓄冰槽內(nèi)水的液位，從而算出蓄冰量和融冰量。蓄冰槽的標準蓄冰量為18RTh（即63.3kWh），系統(tǒng)用電加熱器來模擬冷負荷，最大功率為10kW。其中，蓄冰槽內(nèi)的叉排管束采用新型的導熱塑料盤管，具有良好

9、的防腐蝕性能，整個盤管水平布置，在結(jié)構上保證融冰過程中冰層可以上浮并與盤管保持良好接觸。如圖2b所示，為了測量蓄冰槽內(nèi)叉排管束的環(huán)水溫度，3個陶瓷型工業(yè)鉑電阻溫度計（規(guī)格為Pt100，1.6mm×15mm，測量精度0.3K）分別安裝在距槽壁15mm左右的上部（A）、中部（B）、下部（C）三個測點。在融冰實驗中，當環(huán)水溫度到達4左右時，可以認為融冰過程結(jié)束。 2實驗結(jié)果及分析2.1兩種典型初始蓄冰量條件下環(huán)水溫度的變化特性 不完全凍結(jié)方式融冰要求在蓄冰結(jié)束時必須保留適量冷水，以保證冰層在整個釋冷過程中與盤管保持接觸，這部分剩余水的溫度在0附近。當融冰開始后，冰層中臨近盤管的部分在高溫載

10、冷劑的作用下開始融化成水，若是蓄冰結(jié)束時相鄰盤管外的冰層并未相交，則在融冰 過程中各冰層互不影響，可以自由上?。蝗羰切畋Y(jié)束時冰層相交，則各冰層相互影響，傳熱情況變得復雜。因此研究初始蓄冰量對環(huán)水溫度變化特性的影響具有重要意義。在本文的 實驗裝置中，當蓄冰量達到18RTh（即63.3kWh）時，相鄰盤管間的冰層恰好相切，如圖3a所示，此時制冰率IPF58，即蓄冰槽內(nèi)已有58的水結(jié)冰；若繼續(xù)蓄冰，當蓄冰量達到26RTh（即91.4kWh）時，IPF83，此時冰層已經(jīng)相交，如圖3b所示，這兩種情況下的融冰都 是以不完全凍結(jié)方式完成的。 圖4a和圖4b分別是初始蓄冰量為18RTh和26RTh時，在載

11、冷劑進口溫度為8、載冷劑流速為2.36m3/h條件下的環(huán)水溫度隨釋冷率的變化曲線。從圖中可以看出，環(huán)水溫度變化過程大致可以分為三個階段：從融冰剛開始至釋冷率達到70%左右時，A、B、C三個測點的環(huán)水溫度基本保持在0.60.9不變，這是第一階段，在這一階段冰層阻擋了環(huán)水與盤管的直接接觸，槽體漏熱的影響又很小，從而使得環(huán)水溫度得以保持較長時間穩(wěn)定。第二階段開始于環(huán)水溫度逐 步升高，至2左右保持一段時間的平穩(wěn)（即釋冷率至97左右）。在這一階段部分緊貼盤管的較薄冰層的底部首先被融穿乃至發(fā)生破裂，形狀不一的碎冰開始上浮，對管束外的環(huán)水造成了擾動，環(huán)水的自然對流得到強化，蓄冰槽傳熱性能得到短暫提高，環(huán)水溫

12、度緩慢 升高。隨著融冰過程的進行，破碎的冰層越來越多，當大部分冰層都已破碎時，蓄冰槽內(nèi)進入一個冰水混合物狀態(tài)，環(huán)水自然對流的換熱效率趨于穩(wěn)定，使環(huán)水溫度保持一段時間的平穩(wěn)。當環(huán)水溫度再度迅速升高時，就進入第三階段，此時蓄冰槽內(nèi)的碎冰已基本融完，蓄冰槽傳熱性能急劇下降，在高溫載冷劑作用下，環(huán)水溫度迅速升高。從圖4a與圖4b中還可以看出，在融冰末期環(huán)水下部C點出現(xiàn)的升溫平臺并不明顯，B點出現(xiàn)的升溫平臺比A點早，而且升溫平臺低于A點0.7左右，其原因可能是在冰和水密度差的作用下碎冰上浮，從而使得槽內(nèi)自下而上浮冰所起的作用由弱到強。另外，對于較大的初始蓄冰量（圖4b），由于產(chǎn)生的碎冰較多，其升溫平臺持

13、續(xù)的時間較長，也比較明顯。 3.2 載冷劑進口溫度和流量對環(huán)水溫度變化特性的影響 從上面的分析中可以看出，在融冰末期冰層破碎后形成的碎冰上浮，促進了環(huán)水的自然對流換熱，并使環(huán)水升溫過程陷入一段時間的停滯，而冰層破碎時間和破碎程度又與載冷劑的進口溫度和流量有關，因此很有必要研究載冷劑進口溫度和流量對融冰末期環(huán)水溫度變化的影響。圖5是初始蓄冰量26RTh、載冷劑流量236m3/h條件下載冷劑進口溫度分別為8和10時 A點溫度變化的實驗結(jié)果。從圖中可以 看出當進口溫度較高時，融冰末期環(huán)水的升溫平臺變得很不明顯，只是升溫趨勢變緩了一點。其原因可能是較高的載冷劑溫度使冰層迅速融破，冰層破碎程度沒有載冷劑

14、溫度較低時細致，沒有形成一個均勻的冰水混合物狀態(tài)，從而使環(huán)水沒 有出現(xiàn)一個明顯的升溫平臺。圖6是初始蓄冰量18RTh、載冷劑進口溫度8條件下載冷劑流量分別為2.36m3/h和1.65m3/h時B點溫度變化的實驗結(jié)果。從圖中可以看出，較小流量時B點的升溫平臺持續(xù)的時間較長，升溫平臺的溫度略低，但總的來說這種影響并不是很大，這可能與載冷劑流量對蓄冰槽傳熱性能影響不大有關5。當然，僅靠兩組實驗數(shù)據(jù)的對比分析是不夠的，這有待于今后工作的進一步深入研究。 3結(jié)論（1）在不完全凍結(jié)式冰盤管融冰末期，當冰層開始破碎并上浮后，管束外環(huán)水的自然對流得到強化，蓄冰槽的傳熱性能得到短暫提高。（2）當蓄冰槽進入一個冰

15、水混合物狀態(tài)時，上部和中部環(huán)水溫度會出現(xiàn)一個有利于融冰過程的1.32.5升溫平臺，其持續(xù)的時間受到初始蓄冰量、載冷劑進口溫度和流量等因素的影響。（3）實驗表明，較大的初始蓄冰量，較低的進口溫度和較小的載冷劑流量都會使升溫平臺持續(xù)較長的時間，這可為冰蓄冷系統(tǒng)的優(yōu)化與運行控制提供參考。 參考文獻 1方貴銀. 蓄冷空調(diào)工程實用新技術M.北京：人民郵電出版社，2000. 2 Nelson D J，B Vick，X Yu. Validation of the algorithm for iceonp ipe brine thermal storage systemsJ. ASHRAE Transactions，1996，102(1):5 5-62. 3 Neto J H M