冰球式蓄冰罐管理論文

1、冰球式蓄冰罐管理論文提要給出了冰球式蓄冰罐蓄冷和取冷過程的數(shù)學(xué)模型。該模型考慮了載冷劑與冰球間的相互作用、冰球的相變換熱特性以及蓄冰罐的熱損失。編制了求解程序STAIT，利用該程序計算了8個不同的蓄冷和取冷工況。對比結(jié)果表 明，利用STAIT模擬的結(jié)果與實測結(jié)果非常接近。 關(guān)鍵詞冰球冰蓄冷數(shù)學(xué)模型模擬 AbstractPresentsamathematicalmodeldescribingthefreezingandmeltingprocessesoftheice-storagecontainerwithencapsulatediceinsphericalcapsulesandconsider

2、ingtheinteractionbetweenglycolandthecapsules,theheatexchangeperformanceofthecapsulesandtheheatlossoftheice-storagecontainer.WithacomputerprogrammecalledSTAITdevelopedtosolvethemodel,simulatesseveralcasesincludingfreezingandmeltingprocesses,andcomparespredictedresultsandexperimentalonesandshowsagoodf

3、itofthem. Keywordsencapsulatedicestoragesphericalcapsulemathematicalmodelsimulation 1引言 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)是在空調(diào)負(fù)荷很低時制冷儲存，而在新空調(diào)負(fù)荷高峰時化冰取冷，因而可以全部或部分轉(zhuǎn)移制冷設(shè)備的運行時間，從而縮小供電網(wǎng)絡(luò)的峰從電力負(fù)荷差。因此，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在美國、日本、澳大利亞等國家發(fā)展非常迅速，已廣泛使用十幾年之久。 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)由蓄冰設(shè)備和空調(diào)系統(tǒng)組成。根據(jù)ARI蓄冷設(shè)備熱性能指南，蓄冰設(shè)備可分為冰盤管、冰球、冰片滑落、冰晶等幾種形式1。其中應(yīng)用最廣泛的是冰盤管和冰球2。 近年來許多學(xué)者對冰盤管式蓄冰

4、設(shè)備進(jìn)行了研究3，生產(chǎn)廠家也開發(fā)出許多系列的冰盤管產(chǎn)品。但由于冰盤管管道較細(xì)，流動阻力較大，技術(shù)要求較高，目前國內(nèi)還沒有一家生產(chǎn)冰盤管的廠家。而冰球式蓄冰設(shè)備由于結(jié)構(gòu)簡單，已成為蓄冰系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向2。 由于密封球體內(nèi)的結(jié)冰和融冰過程是一個伴隨著相變的導(dǎo)熱與自然對流換熱的復(fù)雜過程，掠過冰球的載冷劑的流動和換熱過程也很復(fù)雜，因此目前很難看到有關(guān)冰球蓄冷和取冷方面的文章和廠家資料。國內(nèi)較早研究冰球特性的是清華大學(xué)的趙慶珠教授，她在1994年發(fā)表兩篇關(guān)于單個冰球蓄冰和融冰過程的文章4，5。而實際的冰球蓄冰設(shè)備是將許多冰球堆集在一個圓形斷面蓄冰罐中，因此了解蓄冰罐的蓄冰和融冰特性對冰球式蓄冰罐的

5、生產(chǎn)、設(shè)計和使用具有重要的意義。 2數(shù)學(xué)模型的建立和求解 載冷劑在冰球式蓄冰罐中的流動是一個很復(fù)雜的過程，涉及載冷劑掠過冰球的換熱以及冰球內(nèi)的要變換熱過程。對此作如下簡化：冰球在罐內(nèi)均勻分布，載冷劑和冰球中介質(zhì)的熱工參數(shù)只沿流程發(fā)生變化；冰球的傳熱性能只與冰球中的冰量有多少有關(guān)4，5。根據(jù)這兩個簡化條件即可得到冰球式蓄冰罐的數(shù)學(xué)模型。 21數(shù)學(xué)模型 將冰罐中的冰球沿載冷劑流程分成若干排，每排中的冰球個數(shù)為N，每個冰球的表面積為A，每排冰球占據(jù)的長度為E，冰罐中載冷劑的有效流通面積為F。在每一排中，載冷劑的溫度相同，冰球的溫度相同。載冷劑側(cè)的能量方程為 （1） （2） （3） （4） 式（1）（

6、4）中，Tf為載冷劑溫度，為時間，uf為載冷劑流速，af為載冷劑的導(dǎo)溫系數(shù)，qht為單位體積載冷劑與冰球間的換熱量，qfls為單位體積載冷劑通過罐壁的熱損失，f，cf分別為載冷劑的密度和比熱容，Kc為冰球的溫度，D為冰罐直徑，Tamb為周圍環(huán)境溫度，Rw為冰罐壁熱阻，aw為載冷劑與冰球外表面的換熱系數(shù)，an為冰球中的介質(zhì)與冰球內(nèi)表面的換熱系數(shù)，R0為冰球殼熱阻。 其中aw由下式確定6： （5） （6） 式（5）（6）中，dp為冰球直徑，f為載冷劑的導(dǎo)熱系數(shù)，Pr為載冷劑的普朗特數(shù)，Rep為載冷劑的雷諾數(shù)，v0為罐體中載冷劑的表現(xiàn)速度，f為載冷劑的運動粘度。an由文獻(xiàn)7回歸得到。冰球側(cè)的能量方程

7、為 （7） 冰球中無冰時：（8） 冰球中冰水共存時：（9） 冰球中全冰時：（10） 初如條件：Tb=T0，Tf=T0，=0(11) 邊界條件：Tf|x=0=Tfin(12) 式（7）（12）中，Qht為單位冰球與載冷劑間的傳熱量，m為單個冰球中介質(zhì)的質(zhì)量，cw為水的比熱容，為冰球中的結(jié)冰率，qlt為冰的常融解潛熱，ci為冰的比熱容，T0為初初始溫度，0為初始結(jié)冰率，Tfin為冰罐中載冷劑的入口溫度。 22方程的離散和求解 采用隱式格式對上述方程進(jìn)行離散，用追趕法求解離散后的方程組。具體計算過程如圖1所示。 圖框圖STAIT程序的計算 根據(jù)圖1所示的計算框圖，筆者編制了計算冰球式蓄冰罐的計算程序

8、STAIT(SoftwareofTime-dependentAnalysisforIceTube). 3模型驗證 為了驗證上述模型是否合理，筆者利用STAIT計算了若干個工況，并與深圳中電大廈門冰蓄冷系統(tǒng)的實測結(jié)果進(jìn)行了比 較。 31深圳中電大廈冰蓄冷系統(tǒng)的簡介 深圳中電大廈是我國第一家正式運行的冰蓄冷系統(tǒng)，其蓄冰系統(tǒng)部分如圖2所示。 圖2深圳中電大廈蓄冰系統(tǒng)示意圖 1995年6月，清華大學(xué)熱能空調(diào)教研室趙慶珠教授應(yīng)邀對該系統(tǒng)進(jìn)行了實測。此次測試包括單罐的蓄冷取冷過程、雙罐串聯(lián)和并聯(lián)的蓄冷取冷過程。本文中的實測結(jié)果摘自此次實驗的測試報告8。 32模擬結(jié)果與實測結(jié)果的比較 利用STAIT程序，筆

9、者計算了表1所示的8個測試工況下的蓄冷和取冷過程。圖3至圖10分別給出了這8個工況的計算結(jié)果與實測結(jié)果的比較。 表1STAIT計算工況工況編號狀態(tài)開始時間結(jié)束時間流量/m3/h 1單罐蓄冷13日20：2114日7：52361.9 2雙罐蓄冷13日20：2114日7：53315.8 3單罐蓄冷14日18：3215日7：53360 4雙罐蓄冷14日18：3215日7：53314 5單罐蓄冷15日20：2316日7：53360 6雙罐蓄冷15日20：2316日7：53314 7單罐蓄冷15日10：3315日14：18191.6 8雙罐蓄冷15日16：3315日20：20179.4 圖3工況1冰罐入口

10、溫度和出口溫度隨時間的變化 圖4工況2冰罐入口溫度和出口溫度隨時間的變化 圖5工況3冰罐入口溫度和出口溫度隨時間的變化 圖6工況4冰罐入口溫度和出口溫度隨時間的變化 圖7工況5冰罐入口溫度和出口溫度隨時間的變化 圖8工況6冰罐入口溫度和出口溫度隨時間的變化 從圖3至圖8可以看出，蓄冷開始時，載冷劑的溫度下降較快，當(dāng)降至-4-6后，載冷劑的溫度幾乎不再下降。這說明冰球結(jié)冰前水溫下降較快，而一旦開始結(jié)冰后，冰球與載冷劑間的換熱是非常穩(wěn)定的。不論是實測還是計算結(jié)果，都反映了這一規(guī)律。從圖中還可以看出，不論是單罐蓄冷還是雙罐串聯(lián)蓄冷，計算結(jié)果與實測結(jié)果均吻合較好。 圖9工況7冰罐入口溫度和出口溫度隨時

11、間的變化 圖10工況8冰罐入口溫度和出口溫度隨時間的變化 從圖9和圖10可以看出，取冷開始的一段時間內(nèi)，出口水溫上升較慢。經(jīng)過一定時間后，出口水溫上升較快，逐漸接近入口水溫。計算和實測結(jié)果均反映了這一趨勢。從圖中還可以看出，除取冰開始的段時間里計算和實測有些差別外，二者相互吻合很好。造成上述差別的原因主要在于實際開始取冷時冰罐中的結(jié)冰率沿程并不均勻，而模擬計算時卻采用了相同的結(jié)冰率。 從上述分析可以看出，本文給出的數(shù)學(xué)模型定性上與實測結(jié)果完全一致，定量上與實測結(jié)果基本一致，表明本文提出的冰罐模型是合理的。 4結(jié)論 本文針對冰球式蓄冰罐的換熱特點，提出了以單個冰球換熱特性為基礎(chǔ)的冰罐的數(shù)學(xué)模型。

12、該模型考慮了載冷劑的掠過冰球的換熱、冰球內(nèi)相變換熱、冰罐的漏熱等因素。并編制了求解冰球式蓄冰罐的換熱特性的程序STAIT。利用STAIT程序，計算了8個不同的蓄冷和取冷工況，并將計算結(jié)果與深圳中電大廈冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的實測結(jié)果進(jìn)行了對比。結(jié)果表明：本文提出的冰球式蓄冰罐的數(shù)學(xué)模型較好地反映了蓄冰罐的特點，計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合很好，可用于研究冰球式蓄冰罐的熱工特性。 5參考文獻(xiàn) 1AIR.蓄冷設(shè)備熱性能指南，1994。 2李華堅，陳建平，空調(diào)系統(tǒng)的蓄冷調(diào)荷技術(shù)，暖通空調(diào)，1992（5） 3TBJekel,JWMitchellandSAKlein.ModelingofIce-StorageTanks.ASHRAETrans.1993:1016-1024 4趙慶副教授，蔣久軼，冰球蓄