外融冰系统取冷特性的研究

　　0引言

　　冰蓄冷系统可对电网起到移峰填谷的作用，因此得到我国电力部门的极大关注，各地电力部门逐步出台优惠政策支持其发展，冰蓄冷技术的应用处于飞速发展的阶段。而外融冰系统因其可长期稳定取出低温水，实现大温差供水，可与低温送风相结合，越来越多地引起工程应用者的注意。但由于外融冰系统取冷过程为相变换热和对流换热的耦合，热交换机理比较复杂而至今没有数值求解。仅有的几个数学模型均采用了集总参数法，并假设融冰随时间均匀变化，对冰槽进行物理数学描述最终求得近似解[1~6]。因此，为寻找可指导工程应用的资料，研究学者多采用工程测试或实验的方式得出外融冰的取冷特性[7~9]。

　　为得到与工程实践更接近的取冷特性，本课题在ASHRAE-RP-459[2]外融冰取冷模型基础上提出一个简化模型。在此方程指导下搭建了水平流场外融冰取冷实验台，验证了此方程并提出了冰槽内冰柱随融冰时间的变化呈线性变化的规律。

　　1数学模型介绍

　　1.1ASHRAE-RP-459融冰模型

　　ASHRAE-RP-459外融冰取冷模型把冰槽内的水体作为控制体(图1)，采用准稳态能量守衡法建立数学模型。假设槽内温度分布均匀一致，融冰量随取冷时间变化均匀，由槽内能量守恒可知：

　　式中：Qcwh为冷冻回水温差所带入到槽内的能量;Qenv为外环境传递给槽的能量;Qagit为空气搅拌设备带给冰槽的总能量;为时间步长内冰槽内内能变化;Qice为水体传给冰体的能量。

　　1.2简化模型介绍

　　将式(1)简化，根据对某实际工程数据分析，忽略搅拌换热以及冰槽的热损失，改变Qice的物理含义，同样以冰槽水体作为控制体。建立能量守恒方程为：

　　式中：Qice为冰量变化而引起的槽内能量变化，，r为冰的融化潜热;为某时刻冰槽内能变化，。

　　该槽内能量平衡即某时刻空调冷冻水循环带入槽内的能量、融冰消耗潜能与环境热损失之和与该时刻槽内水体内能变化相等(原有水体温度变化的显热以及融化的冰变为水提高到冰槽内温度的显热之和)。

　　根据模型RP-459及简化模型，方程最后可化为：

　　式中：m为冰槽进口水流量，m³/h;Tr为冰槽进口水温度，℃;Twtr为冰槽出口水温度，℃;Mwtr为水体质量，kg;Mice为冰质量，kg。

　　1.3模型求解

　　本数学模型在集总参数的原理上建立，虽然求解未知量与时间有关，但在计算时间步长内假设为稳态过程，此问题转化为简单的准稳态一阶常微分方程。采用数值方法求解，求解水体温度Twtr随取冷时间t的变化趋势。