分离式螺旋热管蓄冰过程动态特性模拟

　　1 引言

　　蓄冷空调按蓄冷介质不同可分为水蓄冷、冰蓄冷、共晶盐蓄冷和气体水合物蓄冷四种方式。冰蓄冷是利用冰的潜热来进行冷量的储存,远比水的显热蓄冷效果好。存储同样多的冷量,冰蓄冷所需的介质体积比水蓄冷小得多,而且冰蓄冷空调系统的性能稳定。因此冰蓄冷已成为建筑蓄能空调的主要系统^[1]。管外蓄冰是蓄冷空调系统的一种蓄冰方式,利用热管进行管外蓄冰具有很大的优越性,这是由于热管能够等温高速转移热量,使热管的蓄冷速度均匀。蓄冷时既可省去低温载冷剂(如盐水或乙二醇溶液等)循环系统(低温载冷剂对管道有一定的腐蚀性),又可克服制冷剂直接蒸发系统管路长而引起的制冷剂压力降低及压缩机回油难等缺点。

　　螺旋热管与直管相比不仅具有较大的换热系数,而且其单位体积具有较大的换热面积。将螺旋热管应用于冰蓄冷空调的蒸发段,在圆柱型的蓄冷桶内装有两组螺旋热管,螺旋热管内充入了热管介质,热管介质从螺旋热管底部进入,在螺旋管内蒸发吸热,然后从螺旋热管上部流出,而热管外部的蓄冷材料因放热凝固而蓄冷。热管介质进入螺旋热管之前是液体,在螺旋管内因蒸发吸热而变成气液两相流动。由于热管介质在螺旋热管内进行的是气液相变换热,其换热系数和换热量远高于普通的冰盘管蓄冷系统。如图1所示为该系统的结构示意图。

　　目前国内外在蓄冷过程的理论研究方面,主要是根据能量平衡方程进行数值模拟^[2-3]。本文将对螺旋热管蓄冰过程的动态特性进行模拟,在蓄冰阶段利用热管内外换热量与管外冰层生长所需冷量相等的关系,建立起能量平衡方程。为了便于数值计算,将蓄冰过程离散化,用数值迭代的方法求出各个时期的冰层半径,从而得到蓄冷过程中该系统单位时间结冰厚度、冰层总厚度、蓄冰率、单位时间蓄冷量以及系统总蓄冷量的变化关系。

　　2 螺旋热管蓄冰过程理论模型

　　本节将建立螺旋热管蓄冰过程的数学模型,并将该模型进行离散化处理,采用数值迭代的方法求解该模型。为计算方便,作如下假定:

　　(1)螺旋热管管外壁面与水接触的温度为0°C;

　　(2)冰层在热管外生长均匀;

　　(3)结冰过程中冰的热物性参数不随时间变化;

　　(4)由于热管蓄冷系统保温良好,故忽略散热损失。

　　热管管外的冰层厚度是随时间而变化的,根据能量平衡关系,当蓄冷桶内水温达到0°C时,热管管外开始结冰,冰层生长所需要的冷量与热管的传热量应该相等,于是得到:

 （3）

　　式中ρ_ice为冰的密度,L为冰的凝固潜热,l为螺旋热管的长度,r_o、r_i分别为热管的管外、管内半径,rice为管外结冰厚度,λ_Cu、λ_ice分别为热管壁面及冰的导热系数, C₁、C₂分别为热管介质侧和水侧的污垢系数,Δt_m为热管传热对数平均值温差,Δt_max、Δt_min分别为螺旋热管进出口处蓄冷水与热管介质间温差的最大值和最小值,R_c、v分别为螺旋热管曲率半径和热管介质进口处流速,h_i、h₀分别为螺旋热管内热管介质与管内壁面的对流换热系数以及管外冰层与水的对流换热系数。其中h₀可以根据水到冰表面的表面传热系数确定为116W/(m².K)^[4]。