内融冰式蓄冰管融冰性能的数值模拟

　　冰蓄冷空调能够起到缩小峰谷负荷差、提高用电负荷率的作用。而蓄冰槽是整个冰蓄冷系统中的核心部件，其性能的好坏对冰蓄冷空调系统的正常运行至关重要。因此，对蓄冰槽的性能进行分析在冰蓄冷技术应用与推广中非常关键，国内外的一些学者在这方面已经展开了相关的研究工作^{[1 -5]}。本文即对内融冰式蓄冰管的融冰性能进行了理论研究。

　　1 融冰物理模型的建立

　　为了便于计算分析，不考虑融化水自然对流时的融冰物理模型是在直角坐标系下建立的，如图1所示; 考虑融化水自然对流时的融冰物理模型是在极坐标系下建立的，如图2所示。

　　2 融冰数学模型与求解

　　根据图1与图2所示的融冰物理模型，可得出相应求解域的连续性方程、动量方程和能量方程，应用焓法将控制方程转化如下的表达式^[6,7]。

　　不考虑自然对流时:

　　考虑自然对流时:

　　区域离散采用内节点法，控制微分方程的离散采用控制容积法，对流场的求解采用SIMPLEC算法，对于速度项使用亚松驰，用有限差分法编制FORTRAN程序进行数值求解^[8]。

　　3 融冰模拟结果与分析

　　3. 1 不考虑自然对流时的融冰模拟结果与分析

　　图3与图4是分别表示蓄冰管的出口温度和换热量在融冰过程中随时间的变化情况。由图可见，在融冰过程的初始阶段，出口温度较小，换热量较大，随后出口温度逐渐增大，而换热量逐渐减小，均渐渐达到一个相对稳定的值。而且两者均在融冰起始阶段变化很快，随后其变化逐渐减小。这主要是由于融冰开始阶段冰层尚未融化，热阻较小，换热较容易，可是随着融化水的产生，热阻明显增加，换热变得越来越困难，变化趋势减缓。

　　图5示意出在融冰过程中4个不同的时间，入口处径向温度的变化。随着融冰的进行，蓄冰槽内的温度逐渐升高，远处冰层的温度渐渐的接近融化温度0℃。

　　图6表示融冰厚度在融冰过程中沿轴向的分布。因流体与管外的冰层换热使得流体的温度沿流动方向逐渐降低，即流体与冰层的换热温差逐渐减少，所以管外的融冰厚度也逐渐减小。因此，流体进口端融冰较快，在同一时刻，其融冰厚度最大，随着轴向距离的增加，融冰的厚度逐渐减小，其轴向分布近成线性。同时由图可见，在融冰初期，由于换热热阻小，融冰速率大，而随着水层的产生和加厚，换热热阻逐渐变大，融冰速率随之降低。

　　3. 2 考虑自然对流时的融冰模拟结果与分析