分离式螺旋热管管外融冰放冷特性分析

　　1 引言

　　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。

　　目前国内外对常规的盘管外融冰放冷过程进行了一些研究,但对热管外的融冰放冷过程研究还未见报道。AlexH.W. Lee等^[1]采用分析模型模拟了管外蓄冰系统的蓄冷和放冷过程,其蓄、放冷量与实验值相比误差在5%-12%范围内。王宝龙等^[2]研究了放冷过程中冰槽内温度分布的变化,分析了各种因素对放冷特性的影响。魏玲等^[3]分析了盘管外融冰过程,研究结果表明循环水层对融冰时间有较大的影响。朱煜等^[4]通过对原有的不完全冻结式内融冰蓄冰槽进行了外融冰改造,在不同水流量和不同鼓气量下进行了一系列外融冰放冷实验,实验结果表明:随着蓄冷量的增加,水流量对外融冰放冷性能的影响逐渐加大;鼓气扰动对外融冰放冷特性起着关键作用,随着蓄冷量的增加,效果尤为显著。

　　通过对已有相关文献的分析,盘管外融冰放冷特性主要受循环水流量、进口水温、蓄冷量等参数的影响。本文将对分离式螺旋热管外的融冰放冷特性进行研究,分析循环水量和进口水温对蓄冷桶融冰量和放冷量的影响。

　　2 分离式螺旋热管融冰放冷特性模型

　　在完成蓄冰过程的蓄冷桶内,热管管外结有一定厚度的冰,在其周围充满了温度高于结冰点的水。蓄冷桶内的低温水通过循环泵输送到用户末端装置,释放出冷量后循环水温度升高再返回到蓄冷桶。热管管外的冰是从外表面开始向内逐渐融化,属于外融冰方式。外融冰的液相区有较明显的流动,固-液相界面的形状和位置受固相区导热和液相区对流的影响。本文采用数值模拟的方法对螺旋热管外的融冰过程进行分析。蓄冷桶内的冷量变化包括冰融化过程中的潜热与水的显热变化的总和,桶内温度假定均匀。