基于ANSYS分析内融冰蓄冰槽的蓄冰模型

   

    1 前言

    蓄冰槽是蓄冷系统中十分重要的部件，具有多种形式，内融冰盘管式蓄冰槽是工程中应用较多的一种形式。本文通过对蓄冰槽传热性能的研究，建立了蓄冰槽的结冰过程的有限元模型，分析了不同的结构参数以及运行工况对蓄冰槽传热性能的影响，为蓄冷系统的优化计算提供了参考。

    2 有限元方法

    采用有限元分析软件 ANSYS 进行了计算，使用 PLANE55 单元，见图 1。PLANE55 可以作为平面单元或轴对称单元，用于 2 维热传导分析，本单元有 4 个节点，每个节点只有一个自由度 —温度。

    能量（温度）扩散矩阵的形状函数为

    3 模型的建立

    蓄冰槽的传热过程非常复杂，影响传热的因素很多，且各个因素相互耦合。蓄冰槽的蓄冰过程属于三维非稳态过程，而建立真正的三维非稳态模型是十分困难，本文所建立的模型均为二维平面模型，在模型建立过程中作如下假设【1】：

    a) 忽略乙二醇溶液流动方向的传热，认为传热仅发生在径向；

    b) 传热时，认为管外发生的是自然对流换热，忽略自然对流对冰层或水层形状的影响；

    c) 忽略结冰或融冰过程中冰与水的体积变化，但在计算换热时考虑不同状态时的密度、导热系数、黏度等物性参数的变化；

    d) 在融冰时，认为冰块固定不动，无上浮或偏斜情况的发生，整个过程是对称的；

    e) 冰水界面恒定为 0 度；

    f) 忽略蓄冰槽的热损失，及认为槽体绝热；

    g) 各项介质物性参数均匀分布。

    所建蓄冷槽几何模型为 240×240mm 的正方形,圆管直径为 20mm, 顺排圆管间距 a,b 分别为50mm,45mm,40mm,35mm；差排圆管间距 a,b 为 45mm。在用 ANSYS 分析时，物性参数的设置 0℃以上为水，0℃以下为冰。

    4 数值模拟

    计算温度场的分布可大致对模型的传热特性进行分析，选取同一管径，四种不同的管间距以及顺排和差排的圆管管束进行比较。相变材料为水，采用自动网格划分，划分精度为 3，计算过程为瞬态计算，计算时间 10000s,时间步 20s,最小时间步10s,最大时间步 25s;line search 选项为 on，初始温度为 5℃【2】。计算结果用等值云图来体现，温度的高低对应其下面的温度颜色对应条。非常直观，计算结论与实际温度场必然会有区别，但我们感兴趣的是在相同边界条件下，不同布管方式所体现出来传热特性，从而做出评价。

    4.1 边界温度相同而管间距不同时的温度分布

    管束顺排，圆管流动的为-5℃的乙二醇溶液，在忽略管轴向传热的前提下可直接设定圆管边界温度为-5℃。见图 6-图 9，由经过相同时间 10000s后的等值云图可得间距越小中心温度越低，四周温度越高，蓄冷槽温度梯度越高；间距为 35mm、40mm、45mm 时管间温度有低于 0℃区域，即存在冰桥搭接；管间距越小，冰桥搭接越早；根据假设搭接冰层无热传导，换热面积减少则导致传热特性的下降。比较可得管间距越大换热效果越好，蓄冷槽整个温度场分布越均匀。当时间充分、蓄冷槽体积一定、圆管直径和数量相同时，管间距越大蓄冰量就越大。