冰盘管凝固过程传热特性的理论研究

    0 前言

    20 世纪 70 年代以来，世界范围内的能源危机促使蓄冷技术迅速发展．由于美国、加拿大和欧洲一些发达国家的各个电力公司和国家能源部门积极引入和开发冰蓄冷技术，到 90 年代这些国家的蓄冷技术已日趋成熟，基本上形成了蓄冷技术市场．近年来，虽然我国电力工业发展较快，但在一些经济发达地区仍很紧张，成为制约经济发展的瓶颈．由于电网负荷低，供电系统的峰谷差大，造成用电高峰时供电紧缺．同时，城市生活、商业用电的快速增长，特别是夏季用电负荷的骤增，使得城市电网已远不能适应．因此，“节约高峰用电”已成为政府和电力管理部门致力于缓解电力紧缺的重要和长远措施之一，并通过制定用电优惠政策等经济手段以推进电力“削峰填谷”的实现．

    蓄冷空调系统，作为一项重要的蓄能技术，因其可以大大的缓解由于空调用电负荷在用电峰谷时段的不均衡而造成电网峰谷差的加大，具有很强的“削峰填谷”潜力．它的应用不但可以转移电力高峰期用电量，平衡电网的峰谷差，提高发电机组效率，而且可以减少新建电厂、蓄能电站的投资、减少环境污染、有利于生态平衡，从而得到政府有关部门和各级电力系统的大力推广和发展．

    所谓蓄冷空调系统是由蓄冰设备与空调系统组成．蓄冰设备可分为冰盘管、冰球、冰片滑落和冰晶等几种形式，其中盘管式蓄冰设备是最普遍应用的蓄冰方式之一．其原理是由沉浸在充满水的贮槽中的金属或塑料盘管作为蓄冷介质和载冷剂的换热表面．在蓄冷装置充冷时，载冷剂（如 25%的乙二醇溶液）在盘管内循环，吸收贮槽中水的热量，直至盘管外形成冰层[1]．

    高质量的蓄冷空调系统的设计和运行均需要对蓄冷槽的蓄冷、取冷的传热有透彻的了解，才能确定优化设计和运行控制方案，避免蓄冷过多造成不必要的高能耗或用冷不合理造成高峰期间放冷能力不足等缺陷．针对这种情况本文研究分析了盘管在蓄冷过程中的传热特性，建立了相应的数学模型并用摄动方法对其进行了近似分析求解，得到蓄冷过程中冰层内的温度分布和冰层厚度随时间变化的计算公式，方程简单直观，可为冰蓄冷空调系统的设计提供理论依据．

    1 传热方程的建立与求解

    如图 1 所示为蓄冷过程某时刻盘管截面的物理模型，蓄冷时，25%的乙二醇溶液在盘管内流过，与盘管外的冰或水进行热交换．

    为使模型简化，又使其能准确地反映蓄冰过程的传热性能，本文作如下假设：

    1）由于盘管的长度远大于管径，轴向导热远小于径向，可以将轴向导热忽略，这样可简化为柱坐标系中的一维问题；