盘管式蓄冰槽盘管排列方式的传热特性

方沛明，宛 超，辛天龙

（1.广东力优环境系统股份有限公司，广东 东莞 523917；2.中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙 410083）

1 引言

随着经济的发展、城市规模的扩大和用电结构的改变，城市以及地区电网昼夜电力负荷差值越来越大，高峰负荷呈现了明显的快速增长趋势。蓄冷技术就是在此背景下获得了较大的发展[1～6]。蓄冷槽作为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。蓄冰槽的性能好坏直接关系到整个冰蓄冷系统的性能，蓄冰槽传热模型的建立是蓄冰槽传热性能研究的基础，因此作者对蓄冰槽的传热过程进行了模拟分析研究，以期有助于指导蓄冰槽的设计和运行控制的优化。

2 模型建立

对蓄冰槽的换热进行理论研究，运用数值方法建立蓄冰槽的静态和动态数学模型，研究蓄冷介质的物性及流动条件、蓄冰槽的几何尺寸对蓄冷释冷过程的影响，掌握固-液界面的变化规律，对于系统运行性能的预测、控制方式的确定以及整个系统的优化有着十分重要的意义[7,8]。

蓄冰槽的蓄冰、融冰过程属于三维非稳态过程，建立真正的三维非稳态模型是十分困难的。建立的模型一般为单管模型或双管模型，单管模型中假定每根盘管处于无限大空间，忽略相邻盘管对换热的影响；双管模型比单管模型准确一些，考虑了2根盘管的相互影响，在约束蓄冷阶段考虑了冰层搭接对换热的影响，在融冰阶段考虑了水层搭接后对换热的影响。而实际上，蓄冰槽中换热盘管通常是叉排或顺排的情况，单管或双管模型均没有充分考虑到相邻盘管对换热的影响。九管模型既能简单而准确地反映蓄冰槽的换热实质，又能为蓄冰槽的设计提供依据，所以作者建立模型时将盘管简化为长直管，在模型中以顺排的盘管束为基础，建立了九管模型，如图1所示。

图1 蓄冰槽及U形盘管结构布置示意图

从分析可以看出，由于蓄冰槽中的传热过程非常复杂，在模型建立过程中必须作相应的假设。这些假设如下：

1）在计算每一微元段的换热时，把时间间隔取得较小，可以认为此时的换热是准稳态过程；2）忽略乙二醇溶液流动方向的传热，认为传热仅发生在径向；3）在计算传热时，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；4）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；5）冰水界面恒定为0℃；6）忽略蓄冰槽的热损失，即认为槽体绝热；7）在介质各相中，物性参数均匀分布。

在建立的模型上采用ANSYS软件计算温度场的分布，可大致对模型的传热特性进行分析，选取同一管径，对4种不同的管间距以及顺排和叉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l0 000 s，时间步30 s，最小时间步30 s，最大时间步100 s；line search选项为On，初始温度为5℃。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，但作者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，从而作出评价。

所建蓄冰槽几何模型为170 mm×170 mm的正方形，圆管直径为R，顺排管间距为a，叉排管间距为b，a、b都有4种取值，分别为30 mm，35 mm，40 mm，45 mm。在用ANSYS模拟分析时，物性参数的设置0℃以上为水，0℃及0℃以下为冰。其物性参数设置如表1所列。

表1 物性参数表

3 蓄冰槽的性能模拟研究

蓄冰槽的性能比较复杂，影响因素较多，包括蓄冷介质的初始温度、载冷剂的温度、管径大小、管间距大小等，而这些影响因素之间往往又是相互耦合的。为了使研究更加简单，在研究过程中，每次模拟采用固定其他变量，仅针对一个变量进行研究。作者研究的重点是蓄冰槽的温度场。

图2 a=30 mm的等值云图

图3 a=35 mm的等值云图

3.1 顺排时不同管间距时的温度场比较

U形管管束顺排，管内流动的为-5℃的乙二醇溶液，流速5 kg/s，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℃，U形管直径为10 mm，U形管管间距分别为30 mm、35 mm、40 mm、45 mm。

图4 a=40 mm的等值云图

图5 a=45 mm的等值云图

模拟结果见图2至图5，由经过相同时间10 000 s后的等值云图可以看出，蓄冰槽内间距越小，中心温度越低，四周温度越高，蓄冰槽温度梯度越大；根据假设水在0℃即结冰，4种情况都存在冰桥搭接；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，蓄冰槽整个温度场分布越均匀。当时间充分、蓄冰槽体积一定、U形管直径和数量相同时，管间距越大，蓄冰量就越大。4种条件下，蓄冰槽内的最低温度都为-5℃，管间距最小时，它的最高温度为-0.17℃，温差达到约5℃；管间距最大时，最高温度为-4.91℃，温差几乎可以忽略不计，其余2种情况介于最大与最小管间距之间。

3.2 叉排时不同管间距时的温度场比较

U形管管束叉排，实验外部条件同顺排。见图6至图9，由经过相同时间10 000 s后的等值云图可以看出，模拟结果大体同顺排相似。蓄冰槽内间距越小，中心温度越低，四周温度越高，蓄冰槽温度梯度越大；根据假设水在0℃即结冰，4种情况都存在冰桥搭接；管间距越小，冰桥搭接越早；根据假设搭接冰层无热传导，换热面积减小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，蓄冰槽整个温度场分布越均匀。当时间充分、蓄冰槽体积一定、U形管直径和数量相同时，管间距越大蓄冰量就越大。4种条件下，蓄冰槽内的最低温度都为-5℃，管间距最小时，最高温度为-0.06℃，温差达到近5℃；管间距最大时，其最高温度为-4.56℃；其余2种情况介于最大与最小管间距之间，温度场的分布波动较大，随着管间距的增大愈趋于均匀。

4 结论

通过模拟结果可以得出，盘管直径的变化对蓄冷、放冷过程的影响并不大。产生这种结果主要因为盘管直径较小时，需要的盘管数量几乎不变，故换热面积同样不变，所以盘管直径的变化对蓄冰槽的换热性能影响不大。比较顺排和叉排2种不同的结构布置方式，可以看出：

1）蓄冰槽内间距越小，中心温度越低，四周温度越高，蓄冰槽温度梯度越大；

2）根据假设水在0℃即结冰，4种情况都存在冰桥搭接，且管间距越小，冰桥搭接越早；

3）管间距越大换热效果越好，蓄冰槽整个温度场分布越均匀；

4）当时间充分、蓄冰槽体积一定、U形管直径和数量相同时，管间距越大蓄冰量就越大；

5）顺排时整个蓄冰槽内温度场分布呈对称状态，顺排时蓄冰槽内的温度场分布更均匀。

总之，U形管顺排一方面简化了布置方式，同时满足温度场均匀的要求，所以采用顺排的布置方式比叉排更有利于蓄冰槽的性能改进。选择合适的结构参数及排列方式的蓄冰槽才能使蓄冷系统真正达到高效运行的目的。

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