冰球式蓄冰罐管理論文

1、冰球式蓄冰罐管理論文提要給出了冰球式蓄冰罐蓄冷和取冷過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。該模型考慮了載冷劑與冰球間的相互作用、冰球的相變換熱特性以及蓄冰罐的熱損失。編制了求解程序STAIT，利用該程序計(jì)算了8個(gè)不同的蓄冷和取冷工況。對(duì)比結(jié)果表 明，利用STAIT模擬的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果非常接近。 關(guān)鍵詞冰球冰蓄冷數(shù)學(xué)模型模擬 AbstractPresentsamathematicalmodeldescribingthefreezingandmeltingprocessesoftheice-storagecontainerwithencapsulatediceinsphericalcapsulesandconsider

2、ingtheinteractionbetweenglycolandthecapsules,theheatexchangeperformanceofthecapsulesandtheheatlossoftheice-storagecontainer.WithacomputerprogrammecalledSTAITdevelopedtosolvethemodel,simulatesseveralcasesincludingfreezingandmeltingprocesses,andcomparespredictedresultsandexperimentalonesandshowsagoodf

3、itofthem. Keywordsencapsulatedicestoragesphericalcapsulemathematicalmodelsimulation 1引言 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)是在空調(diào)負(fù)荷很低時(shí)制冷儲(chǔ)存，而在新空調(diào)負(fù)荷高峰時(shí)化冰取冷，因而可以全部或部分轉(zhuǎn)移制冷設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，從而縮小供電網(wǎng)絡(luò)的峰從電力負(fù)荷差。因此，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在美國(guó)、日本、澳大利亞等國(guó)家發(fā)展非常迅速，已廣泛使用十幾年之久。 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)由蓄冰設(shè)備和空調(diào)系統(tǒng)組成。根據(jù)ARI蓄冷設(shè)備熱性能指南，蓄冰設(shè)備可分為冰盤(pán)管、冰球、冰片滑落、冰晶等幾種形式1。其中應(yīng)用最廣泛的是冰盤(pán)管和冰球2。 近年來(lái)許多學(xué)者對(duì)冰盤(pán)管式蓄冰

4、設(shè)備進(jìn)行了研究3，生產(chǎn)廠家也開(kāi)發(fā)出許多系列的冰盤(pán)管產(chǎn)品。但由于冰盤(pán)管管道較細(xì)，流動(dòng)阻力較大，技術(shù)要求較高，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一家生產(chǎn)冰盤(pán)管的廠家。而冰球式蓄冰設(shè)備由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，已成為蓄冰系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向2。 由于密封球體內(nèi)的結(jié)冰和融冰過(guò)程是一個(gè)伴隨著相變的導(dǎo)熱與自然對(duì)流換熱的復(fù)雜過(guò)程，掠過(guò)冰球的載冷劑的流動(dòng)和換熱過(guò)程也很復(fù)雜，因此目前很難看到有關(guān)冰球蓄冷和取冷方面的文章和廠家資料。國(guó)內(nèi)較早研究冰球特性的是清華大學(xué)的趙慶珠教授，她在1994年發(fā)表兩篇關(guān)于單個(gè)冰球蓄冰和融冰過(guò)程的文章4，5。而實(shí)際的冰球蓄冰設(shè)備是將許多冰球堆集在一個(gè)圓形斷面蓄冰罐中，因此了解蓄冰罐的蓄冰和融冰特性對(duì)冰球式蓄冰罐的

5、生產(chǎn)、設(shè)計(jì)和使用具有重要的意義。 2數(shù)學(xué)模型的建立和求解 載冷劑在冰球式蓄冰罐中的流動(dòng)是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，涉及載冷劑掠過(guò)冰球的換熱以及冰球內(nèi)的要變換熱過(guò)程。對(duì)此作如下簡(jiǎn)化：冰球在罐內(nèi)均勻分布，載冷劑和冰球中介質(zhì)的熱工參數(shù)只沿流程發(fā)生變化；冰球的傳熱性能只與冰球中的冰量有多少有關(guān)4，5。根據(jù)這兩個(gè)簡(jiǎn)化條件即可得到冰球式蓄冰罐的數(shù)學(xué)模型。 21數(shù)學(xué)模型 將冰罐中的冰球沿載冷劑流程分成若干排，每排中的冰球個(gè)數(shù)為N，每個(gè)冰球的表面積為A，每排冰球占據(jù)的長(zhǎng)度為E，冰罐中載冷劑的有效流通面積為F。在每一排中，載冷劑的溫度相同，冰球的溫度相同。載冷劑側(cè)的能量方程為 （1） （2） （3） （4） 式（1）（

6、4）中，Tf為載冷劑溫度，為時(shí)間，uf為載冷劑流速，af為載冷劑的導(dǎo)溫系數(shù)，qht為單位體積載冷劑與冰球間的換熱量，qfls為單位體積載冷劑通過(guò)罐壁的熱損失，f，cf分別為載冷劑的密度和比熱容，Kc為冰球的溫度，D為冰罐直徑，Tamb為周?chē)h(huán)境溫度，Rw為冰罐壁熱阻，aw為載冷劑與冰球外表面的換熱系數(shù)，an為冰球中的介質(zhì)與冰球內(nèi)表面的換熱系數(shù)，R0為冰球殼熱阻。 其中aw由下式確定6： （5） （6） 式（5）（6）中，dp為冰球直徑，f為載冷劑的導(dǎo)熱系數(shù)，Pr為載冷劑的普朗特?cái)?shù)，Rep為載冷劑的雷諾數(shù)，v0為罐體中載冷劑的表現(xiàn)速度，f為載冷劑的運(yùn)動(dòng)粘度。an由文獻(xiàn)7回歸得到。冰球側(cè)的能量方程

7、為 （7） 冰球中無(wú)冰時(shí)：（8） 冰球中冰水共存時(shí)：（9） 冰球中全冰時(shí)：（10） 初如條件：Tb=T0，Tf=T0，=0(11) 邊界條件：Tf|x=0=Tfin(12) 式（7）（12）中，Qht為單位冰球與載冷劑間的傳熱量，m為單個(gè)冰球中介質(zhì)的質(zhì)量，cw為水的比熱容，為冰球中的結(jié)冰率，qlt為冰的常融解潛熱，ci為冰的比熱容，T0為初初始溫度，0為初始結(jié)冰率，Tfin為冰罐中載冷劑的入口溫度。 22方程的離散和求解 采用隱式格式對(duì)上述方程進(jìn)行離散，用追趕法求解離散后的方程組。具體計(jì)算過(guò)程如圖1所示。 圖框圖STAIT程序的計(jì)算 根據(jù)圖1所示的計(jì)算框圖，筆者編制了計(jì)算冰球式蓄冰罐的計(jì)算程序

8、STAIT(SoftwareofTime-dependentAnalysisforIceTube). 3模型驗(yàn)證 為了驗(yàn)證上述模型是否合理，筆者利用STAIT計(jì)算了若干個(gè)工況，并與深圳中電大廈門(mén)冰蓄冷系統(tǒng)的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比 較。 31深圳中電大廈冰蓄冷系統(tǒng)的簡(jiǎn)介 深圳中電大廈是我國(guó)第一家正式運(yùn)行的冰蓄冷系統(tǒng)，其蓄冰系統(tǒng)部分如圖2所示。 圖2深圳中電大廈蓄冰系統(tǒng)示意圖 1995年6月，清華大學(xué)熱能空調(diào)教研室趙慶珠教授應(yīng)邀對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)。此次測(cè)試包括單罐的蓄冷取冷過(guò)程、雙罐串聯(lián)和并聯(lián)的蓄冷取冷過(guò)程。本文中的實(shí)測(cè)結(jié)果摘自此次實(shí)驗(yàn)的測(cè)試報(bào)告8。 32模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較 利用STAIT程序，筆

9、者計(jì)算了表1所示的8個(gè)測(cè)試工況下的蓄冷和取冷過(guò)程。圖3至圖10分別給出了這8個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較。 表1STAIT計(jì)算工況工況編號(hào)狀態(tài)開(kāi)始時(shí)間結(jié)束時(shí)間流量/m3/h 1單罐蓄冷13日20：2114日7：52361.9 2雙罐蓄冷13日20：2114日7：53315.8 3單罐蓄冷14日18：3215日7：53360 4雙罐蓄冷14日18：3215日7：53314 5單罐蓄冷15日20：2316日7：53360 6雙罐蓄冷15日20：2316日7：53314 7單罐蓄冷15日10：3315日14：18191.6 8雙罐蓄冷15日16：3315日20：20179.4 圖3工況1冰罐入口

10、溫度和出口溫度隨時(shí)間的變化 圖4工況2冰罐入口溫度和出口溫度隨時(shí)間的變化 圖5工況3冰罐入口溫度和出口溫度隨時(shí)間的變化 圖6工況4冰罐入口溫度和出口溫度隨時(shí)間的變化 圖7工況5冰罐入口溫度和出口溫度隨時(shí)間的變化 圖8工況6冰罐入口溫度和出口溫度隨時(shí)間的變化 從圖3至圖8可以看出，蓄冷開(kāi)始時(shí)，載冷劑的溫度下降較快，當(dāng)降至-4-6后，載冷劑的溫度幾乎不再下降。這說(shuō)明冰球結(jié)冰前水溫下降較快，而一旦開(kāi)始結(jié)冰后，冰球與載冷劑間的換熱是非常穩(wěn)定的。不論是實(shí)測(cè)還是計(jì)算結(jié)果，都反映了這一規(guī)律。從圖中還可以看出，不論是單罐蓄冷還是雙罐串聯(lián)蓄冷，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果均吻合較好。 圖9工況7冰罐入口溫度和出口溫度隨時(shí)

11、間的變化 圖10工況8冰罐入口溫度和出口溫度隨時(shí)間的變化 從圖9和圖10可以看出，取冷開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)，出口水溫上升較慢。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，出口水溫上升較快，逐漸接近入口水溫。計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果均反映了這一趨勢(shì)。從圖中還可以看出，除取冰開(kāi)始的段時(shí)間里計(jì)算和實(shí)測(cè)有些差別外，二者相互吻合很好。造成上述差別的原因主要在于實(shí)際開(kāi)始取冷時(shí)冰罐中的結(jié)冰率沿程并不均勻，而模擬計(jì)算時(shí)卻采用了相同的結(jié)冰率。 從上述分析可以看出，本文給出的數(shù)學(xué)模型定性上與實(shí)測(cè)結(jié)果完全一致，定量上與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，表明本文提出的冰罐模型是合理的。 4結(jié)論 本文針對(duì)冰球式蓄冰罐的換熱特點(diǎn)，提出了以單個(gè)冰球換熱特性為基礎(chǔ)的冰罐的數(shù)學(xué)模型。

12、該模型考慮了載冷劑的掠過(guò)冰球的換熱、冰球內(nèi)相變換熱、冰罐的漏熱等因素。并編制了求解冰球式蓄冰罐的換熱特性的程序STAIT。利用STAIT程序，計(jì)算了8個(gè)不同的蓄冷和取冷工況，并將計(jì)算結(jié)果與深圳中電大廈冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：本文提出的冰球式蓄冰罐的數(shù)學(xué)模型較好地反映了蓄冰罐的特點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合很好，可用于研究冰球式蓄冰罐的熱工特性。 5參考文獻(xiàn) 1AIR.蓄冷設(shè)備熱性能指南，1994。 2李華堅(jiān)，陳建平，空調(diào)系統(tǒng)的蓄冷調(diào)荷技術(shù)，暖通空調(diào)，1992（5） 3TBJekel,JWMitchellandSAKlein.ModelingofIce-StorageTanks.ASHRAETrans.1993:1016-1024 4趙慶副教授，蔣久軼，冰球蓄