外融式冰盤管取冷特性的實驗研究

1、外融式冰盤管取冷特性的實驗研究         05-12-26 10:06:00     作者：佚名    編輯：studa9ngnsExperiment of discharging characteristics of external melting ice-on-coil tanks 摘要 介紹了在我融冰式冰盤管實驗臺上所作的外融冰槽取冷特性實驗研究，提示了影響外融冰槽熱工特性的流量、進口水溫、負荷強度、初始蓄冷量、

2、取冷水流進出口方式等主要因素及其作用規(guī)律，評論了冰盤管蓄冷技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞 外融式蓄冰槽 冰盤管 冰蓄冷 實驗研究 Abstract Presents investigation into the melting process of the external melting ice-on-coil tank to clarify its thermal characteristics on an experiment set, reveals the main factors including the flow rate, intake water temperature, d

3、ischarging rate, initial charged quantity and chilled water connecting that influence the process and their actions, and reviews the development and application prospects of ice-on-coil thermal storage technology.Keywords external-melt ice storage tank ice -on-coil ice storage experimental research0

4、 引言外融式蓄冰槽是一種重要的冰蓄冷型式，從制冰過程看屬于靜態(tài)制冰方式1。由于外融冰系統(tǒng)本身具有的可以長時間平衡地取出低溫水的優(yōu)點，近年來在國內(nèi)外越來越多引起人們的重視，但是相對于內(nèi)融冰而言，外融冰的研究還不夠成熟，特別是在取冷特性方面。目前日本2、美國35等國家在外融冰開發(fā)及應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位，我國一些大學(xué)和科研單位也做了許多工作67。外融冰作為一種關(guān)鍵技術(shù)，目前國際上一般不提供蓄冷、取冷性能曲線等基礎(chǔ)性資料和研究成果，因此我們有必要進一步加強有關(guān)方面的研究工作。本文結(jié)合所進行的實驗研究結(jié)果，就外融冰槽的取冷特性及其影響因素進行分析和探討。1 實驗原理與試驗裝置外融冰取冷過程是直接從已經(jīng)完

5、成蓄冰過程的冰槽內(nèi)將冷水作為取冷介質(zhì)輸送到用戶，冰是從冰柱外表面開始向內(nèi)融化的。取冷系統(tǒng)是一個獨立于蓄冷系統(tǒng)的環(huán)路，如圖1所示。外融冰槽的取冷特性可以采用冰槽進出口溫度、換熱速率（單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)移的熱量）、總換熱量（累計轉(zhuǎn)移的熱量）、取冷率（已取出的冷量占總冷量的百分比）、含冰率（槽內(nèi)冰的體積或質(zhì)量占冰水總體積或總質(zhì)量的比例）、液面高度等參量及其隨時間的變化狀況進行描述8，9。本課題設(shè)計了蓄冷容量為6.33×105kJ鋼制方形蛇管蓄冷槽，并在水槽上下各設(shè)置了一個布水器，實驗臺的溫度、流量等測點布置也在圖1中示出，在冰槽進出口處有兩個旁通相連結(jié)，需要時可以通過開關(guān)有關(guān)閥門來改變進出口水流

6、方向。 圖1外融冰取冷過程實驗裝置2 實驗結(jié)果及其分析由于外融冰的蓄冷過程和特性與內(nèi)融冰是一致的，已有很多研究成果，因此本文將重點集中在兩者的取冷特性研究方面，并為此進行了一系列的實驗，對實驗結(jié)果進行了整理、分析，得到了外融冰槽的熱工特性，進而對影響外融冰取冷特性的因素進行了進一步的考察，著重揭示了取冷流量、冰槽進口溫度、負荷強度、初始蓄冷量、取冷水流進出口方式等因素及其作用規(guī)律，對于另外一些影響因素，例如冰槽結(jié)構(gòu)尺寸、液體物性等等，暫時無法通過實驗的方法進行詳盡研究，將留待以后作進一步探討。21 典型外融冰柄的取冷特性現(xiàn)選取一個典型工況來說明外融冰基本的取冷特性。在編號為M22的取冷過程中，

7、取冷流量G=63/h，取冷負荷強度q=35kW，從而冰槽取冷進出口溫差t=t0-ti=5，取冷結(jié)束時出口溫度t0=7，冰槽水流進出口方式為下進上出。整個取冷過程進行了5h，共取出冷量Q=6.33×105kJ。將所測得的，ti，t0，G，q，Q等有關(guān)參數(shù)整理成有關(guān)曲線，如圖2所示（圖中i,o,d,u分別表示冰槽進口、出口、下部、上部。另外，tw表示平均水溫，Hw表示水面高度，Q R表示取冷率。下同）。從圖中可以看出整個外融冰取冷過程大體上可以分為兩個階段：潛熱取冷階段和混合取冷階段。 圖2 外融冰槽典型取冷特性取冷過程的第一階段是從開始取冷一直持續(xù)大約3.5h，取出75%的冷量。在這一

8、過程中，取冷出口溫度從0.3升高到2左右，曲線基本保持不變并略有上升。這說明這一階段基本上是進行的潛熱取冷，顯熱取冷量很小。這種情況主要是由于溫度較高的水從底部布水器的下側(cè)以極小的速度進入槽內(nèi)，然后相當(dāng)均勻地緩慢向上流動，迅速與冰面附近溫度接近于0的低溫水混合，并沿著叉排管束中間的之字形流道向上流動，從而水溫也迅速降低到接近0，這使得位于冰槽上部的取冷出口處一直保持在較低的水溫。從而外融冰系統(tǒng)可以長時間地穩(wěn)定地取出低溫水，這是外融冰的一個非常重要的優(yōu)點。隨著融冰的進行，冰水交界面積逐漸減小，流道空間逐漸加大，潛熱取冷量逐漸不能完全承擔(dān)進入的熱負荷，需要由槽內(nèi)水的顯熱冷量承擔(dān)一部分負荷，因此槽內(nèi)

9、水溫tw 逐漸上升，進出口溫度也隨之上升，取冷過程進入到混合取冷階段，從第3.5h處一直到取冷過程的結(jié)束的第5h。此時取冷曲線斜率增大，取冷水溫以較快的速度上升。從液面高度Hw的變化曲線可以看到，曲線整體上呈線性分布，只是到了第3.5h之后才略有平緩，這是在混合取冷階段潛熱取冷略有下降造成的。在整個取冷過程中，共取出了5.4×105kJ的潛熱冷量。同時，槽內(nèi)平均水溫從1.6升高到6.2，低于此時的冰槽出口水溫7，折合顯熱冷量為1.33×105kJ，其中潛熱占80%，顯熱占20%，略高于按照冰槽進出口溫差計算出來的6.33×105kJ。上述冷量的誤差約為5%，主要是

10、冰槽由于從外界吸熱而導(dǎo)致的冷量損失（每h約為0.1%）造成的，同時計算顯熱量所依據(jù)的槽內(nèi)平均水溫及其變化的測量也存在系統(tǒng)誤差。22 影響外融冰取冷特性的因素為了考察各主要影響因素對外融冰取冷特性的影響，筆者在實際應(yīng)用中可能需要的范圍內(nèi)選取了每一種因素的不同水平進行了一系列的實驗，由此得到了有關(guān)因素的作用規(guī)律。221 冰槽水流進出口方式蓄冰槽內(nèi)取冷水流動方向改變時，對取冷過程明顯影響。對比其它實驗條件均基本相同的上進下出實驗M17和下進上出實驗M22的性能曲線（圖3）可以發(fā)現(xiàn)，如果以取冷出口水溫達到7作為取冷結(jié)束點，當(dāng)初始蓄冰量與設(shè)計容量相關(guān)不超過20%時，在取冷過程的前70%80%時間內(nèi)，下進

11、上出方式的取冷出口溫度只有0.22，末期取冷溫度則逐漸上升到7；而上進下出方式在取冷的大部分時間平均溫度在24甚至還略高一些，但取冷末期則較快地上升到7。對比兩者結(jié)束時的槽內(nèi)平均水溫可知，上進下出的M17為8.7，下進上出的M22為6.22，前者高于后者2.5，從而可以多取出一部分顯熱冷量?？傊捎蒙线M下出取冷方式可以較多地取出槽內(nèi)水的顯熱冷量，但是絕大部分時間取冷過程中的平均出口溫要高于下進上出方式。圖3 冰槽水流進出口方式的影響 如果以出口水溫達到4作為取冷過程的結(jié)束點，下進上出的M22可以取出約80%的冷量，上進下出的M17只能取出不到50%的冷量，此時冰槽內(nèi)還存在大量的冰。同時兩者的槽

12、內(nèi)平均水溫基本一致。因此，當(dāng)用戶需要4左右的低溫水時，應(yīng)該采用下進上出的供冷方式，特別是如果用戶的供冷水系統(tǒng)采用變流量大溫差方式的時候更為合適。不同的取冷水流方向之所以引起取冷特性不同，主要是槽內(nèi)水的流動換熱的慣性力和浮升力的綜合作用導(dǎo)致盤管外的冰層融化狀況不同。為了能夠更突出地研究外融冰能夠長時間取出低溫水的優(yōu)點，在下面的討論中，將主要針對下進上出取冷方式對影響取冷特性因素進行考察。222 流量不論是蓄冷過程還是取冷過程，都必須由一定流量的某種介質(zhì)將冷量輸送到換熱裝置進行換熱，但是在蓄冷過程以及內(nèi)融冰的取冷過程中載冷劑在盤管內(nèi)流動并與管外進行換熱，因此流量必然影響到管內(nèi)流體與內(nèi)壁面的表面?zhèn)鳠?/p>

13、系數(shù)，從而影響到換熱速率，而外融冰則是直接將冰槽內(nèi)與冰接觸換熱的水送出，流量對換熱過程的影響就會有所不同。在圖4中給出了3次下進上出方式的外融冰取冷出口溫度曲線，編號為24,27,28的實驗分別對應(yīng)流量G=4.6，8，10m3/h，取冷負荷強度均為q=28kW，從而取冷溫差分別為t=5.2，3，2。實驗結(jié)果表明取冷水流量增大時冰槽出口水溫有所升高，但是溫度偏差不超過1，并且3次實驗都是表明在取冷的前三分之二時間內(nèi)出口水溫都是在12甚至更低一些?？梢钥闯?，流量的變化對于外融冰取冷出口水溫沒有實質(zhì)性的影響，因此從取冷特性以及減少泵耗角度看，在可能的情況下減小流量是有利的，當(dāng)然也不可能無限減小，因其要受到用戶處換熱器的允許最大進出口溫差的限制。 圖4 流量的影響223 冰槽進口溫度當(dāng)取冷進口溫度變化時，會影響到出口溫度、取冷速率等參數(shù)隨時間的變化規(guī)律。在實驗M30，M31，M32中，ti=12，11，10左右，G=3.6 3/h，均為下進上出取冷水流方式，無攪拌。其取冷進出口、取冷速率和取冷量曲線見圖5。 圖5 進口水溫的影響比較各次實驗的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著ti的升高，t0也升高，但是升市高的幅度要遠小于相應(yīng)的t0的幅度，導(dǎo)致取冷進出口溫差升高，q隨ti的升高而升高。從槽內(nèi)冰水換熱角度看