蓄冷材料应用于舰船空调的数值仿真

李 鹏，吴赞侠

● （1.海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海 201913；2.舟山海军监修室，舟山 316000）

蓄冷材料应用于舰船空调的数值仿真

李 鹏1，吴赞侠2

● （1.海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海 201913；2.舟山海军监修室，舟山 316000）

为了研究蓄冷材料在舰船空调系统中的应用，分别对冰和某型高温相变蓄冷球两种材料的蓄释冷过程用有限元分析方法进行了模拟仿真，找出蓄冷量和蓄释冷时间的变化规律，并分析比较两种材料的蓄释冷的性能，结果表明：采用高温相变材料，其蓄冷周期短，制冷机组相对较节能，可满足水面舰船蓄冷空调的要求。

蓄冷空调；冰蓄冷；高温相变蓄冷材料；有限元法；数值模拟

0 引言

舰船使用蓄冷空调对于舰船节能和提高续航力意义重大，文献[1][2]提出了在潜艇上使用蓄冷空调的方案，根据其研究结果，如在水面舰船应用蓄冷空调将会提高舰船的战技性能，水面舰船对设备重量和体积有着特定的要求，而蓄冷材料对蓄冷空调的性能有重要的影响，因此选择何种蓄冷材料是较为重要的。

蓄冷空调目前主要为水蓄冷和冰蓄冷，对其他蓄冷材料如：共晶盐蓄冷、气体水合物蓄冷等国内外均有研究。冰蓄冷在工程中应用较为广泛，优点是其相变潜热高，技术相对较为成熟，缺点是由于蒸发温度低（-10℃～-8℃），使得空调的制冷系数COP和制冷量大幅度降低。而高温相变材料蓄冷系统的相变温度相对较高，在空调工况下，能较好地和蒸发温度匹配，原有制冷机组及空调系统基本不需要改动，而且冷损失小、制冷机COP值大，该蓄冷材料可满足舰船蓄冷空调的要求。系统中，蓄冷材料常用的封装形式是蓄冷球，下面对某种高温相变材料[3]蓄冷球的蓄释冷过程有限元分析方法进行了模拟仿真，分析其蓄释冷性能，研究在舰船上的适应性。

1 建立数学模型

计算中采用直径为50mm的蓄冷球，蓄冷时，低温的冷媒水流过蓄冷球表面，吸收球内的热量，使得蓄冷材料由球壁向球内逐渐凝固，直至整个蓄冷材料完全发生相变。释冷时，空调流回的冷媒水流过蓄冷球表面吸收蓄冷球的热量，蓄冷材料由球壁向球内逐渐融化，直至完全发生相变。因传热过程较为复杂，同时存在导热和对流换热，各项物性参数会发生变化，为方便分析计算，考虑主要因素，所以对蓄冷材料及传热作如下假设：

1）蓄冷材料固液两相物理性能不随温度变化，即比热、导热系数、密度均为常数。

2）热量的传递以导热为主，忽略对流换热。

3）相变从外层到内层发生，相界面在相变过程中温度恒定。

根据上述假设，数学模型为：

初始条件：T（r , 0）=T0（0 ≤r≤R）

式中，T为蓄冷球的温度，℃；t为蓄释冷时间，s；Cps、Cp1为蓄冷材料的固、液相比热，J／(kg·℃)；λs、λ1为蓄冷材料的固、液相导热系数，w／(m·℃)；ρs、ρ1为蓄冷材料的固、液相密度，kg／m3；R为蓄冷球的半径，m；L为蓄冷材料的固、液相变潜热，J／kg；Tf为冷媒水的温度，℃。

2 单元模型的建立和求解

采用ANSYS建立单元模型，基于有限元分析方法求解，并对结果进行分析比较。

2.1 建立单元模型和参数的设置

单元模型见如图1，其以1/4圆扇面作为分析模型，采用PLANE55单元类型，采用自由网格划分，精度选择为1，轴对称方式求解。

图1 单元模型

两种蓄冷材料的物理性能参数如表1所示。

表1 两种蓄冷材料参数

表2 两种蓄冷材料温度变化的焓值

2.2 加载求解

选用ANSYS的二维热分析单元PLANE5进行非线性的瞬态热计算和分析，便捷条件和加载见表3。

表3 两种蓄冷材料的初始值及载荷

选取第一类边界条件，采用分析类型为“Transient”，对几何模型施加温度载荷并设定载荷选项，冰蓄释冷和高温相变材料蓄释冷模拟时间分别为8000s和1000s；自动时间步长选项设定为on，时间步长为20s，最小步长、最大步长分别为10s、30s，选用lines search，加载求解稳定收敛。

2.3 数值仿真的结果

计算完成后进行后处理，蓄冷过程的相变末期时刻云图如图2所示。蓄冷过程中两种蓄冷材料球心处温度和时间曲线见图3。释冷过程的相变末期时刻云图如图4所示。释冷过程两种蓄冷材料球心处温度和时间曲线见图5。

图2 相变末期时刻云图

图3 两种蓄冷材料球心处温度和时间曲线

图4 相变末期时刻云图

图5 两种蓄冷材料球心处温度和时间曲线

3 数值仿真的结果和分析

考虑舰船要求，蓄冷球体积相同更具有实际意义，在相同温差条件下对两种蓄冷材料进行计算，用单个球蓄冷量进行比较，仿真计算的结果及分析如下。

3.1 蓄冷过程的结果和分析

两种蓄冷材料单个球蓄冷量、时间(蓄冷球从初始温度降到低于相变温度1℃的时间)、速度对比见表4。

表4 蓄冷过程性能对比

从表4可知，在相同体积条件下，冰蓄冷和高温相变材料蓄冷相比，冰蓄冷的蓄冷量大，蓄冷时间长，蓄冷速度低，这主要是因为冰蓄冷潜热高，但是导热率较低。可见在蓄冷时间相同的情况下，高温相变材料的蓄冷量相对要更大。

3.2 释冷过程的结果和分析

两种蓄冷材料单个球释冷量、时间(从初始温度到高于相变温度1℃的时间)、速度对比见表5。

表5 释冷性能对比

从表5可知，在相同体积条件下，冰蓄冷和高温相变蓄相比，冰蓄冷得冷释冷量高，释冷时间要长，所以冰蓄冷的释冷性好。但制冷机组在蓄冷工况时，蒸发温度越低，制冷系数COP和制冷量越低，一般每下降1℃，COP下降3%左右，而冰蓄冷要比高温相变材料低8℃左右，因此冰蓄冷相对耗电多近30%，制冷量低约一半，这将不利于舰船的节能和提高续航力。

4 结束语

1）综上所述，与冰蓄冷相比，采用高温相变材料，可提高制冷机组的制冷系数，同时由于和空调工况所需蒸发温度相近，可使用单工况制冷机组，减少了设备的复杂性，有利于提高舰船的续航力。

2）尽管高温蓄冷材料的蓄冷量小，但其蓄冷时间短，可以采用加快循环周期的方法弥补蓄冷量不足，以满足舰艇空调的要求。

3）如何提高高温相变蓄冷材料的潜热以及延长释冷时间，达到进一步节能，是有待解决的关键技术。

[1] 曾强洪, 吴钢. 蓄冷技术应用于常规潜艇的方案设计[J]. 制冷空调, 2006, 34(11): 53-56.

[2] 吴钢, 曾强洪. 利用蓄冷空调提高潜艇水下续航力研究[J]. 船海工程, 2006(6).

[3] 罗智特, 杜雁霞, 贾代勇. 相变材料蓄冷球蓄冷过程的数值模拟[J]. 制冷空调, 2004(2).

Numerical Simulation of Cooling Storage Material Using in Warship’s Air Conditioning

LI Peng1, WU Zan-xia2
(1. Naval Military Representative Department of Jiangnan Shipyard (group) Co., Ltd, Shanghai 201913, China;2. Naval Military Representative Department of Zhongshan Ship Repairing, Zhoushan 316000, China)

For the study of application of cooling storage material in air conditioning system of warship, an ANSYS program is used for numerical simulation of ice storage ball and a kind of high temperature phase-change cooling storage ball in cooling storage and melting processes. The cooling storage capacity, cooling storage and melting duration of the two materials are obtained in cooling storage and melting processes. The cooling storage and melting performances of the two materials are compared. The result of the research shows that the high temperature phase-change material has shorter cooling storage cycle and better chillers performance in energy saving, and the material satisfies the request of warship cooling storage air conditioning。

cooling storage air-conditioning; ice cooling storage; high temperature phase-change cooling storage material; Finite Element Method (FEM); numerical simulation

U664

A

李鹏（1968-），男，工程师、硕士。研究方向：:轮机工程。