纳米导热复合蓄冰盘管换热研究

梁利霞，朱好仁，周小波（杭州国电能源环境设计研究院，浙江杭州310030）



纳米导热复合蓄冰盘管换热研究

梁利霞，朱好仁，周小波
（杭州国电能源环境设计研究院，浙江杭州310030）

摘要：本文建立了纳米导热复合蓄冰盘管的换热模型，研究其制冰过程中显热蓄冷阶段和潜热蓄冷阶段温度的变化情况，同时结合上海某项目的测试结果，验证模型的准确性，对冰蓄冷系统的选型设计具有重要的借鉴意义。

关键词：纳米导热复合蓄冰盘管；显热蓄冷；潜热蓄冷；

0　引言

导热复合蓄冰盘管用于冰蓄冷中央空调系统，其工作原理是在夜间利用制冷机制冷并将冷量以冰的形式蓄存在该设备中，日间冰融化释放出冷量来提供空调负荷。与普通中央空调相比，它可以平衡电网负荷，实现电力“移峰填谷”；利用电力峰谷差价，节约空调运行费用；利用冰融化时产生的低温冷冻液，实现低温送风，改善空调品质[1]。蓄冰装置是冰蓄冷系统的关键设备，因此蓄冰装置的性能是否良好，对整个系统的高效运行具有重要的意义。本文对一种纳米导热复合蓄冰盘管进行建模并开展换热情况研究，同时结合工程测试进行对比分析。

1　数学模型

盘管蓄冰装置通常由多组盘管组成，其中相邻两组盘管排列如图1和图2所示，其中盘管A为上进下出，盘管B为下进上出，即相邻两根盘管内乙二醇溶液的流向相反，这样能保证蓄冰装置换热均匀，蓄冰槽内各处的结冰均匀。

为了简化问题，对结冰过程作如下假设[2]：

1）盘管壁材料、水和冰的物理参数均视为常数；

2）盘管外壁与固液两相界面之间为同心圆环，可按纯导热计算冰环的传热；

盘管制冰分为两个阶段，首先是蓄冰槽内水的显热降温阶段，其次是结冰阶段也就是潜热蓄冷阶段。盘管的长度比管径大得多，可认为轴向导热很小，可将多维问题简化为一维（径向）问题。因此，将盘管沿乙二醇溶液的流动方向分成n个小段，在每个小段上进行传热分析和能量平衡分析。

1.1显热蓄冷阶段

显热蓄冷阶段，此阶段盘管外壁的水温逐渐降低，微元段的换热过程主要分为三部分，首先是管内低温乙二醇和盘管内壁的对流换热过程，然后是盘管本身的导热热阻，最后是盘管外壁和水的对流换热过程。

下面建立盘管显热蓄冷过程各个阶段的热阻的数学模型，求出蓄冰槽的进、出口温度和载冷剂流量之间的关系。微元段显热蓄冷过程的传热示意图及热阻数学模型如图3和图4所示。

1）乙二醇溶液与盘管内壁的对流换热热阻Rb，i：盘管内壁与管内载冷剂的对流换热系数ab：

盘管内壁与管内乙二醇溶液的对流换热热阻Rb，t= （2πabrins）-1

式中 ρb—载冷剂（质量比25%的乙二醇水溶液）的密度，kg/m3；

Cp，b—载冷剂的比热，J/kg℃；

μb—载冷剂的动力粘度，kg/（m·s）；

λb—载冷剂的热导率，；

vb—载冷剂流体的速度，m/s。

2）盘管壁的导热热阻Rt，i：

式中 λt—盘管的热导率，W/（m·K）；

s—微元段长度，m；

rout—盘管外径，m；

rin—盘管内径，m。

3）盘管外壁与水的对流换热热阻Rw，t：

盘管外壁与水的换热系数

其中，瑞利数Ra：

式中 β—体积膨胀系数，取0.84×10-4（K-1）；

g—重力加速度值，取9.80665m/s2；

Tt—盘管外壁的平均温度，K；

ρw—水的密度，kg/m3；

Cp，w—水的比热，J/kg℃；

μw—水的动力粘度，kg/（m·s）；

λw—水的热导率，W/（m·K）。

则盘管外壁与水的对流换热热阻Rw，bare，i=（2πaw，barerouts）-1

结冰过程刚开始时，盘管外壁没有结冰，总换热系数UAbare，i：

微元段盘管中载冷剂与管外水层的换热量Qcoil，i：

式中 Tw—蓄冰槽内的水温，K。

微元段盘管中载冷剂与盘管外壁换热系数UAtbare，i：

微元段盘管中载冷剂与盘管外壁的换热量Qtcoil，i：

4）第i微元段的出口温度Tout，i：

式中 mb—盘管内的乙二醇溶液的体积流量，m3/s；

τ—时间段，s。

5）蓄冰槽的出口温度Tout：

对于下一微元段（i+1）来说，其进口温度等于上一段微元段盘管的出口温度：

已知蓄冰槽的进口温度Tin，通过迭代计算便可求蓄冰槽的出口温度Tout。

1.2潜热蓄冷阶段

随着降温过程的持续，盘管外壁逐渐开始结冰，因此整个换热过程进入前热蓄冷阶段，该阶段的换热过程同样包括三个过程，其中乙二醇与盘管内壁的对流换热热阻和盘管本身的导热热阻，与显热蓄冷降温阶段一样，其计算方法也完全相同。而盘管外壁由于开始形成冰环，因此需考虑冰层的导热热阻。

下面建立盘管潜热蓄冷过程各个阶段的热阻的数学模型，求出蓄冰槽的进、出口温度和载冷剂流量之间的关系。微元段潜热蓄冷过程的传热示意图及热阻数学模型如图5和图6所示。

1）冰层的导热热阻Rice，i：

式中rrice，i—某时刻冰层的半径，m；

λice—冰层的热导率，W/（m·K）。

总换热系数潜热蓄冷阶段换热系数与换热面积之积UAlat，i：

微元段盘管中载冷剂与管外水层的换热量Qcoil，i：

热平衡方程：

随着蓄冷过程的进行，盘管外壁开始结冰，冷量以冰的潜热的形式储存起来，则热平衡方式如下：

式中hice—冰的融解潜热，J/kg；—前一时间段的冰层半径，m；—该时间段的冰层半径，m。

则冰层厚度隐式方程为：

2）第i微元段的出口温度Tout，i：

3）蓄冰槽的出口温度Tout：

对于，下一微元段（i+1）来说，其进口温度等于上一段微元段盘管的出口温度：

已知蓄冰槽的进口温度Tin，通过迭代计算便可求蓄冰槽的出口温度Tout。

表1　盘管计算物性参数数值

3　数值计算

根据某时刻进入制冷主机的乙二醇温度和流量，模拟求出制冷机蒸发器出口乙二醇温度T′out，然后，由此出口温度作为蓄冰装置的入口温度，通过蓄冰装置换热模型，可以得到此时刻蓄冰装置的性能参数以及出口温度，以此温度作为下一时刻制冷主机的入口温度，如此循环计算直至蓄冰结束，程序框架如图7所示。

4　工程测试与对比分析

以上海某项目选用的纳米导热复合盘管进行计算模拟，得到制冰过程中各个阶段的换热情况，并与实测数据进行对比，盘管外型参数：长5060mm（L）×宽3324 mm （W）×高2616 mm（H），设计蓄冰量为715RTh。

项目夏季尖峰冷负荷为5780 kW，空调系统24h使用，冰蓄冷空调系统采用主机上游串联单循环内融冰流程，采用部分蓄冰模式，配两台双工况制冷主机和一台基载冷水主机，夜间低谷电时段（22时-次日6时），双工况主机开启制冰工况，夜间负荷由基载主机承担。系统控制流程如图8所示。

系统运行冰蓄冷工况，相应电动调节阀门开关到位，双工况制冷主机满负荷运行制冰，乙二醇泵与主机一对一启动或关机。由于制冷主机的冷却水温度越低主机的能效比越高，参考当日的湿球温度，自控系统控制冷却水温度28℃，冷却塔风机台数控制根据冷却塔出口温度（制冷主机冷凝器进口温度）开启或关闭，以免多开冷却塔造成能量浪费。冷却水泵与冷却塔一对一启动或关机。

蓄冷过程中蓄冰盘管进出口温度随时间变化的曲线如图9所示。

5　结语

该模型模拟了盘管显热降温和潜热降温过程，模拟结果与实际测试结果比较一致，说明理论计算能较好地模拟纳米导热复合材料的实际换热情况。该模型可用于指导蓄冰盘管的选型设计。

纳米导热复合盘管是一种高效蓄冰装置，由于其材料的特殊性，因此具有优异的导热性能，对制冰过程的换热具有显著的强化作用，制冰结束主机温度不低于-5.5℃，有利于提高主机的效率及延长主机的寿命。

参考文献：

[1]方贵银.蓄冷空调工程实用新技术[M].北京：人民邮电出版社，2000

[2] Weikun Zhou，Junkai Zhou，Guobang Chen. Experimental Study on Heat Transfer Characteristics of Conductive Plastic Ice-on-coil[A]．Cryogenics and Refrigeration-Proceedings of ICCR’2003.Iniernational academic publisher’s world publishing corporation，2003.

修回日期：2016-01-26

Heat Transfer Research on Nano-composite Ice- On-Coil

LIANG Li-xia，ZHU Hao-ren，ZHOU Xiao-bo
（Hangzhou Guodian Institute of Electric Energy and Environmental Design，Hangzhou 310030，China）

Abstract：The heat transfer model of Nano-composite Ice- On-Coil is established in this paper. The changes of the temperature in sensible heat storage stage and latent heat storage stage during ice-making process are studied. The accuracy of the mode is verified by the testing results of a project in Shanghai，which can help the selection of design of ice storage system.

Key words：Nano-composite Ice- On-Coil；sensible heat storage；latent heat storage

收稿日期：2016-01-06

作者简介：梁利霞（1982-），女，山西人，硕士，工程师，从事蓄能空调设备及系统研究工作。

中图分类号：TU831

文献标识码：B

文章编号：2095-3429（2016）01-0077-05

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.018