外融冰蓄冷系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及工程應(yīng)用

申請免費(fèi)試用、咨詢電話：400-8352-114

　簡介： 本文介紹了外融冰蓄冷系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和作用，說明了了目前國內(nèi)外外融冰蓄冷取冷特性研究所采用的方法及其研究成果，總結(jié)了清華大學(xué)和清華同方在外融冰研究和應(yīng)用方面的成果，對外融冰技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行了評估和預(yù)測。

　　關(guān)鍵字：冰蓄冷 外融冰

　　一、引言

　　冰蓄冷技術(shù)作為一類重要的能源利用技術(shù)，近來獲得了很大發(fā)展。冰蓄冷是指在用電低谷時(shí)用電制冰并暫時(shí)蓄存在蓄冰裝置中，在需要時(shí)（如用電高峰）把冷量取出來進(jìn)行利用，由此可以實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的“削峰填谷”，有利于降低裝機(jī)容量、維持電網(wǎng)的安全高效運(yùn)行，所以包括我國在內(nèi)的許多國家都采取了各種措施以鼓勵(lì)蓄能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

　　根據(jù)制冰方式的不同，冰蓄冷可以分為靜態(tài)制冰、動態(tài)制冰兩大類，此外還有一些特殊的制冰方式「1」。 靜態(tài)制冰方式，即在冷卻管外或盛冰容器內(nèi)結(jié)冰，冰本身始終處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。這一類制冰方式包括冰盤管式、封裝式等多種具體形式。動態(tài)制冰方式，該方式制冰過程中有冰晶、冰漿（iceslurry）生成，且冰晶、冰漿處于運(yùn)動狀態(tài)。每一種具體形式都有其本身的特點(diǎn)和適用的場合。

　　外融式冰盤管蓄冷在制冰方式上屬于靜態(tài)制冰方式，是由冷源將乙二醇溶液、鹽水溶液等栽冷劑冷卻到0℃以下并送入蓄冰槽內(nèi)的冰盤管與管外的水進(jìn)行熱交換，在管外結(jié)冰以蓄存冷量，需要時(shí)進(jìn)行取用，從而蓄冷過程必須克服隨厚度增加越來越大的冰層熱阻。與內(nèi)融冰方式在取冷時(shí)仍由管內(nèi)的乙二醇溶液或鹽水作栽冷劑與管外冰進(jìn)行二次換熱不同，外融冰方式是直接采用蓄冰槽內(nèi)的水作為取冷介質(zhì)送出，冰是從冰柱外表面開始向內(nèi)進(jìn)行融化的。其工作過程決定了外融冰方式與內(nèi)融冰方式等需要二次換熱的冰蓄冷形式相比，取冷效率更高，而且取冷溫度更低，并可長時(shí)間保持低溫取冷，使取冷過程更加平穩(wěn)，并使得實(shí)現(xiàn)大溫差低溫送風(fēng)成為可能；同時(shí)又比冰晶式、冰片滑落式等動態(tài)制冰技術(shù)設(shè)備的材料要求低，加工、使用、管理方便。例如一般空調(diào)用表冷器處冷凍水溫度約為7℃，如果采用外融冰方式，冷凍水溫度可長時(shí)間保持在1～2℃，可以更大幅度地降低送風(fēng)溫度，增加送回風(fēng)溫差，實(shí)現(xiàn)送風(fēng)量的大幅度減少。這不但大大減少風(fēng)管截面積及其占用空間，而且減少了風(fēng)機(jī)、水泵、閥門等的設(shè)備容量、部件尺寸，減少材料使用和設(shè)備功耗，水路、風(fēng)路的機(jī)電設(shè)備、材料的初投資和系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用也都不同程度減少，達(dá)到整體上降低空調(diào)系統(tǒng)的費(fèi)用，提高經(jīng)濟(jì)效益。

　　二、外融冰蓄冷技術(shù)的發(fā)展概況

　　1.概況

　　與其它靜態(tài)蓄冷方式如內(nèi)融冰方式的發(fā)展和應(yīng)用相比，目前國內(nèi)外外融冰蓄冷方面的研究尚不成熟，因而其文獻(xiàn)資料并不很多。基于外融冰系統(tǒng)有很好的優(yōu)點(diǎn)，近幾年已經(jīng)越來越引起人們的重視，國外在其蓄冷取冷性能方面的研究有了很大深入。由于這種蓄冷方式與其它蓄冷方式在一些方面存在相似性，因而完全可以借鑒其它蓄冷方式的研究成果或研究方法，并針對外融冰的具體特點(diǎn)進(jìn)行研究；另一方面，也必須針對外融冰的特殊性采用一些新的研究思路，以求可以更準(zhǔn)確、全面地了解其規(guī)律性。

　　目前美國、日本等國家在冰蓄冷研究方面已經(jīng)處于領(lǐng)先地位，在我國包括清華大學(xué)在內(nèi)的一些大學(xué)和科研單位也做了許多工作。國內(nèi)外的研究者們普遍從實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值計(jì)算模擬的方法兩方面進(jìn)行研究，而且經(jīng)常將兩類方法結(jié)合起來進(jìn)行研究，特別是近期以來國外就實(shí)際使用的冰盤管蓄冷裝置的熱特性及蓄冷系統(tǒng)的性能評價(jià)進(jìn)行了很多現(xiàn)場實(shí)測研究，用以對冰蓄冷技術(shù)進(jìn)行分析與評估，同時(shí)也對實(shí)驗(yàn)研究及模擬分析的研究成果進(jìn)行驗(yàn)證和評價(jià)。

　　2.蓄冷特性的研究

　　考察冰盤管蓄冷特性常常采用蓄冷/取冷特性曲線，即在蓄冷/取冷過程中，在冰槽進(jìn)口溫度、出口溫度、蓄冷量/取冷量、蓄冷速率/取冷速率等參數(shù)隨時(shí)間的變化曲線來表示。

　?。?）、實(shí)驗(yàn)（實(shí)測）研究

　　國內(nèi)外普遍利用實(shí)驗(yàn)、實(shí)測的方法進(jìn)行盤管式冰蓄冷特性的研究。

　　日本學(xué)者山羽基從蓄冰槽內(nèi)水溫分布特性方面就盤管配置、蓄冷槽下部有無攪拌等因素影響對外融冰蓄冷方式進(jìn)行了較為深入的研究「2」。研究發(fā)現(xiàn)：有攪拌時(shí)，蓄冰槽內(nèi)水溫分布均勻，開始結(jié)冰時(shí)間比無攪拌時(shí)要晚一些，而總結(jié)冰時(shí)間短，管外結(jié)冰均勻一致，且蓄冷量大（相同結(jié)冰率）。無攪拌時(shí)，側(cè)部、中央配置時(shí)，無盤管部分按照水溫分層，而且蓄冰結(jié)束后，盤管上部結(jié)冰偏厚；下部、上部配置時(shí)也明顯的受到水的密度隨溫度變化而變化的特殊性的影響。配置方式對結(jié)冰時(shí)間基本無影響，有攪拌時(shí)中央配置最短，無攪拌時(shí)上部配置短；只攪拌至結(jié)冰而后停止攪拌，與全程攪拌效果幾乎相同。

　　（2）、理論研究與模擬計(jì)算方法

　　根據(jù)有關(guān)理論建立數(shù)學(xué)模型，而后進(jìn)行計(jì)算求解，或進(jìn)而進(jìn)行仿真，是研究冰蓄冷問題的重要方法。

　　美國的Abraham等人對于直接蒸發(fā)型冰盤管的蓄冷過程，在作了蓄冷過程中盤管傳熱系數(shù)為常數(shù)的假定下，以蓄冷過程中的壓縮機(jī)做功最小化為目標(biāo)函數(shù)，以蒸發(fā)溫度和盤管尺寸為參量，建立了數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了模擬計(jì)算「3」。

　　山羽基基于蓄冷槽的分層特點(diǎn)，設(shè)定垂直方向溫度場為線性分布，忽略水平方向溫度分布的不均勻性，根據(jù)能量平衡關(guān)系，采用有限差分法，建立了溫度分層型數(shù)學(xué)模型，并對冰盤管出口溫度對冷機(jī)出力的影響進(jìn)行了修正，由此可以計(jì)算出槽內(nèi)水溫分布和制冰量「2」。

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)方貴銀根據(jù)蓄冷傳熱過程中的能量平衡關(guān)系在進(jìn)行了一系列合理假設(shè)基礎(chǔ)上建立了非線性微分方程組，對其所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了求解，得到冰層厚度（蓄冷量）與蓄冰時(shí)間的關(guān)系，并用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證「4」。

　　可以看出，目前在對冰盤管蓄冷槽進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)