动态冰蓄冷系统的融冰放冷特性

2010 年第 5 期 总第 177 期 低 温 工 程 CRYOGENICS No. 5 2010 Sum No. 177 动态冰蓄冷系统的融冰放冷特性 宋文吉 肖 睿 黄 冲 高日新 冯自平 (中国科学院广州能源研究所 广州 510640 ) (广州鑫誉蓄能有限公司 广州 510640) 摘 要:在自行建设的动态冰蓄冷中试系统基础上，以蓄冰槽为研究对象，研究融冰放冷的动态 特性。通过改变蓄冰槽初始蓄冰量、末端负荷、冷冻水流量以及蓄冰槽回水速度等参数，分析了蓄冰 槽内取水温度变化规律，得到了融冰放冷速率曲线。 关键词:热工学 冰蓄冷 融冰 放冷速率 中图分类号:TB657，TB663 文献标识码:A 文章编号:1000-6516(2010)05-0053-06 收稿日期:2010-07-08;修订日期:2010-09-25 基金项目:中国科学院知识创新工程重要方向项目(No ． KGCX2-YW-34) ，2008 粤港关键领域重点突破项目东莞专项(No． 2009205200026) ，广东省重大科技专项计划项目 (No． 2009A080305002) ，2009 粤港关键领域重点突破项目 (No． 2009A011603005)。 作者简介:宋文吉，男，32 岁，助理研究员。 Experiment of ice-melting characteristics of dynamic ice storage system Song Wenji Xiao Rui Huang Chong Gao Rixin Feng Ziping (Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China) (Senyo Energy Storage Technology Co．，Ltd．;Guangzhou 510640，China) Abstract:The ice-melting characteristics in the ice storage tank were investigated experimentally based on pilot scale test system． Some major factors，such as initial ice mass，user load，freezing water flow and return (in-tank)water flow velocity were varied in order to get the out-tank water temperature variation law． The ice-melting rate under different conditions was gained． Key words:pyrology;dynamic ice storage;ice melting;melting rate 1 引 言 动态冰蓄冷依靠制取、输送、存储冰浆达到蓄冷 目的。冰浆是由冰晶和水组成的冰水混合物，是一种 良好的蓄冷和潜热输送 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 ，一直是中央空调蓄冷及 区域供冷等领域的研究和应用热点。大面积推广使 用，可以在用户侧实现电力负荷的移峰填谷，为用户 节省空调运行费用的同时，宏观上实现节能减排。 许多学者对冰浆的制备［1-3］、流动、传热、压降［4］ 作了深入细致的研究，得出了不少有价值的结论。冰 浆的融化一般分为间接融化和直接接触式融化两种。 对于前者，相关学者对冰浆在换热器［5-6］、管道［7-8］及 容器［9-10］中流动融化的过程作了实验和理论研究，得 出了较为一致的结论。对后者研究的文献则相对较 少，对冰浆在蓄冰槽中的取冷融化过程的研究更是少 之又少。 低 温 工 程 2010 年 Shigeo Aoyama［11］等人对容器中鼓入热空气时的 冰浆融化特性作了实验研究，得到一些关于温度效 率、除湿效率和融化完成时间的经验关系式。文献 ［12］实验研究了冰在蓄冰池中融化的特性，测量了 矩形冰(近似不变大小:27 mm ×27 mm × 32 mm)、小 石子类型(颗粒大小 5—10 mm)、粒子类型(颗粒大 小 1—3 mm)的冰容积传热速率及融化持续的时间， 指出循环热水的流动速率是影响传热速率的主要因 素。 Okada M等［13］在实验中发现了融冰时的“沟道” 效应:当贮存在容器中的冰层融化时，分布在冰层上 方的进口水流易于形成一个通道贯穿冰层。一旦这 一通道形成，水流将聚集在此通道，进一步增大通道 的尺寸，因此阻止了冰层均匀融化及有效利用贮存冷 量。Kang CD［14］等人研究了水溶液和平均直径 0． 2 mm的冰粒子形成冰浆堆积床，在水的直接或间接的 喷射下的融化过程。在实验中也发现冰层中形成了 通道，喷洒在冰层上部的水几乎不能渗入冰层，而是 直接经通道流出。“沟道”效应会使融冰释冷量不能 持久满足末端负荷的要求。文献表明，对于产生“沟 道”效应的影响因素、以及融冰机理方面的探讨还很 不充分。 研究以本单位建设的动态冰蓄冷中试系统为研 究对象，通过改变初始蓄冰量、末端负荷、冷冻水流量 以及回水流速等参数，观察动态冰蓄冷融冰放冷过程 的动态特性，分析冰层融化的机理，为动态冰蓄冷融 冰系统设计提供参考。 2 实验系统 融冰实验以中国科学院广州能源研究所动态冰 蓄冷空调工程系统为实验台，该中试规模的实验系统 (最大蓄冷量 180 解释会义)主要由制冷主机 (DARKING-CUWD50A5YZ-HR)、制冰板换(定制)、 融冰板换、促晶装置(自制)、蓄冰槽(18 m3)、制冰融 冰水泵、载冷剂泵、冷却水塔、自动控制柜、测量系统 和数据采集系统等组成。系统制得的冰浆存储在蓄 冰槽内，融冰取冷初期蓄冰槽内的照片如图 1 所示， 高温回收直接喷淋到冰层上，可以看出明显的“沟 道”现象。 融冰放冷过程如图 2 所示:制冷主机关闭，用户 图 1 融冰时蓄冰槽内部实物图 Fig． 1 Photo of ice storage tank at the beginning of ice-melting 末端开启。蓄冰槽内的低温冷水被融冰水泵泵送到 融冰板换与负荷末端的高温水进行热量交换后，再流 回到蓄冰槽内融解储存的冰;负荷末端循环水在融冰 板换内获放冷量后，被冷冻水泵泵送到末端的盘管， 冷却高温的空气后，再流回融冰板换进行热量交换， 构成了融冰放冷 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 。达到实验要求时融冰过程结 束。 图 2 动态冰蓄冷空调融冰放冷原理图 Fig． 2 Schematic diagram of ice-melting process 融冰板换为板式换热器，额定换热量为 158 kW。 融冰泵、冷冻水泵型号相同，都是采用广州市第一水 泵厂生产的 GDD 型低噪声管道泵，型号为 GDD80- 32A，额定流量为 47． 7 m3 /h，功率为 7． 5 kW。实验 的数据采集系统由两部分组成: (1)蓄冰槽内的融冰 取回水温度通过 T 型热电阻来测量，测量精度为 ± 0. 5 ℃，通过 Agilent数据采集仪来采集数据，并在计 算机上显示保存; (2)取冷流量、冷冻水取回水温度 等等数据均由各个采集点采集信号后直接送入 Sie- mens可编程控制器(PLC) ，经过模数转换后输入计 45 第 5 期 动态冰蓄冷系统的融冰放冷特性 算机并显示在控制面板上。 3 结果与讨论 实验主要考察蓄冰槽内所存储的冰融尽时的槽 内取回水温度和融冰速率等主要特性参数，并对其比 较分析。 融冰放冷特性采用冰槽的取水温度、融冰速率 q 来描述，其中融冰速率定义 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 为: q = cp × ρ × G × ΔT /3 517 式中:q为时间步长内放冷量，即融冰速率，换算 单位 1RT = 3． 517 kW;cp 为水的定压比热容，4． 2 J / (kg·℃) ;ρ 为水的密度，kg /m3;G 为放冷流量，m3 / s;△T为槽内取水回水温度差，℃。 根据蓄冰槽取水温度可以将融冰放冷过程可分 为 3 个阶段:当蓄冰槽的取水温度稳定或者变化较小 时，融冰放冷处于潜热放冷阶段;当蓄冰槽内仍有冰 量剩余，取水温度有较大幅度的变化时，融冰放冷处 于混合放冷阶段;当蓄冰槽内的冰已经基本融尽，取 水温度升高趋势明显时，融冰放冷处于显热放冷阶 段。潜热放冷阶段具有取水温度低、温度变化幅度小 等优点，有利于空调或者工艺工况的控制和能量利用 效率的提高;而在显热放冷阶段，温度升高迅速，波动 值较大，不利于保证设定的工况。在冰蓄冷技术中应 尽可能长时间地使用蓄冰槽的融冰过程处于潜热放 冷或混合放冷状态，充分利用冰的相变潜热，发挥冰 蓄冷空调的优势。 3． 1 初始蓄冰量对融冰特性的影响 图 3 显示了初始蓄冰量对融冰取水温度的影响 规律。可以发现:在室外环境温度相似的条件下(测 试期间为深秋，气温较低) ，初始蓄冰量为 1． 95 t 时 (图 3a) ，潜热取冷时间为 6 个小时，混合取冷时间为 1． 5 小时左右，7． 5 小时后，蓄冰槽取水温度升高至 2． 5 ℃左右，进入显热取冷阶段。而初始蓄冰量为 1. 63 t时(图 3b) ，潜热取冷时间约为 4． 5 个小时，混 合取冷约为 1 个小时，5． 5 个小时后，取水温度升高 至 2． 5 ℃左右，进入显热取冷阶段。初始蓄冰量 M 不仅决定了蓄冷量大小，对融冰过程的 3 个阶段比例 分配也有影响。 图 3 初始蓄冰量对蓄冰槽内取回水温度的影响 Fig． 3 Effects of initial ice mass on in /out tank water temperature 图 3a中，初始时刻槽内回水温度较高，是因为开 机融冰时，用户侧管道内水温较高，造成短时间内的 负荷很大，但取水温度始终保持在较低水平(1 ℃以 内) ，说明融冰对负荷的响应性很好，可以适应负荷 在较大范围内变化，而始终保持出水温度的相对恒 定。 图 4 给出了不同初始蓄冰量下融冰放冷的融冰 效率的变化曲线。由图可见，在整个融冰放冷过程 中，两者对应的融冰效率的变化趋势相似，融冰效 率也相差不大。初始蓄冰量小，持续供冷能力差， 后期的融冰效率也有明显下降，与图 3 的规律一 致。 3． 2 不同末端负荷对融冰特性的影响 不同末端负荷侧采用开启风机数量的不同来控 制，风机开启数量分别为 6 台和 9 台。从图中可以看 出，不同末端负荷条件下的融冰放冷时，槽内的取回 55 低 温 工 程 2010 年 图 4 初始蓄冰量对融冰放冷的融冰效率的影响 Fig． 4 Effects of initial ice mass on ice-melting rate 水温度随时间的变化曲线在经历融冰开始的波动后， 融冰的取回水温度曲线趋于一致，融冰放冷的 3 个阶 段也基本上无大的差异，当蓄冰槽内的冰融尽时，槽 内的取水温度分别为 2． 65 ℃和 2． 71 ℃，蓄冰槽内的 冰融尽时的取水温度差别很小。这说明了不同的末 端负荷对融冰放冷的槽内取水温度的影响很小可以 忽略不计。 由图 6 可见，末端风机开启数量分别为 9 台和 6 台时，在整个融冰放冷过程中，两者对应的融冰速率 的变化趋势相似，时刻对应的融冰效率也相差不大， 由此可见，末端负荷对融冰放冷的融冰速率影响不 图 5 不同末端负荷对蓄冰槽内取回水温度的影响 Fig． 5 Effects of user load variation on in /out tank water temperature 图 6 末端负荷对融冰放冷的 融冰效率的影响 Fig． 6 Effects of user load variation on ice-melting rate 大。换言之，动态冰蓄冷融冰过程对负荷波动的适应 性很强，不会随负荷变化而产生巨大波动。 3． 3 不同放冷流量对融冰特性的影响 图 7 给出了不同放冷流量 Q 下蓄冰槽取回水温 度随时间的变化关系。两组实验中初始蓄冰量相同， 都为 1． 0 t，末端负荷相同都开 9 台风机。流量通过 调节变频泵来实现控制。 从图 7 可以看出，相比放冷流量为 23 m3 /h，放 冷流量为 33 m3 /h 时的融冰放冷过程的潜热阶段的 时间明显缩短，但是蓄冰槽内的冰浆融尽时，蓄冰槽 内的取水温度分别为2． 58 ℃和2． 6 ℃，槽内冰融尽 时的取水温度差别很小，这说明了不同的放冷流量对 融冰放冷的槽内取水温度的影响很小可以忽略不计。 65 第 5 期 动态冰蓄冷系统的融冰放冷特性 图 7 不同放冷流量对蓄冰槽内取回水温度的影响 Fig． 7 Effects of freezing water flow on in /out tank water temperature 从图 8 中可以得知，不同放冷流量下的融冰速率 具有相同的变化趋势，整个融冰过程的融冰速率也基 本上相同;这一结果说明了，流量减小，则蓄冰槽融冰 时的取回水温度差升高，对应小流量的取水温度高于 大流量的取水温度。整个融冰过程中放冷水流量对 蓄冰槽融冰的融冰速率的影响很小。 3． 4 不同回水流速对融冰特性的影响 两组实验中初始蓄冰量相同都为 1． 95 t，放冷流 量都为 33 m3 /h，末端负荷相同，都开 9 台风机。回 水流速的不同是通过布置不同数量的回水口来实现 的。图 9a 采用 6 个回水口，相对于蓄冰槽横截面对 称布置;图 9b采用 2 个回水口，对称布置。 图 8 放冷流量对融冰放冷的融冰效率的影响 Fig． 8 Effects of freezing water flow on ice-melting rate 图 9 回水流速对蓄冰槽内取回水温度的影响 Fig． 9 Effects on in-tank water flow velocity on in /out tank water temperature 图 9 中可以看出:随着槽内回水速度的增加，潜 热放冷阶段明显的减短，说明不同的槽内回水速度对 融冰放冷过程槽内取水温度有较大的影响。回水速 度的增加，缩短了潜热放冷和混合放冷的时间，使得 75 低 温 工 程 2010 年 融冰较早显示出显热放冷的状态。这是因为，随着槽 内回水速度的增加，“沟道”效应明显，冰层被高速水 流穿透，形成了“短路”，在这种情况下容易造成“残 冰”，即融冰不完全。这在设计融冰管路时需要尽量 避免。 图 10 为不同槽内回水速度下的融冰速率变化规 律，可以发现:初始阶段，较高的回水速度在冰层内获 得了较大的融冰速率。随着“沟道”效应的出现，冰 水换热面积迅速减小，造成融冰中期较小的融冰速 度。在 6 h附近，融冰速率有一个交叉点，认为是悬 浮的冰层在回水的冲击下突然“坍塌”，液面以上的 浮冰落入水中，改善了冰水换热。而低回水速度的融 冰过程中不会出现冰层的“坍塌”现象，因此一直保 持较为稳定的融冰速率。实验结果说明，融冰过程中 槽内回水速度对蓄冰槽融冰的融冰速率具有明显影 响。 图 10 槽内回水速度对融冰放冷的融冰效率的影响 Fig． 10 Effects of in-tank water flow velocity on ice-melting rate 4 结 论 通过对不同初始蓄冰量、不同末端负荷、不同取 冷流量以及不同槽内回水速度条件下的融冰取冷实 验的数据分析，可以得到以下结论: (1)初始蓄冰量、末端负荷以及取冷流量对于融 冰取冷特性的影响较小，即动态冰蓄冷对负荷变化的 响应能力很好，当负荷明显波动时，仍然可以保持稳 定的取水温度。 (2)蓄冰槽内回水流速对融冰取冷特性的影响 较大。较高的回水流速在增强冰水换热的同时极易 在冰层内部形成“沟道”，降低融冰速率。回水流速 可以通过合理布置出水口的数量进行优化。 参 考 文 献 1 刘永红，陈沛霖． 水平管道中冰浆流动的摩阻特性的实验研究 ［J］． 力学与实践，1997，19(6) :36-38． 2 Brooker R F，Zvara D A，VelvisR H，et al． Topical ice slurry pre- vents brain rewarming during deep hypothermic circulatory 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