盤管式蓄冰槽盤管排列方式的傳熱特性

方沛明，宛 超，辛天龍

（1.廣東力優環境系統股份有限公司，廣東 東莞 523917；2.中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙 410083）

1 引言

隨著經濟的發展、城市規模的擴大和用電結構的改變，城市以及地區電網晝夜電力負荷差值越來越大，高峰負荷呈現了明顯的快速增長趨勢。蓄冷技術就是在此背景下獲得了較大的發展[1～6]。蓄冷槽作為蓄冷系統中十分重要的部件，具有多種形式，內融冰盤管式蓄冰槽是工程中應用較多的一種形式。蓄冰槽的性能好壞直接關系到整個冰蓄冷系統的性能，蓄冰槽傳熱模型的建立是蓄冰槽傳熱性能研究的基礎，因此作者對蓄冰槽的傳熱過程進行了模擬分析研究，以期有助于指導蓄冰槽的設計和運行控制的優化。

2 模型建立

對蓄冰槽的換熱進行理論研究，運用數值方法建立蓄冰槽的靜態和動態數學模型，研究蓄冷介質的物性及流動條件、蓄冰槽的幾何尺寸對蓄冷釋冷過程的影響，掌握固-液界面的變化規律，對于系統運行性能的預測、控制方式的確定以及整個系統的優化有著十分重要的意義[7,8]。

蓄冰槽的蓄冰、融冰過程屬于三維非穩態過程，建立真正的三維非穩態模型是十分困難的。建立的模型一般為單管模型或雙管模型，單管模型中假定每根盤管處于無限大空間，忽略相鄰盤管對換熱的影響；雙管模型比單管模型準確一些，考慮了2根盤管的相互影響，在約束蓄冷階段考慮了冰層搭接對換熱的影響，在融冰階段考慮了水層搭接后對換熱的影響。而實際上，蓄冰槽中換熱盤管通常是叉排或順排的情況，單管或雙管模型均沒有充分考慮到相鄰盤管對換熱的影響。九管模型既能簡單而準確地反映蓄冰槽的換熱實質，又能為蓄冰槽的設計提供依據，所以作者建立模型時將盤管簡化為長直管，在模型中以順排的盤管束為基礎，建立了九管模型，如圖1所示。

圖1 蓄冰槽及U形盤管結構布置示意圖

從分析可以看出，由于蓄冰槽中的傳熱過程非常復雜，在模型建立過程中必須作相應的假設。這些假設如下：

1）在計算每一微元段的換熱時，把時間間隔取得較小，可以認為此時的換熱是準穩態過程；2）忽略乙二醇溶液流動方向的傳熱，認為傳熱僅發生在徑向；3）在計算傳熱時，認為管外發生的是自然對流換熱，忽略自然對流對冰層或水層形狀的影響；4）忽略結冰或融冰過程中冰與水的體積變化，但在計算換熱時考慮不同狀態時的密度、導熱系數、黏度等物性參數的變化；5）冰水界面恒定為0℃；6）忽略蓄冰槽的熱損失，即認為槽體絕熱；7）在介質各相中，物性參數均勻分布。

在建立的模型上采用ANSYS軟件計算溫度場的分布，可大致對模型的傳熱特性進行分析，選取同一管徑，對4種不同的管間距以及順排和叉排的圓管管束進行比較。相變材料為水，采用自動網格劃分，劃分精度為3，計算過程為瞬態計算，計算時間l0 000 s，時間步30 s，最小時間步30 s，最大時間步100 s；line search選項為On，初始溫度為5℃。計算結果用等值云圖來體現，溫度的高低對應其下面的溫度顏色對應條，非常直觀，計算結論與實際溫度場必然會有區別，但作者感興趣的是在相同邊界條件下，不同布管方式所體現出來傳熱特性，從而作出評價。

所建蓄冰槽幾何模型為170 mm×170 mm的正方形，圓管直徑為R，順排管間距為a，叉排管間距為b，a、b都有4種取值，分別為30 mm，35 mm，40 mm，45 mm。在用ANSYS模擬分析時，物性參數的設置0℃以上為水，0℃及0℃以下為冰。其物性參數設置如表1所列。

表1 物性參數表

3 蓄冰槽的性能模擬研究

蓄冰槽的性能比較復雜，影響因素較多，包括蓄冷介質的初始溫度、載冷劑的溫度、管徑大小、管間距大小等，而這些影響因素之間往往又是相互耦合的。為了使研究更加簡單，在研究過程中，每次模擬采用固定其他變量，僅針對一個變量進行研究。作者研究的重點是蓄冰槽的溫度場。

圖2 a=30 mm的等值云圖

圖3 a=35 mm的等值云圖

3.1 順排時不同管間距時的溫度場比較

U形管管束順排，管內流動的為-5℃的乙二醇溶液，流速5 kg/s，在忽略管軸向傳熱的前提下可直接設定圓管邊界溫度為-5℃，U形管直徑為10 mm，U形管管間距分別為30 mm、35 mm、40 mm、45 mm。

圖4 a=40 mm的等值云圖

圖5 a=45 mm的等值云圖

模擬結果見圖2至圖5，由經過相同時間10 000 s后的等值云圖可以看出，蓄冰槽內間距越小，中心溫度越低，四周溫度越高，蓄冰槽溫度梯度越大；根據假設水在0℃即結冰，4種情況都存在冰橋搭接；管間距越小，冰橋搭接越早；根據假設搭接冰層無熱傳導，換熱面積減少則導致傳熱特性的下降。比較可得，管間距越大換熱效果越好，蓄冰槽整個溫度場分布越均勻。當時間充分、蓄冰槽體積一定、U形管直徑和數量相同時，管間距越大，蓄冰量就越大。4種條件下，蓄冰槽內的最低溫度都為-5℃，管間距最小時，它的最高溫度為-0.17℃，溫差達到約5℃；管間距最大時，最高溫度為-4.91℃，溫差幾乎可以忽略不計，其余2種情況介于最大與最小管間距之間。

3.2 叉排時不同管間距時的溫度場比較

U形管管束叉排，實驗外部條件同順排。見圖6至圖9，由經過相同時間10 000 s后的等值云圖可以看出，模擬結果大體同順排相似。蓄冰槽內間距越小，中心溫度越低，四周溫度越高，蓄冰槽溫度梯度越大；根據假設水在0℃即結冰，4種情況都存在冰橋搭接；管間距越小，冰橋搭接越早；根據假設搭接冰層無熱傳導，換熱面積減小則導致傳熱特性的下降。比較可得，管間距越大換熱效果越好，蓄冰槽整個溫度場分布越均勻。當時間充分、蓄冰槽體積一定、U形管直徑和數量相同時，管間距越大蓄冰量就越大。4種條件下，蓄冰槽內的最低溫度都為-5℃，管間距最小時，最高溫度為-0.06℃，溫差達到近5℃；管間距最大時，其最高溫度為-4.56℃；其余2種情況介于最大與最小管間距之間，溫度場的分布波動較大，隨著管間距的增大愈趨于均勻。

4 結論

通過模擬結果可以得出，盤管直徑的變化對蓄冷、放冷過程的影響并不大。產生這種結果主要因為盤管直徑較小時，需要的盤管數量幾乎不變，故換熱面積同樣不變，所以盤管直徑的變化對蓄冰槽的換熱性能影響不大。比較順排和叉排2種不同的結構布置方式，可以看出：

1）蓄冰槽內間距越小，中心溫度越低，四周溫度越高，蓄冰槽溫度梯度越大；

2）根據假設水在0℃即結冰，4種情況都存在冰橋搭接，且管間距越小，冰橋搭接越早；

3）管間距越大換熱效果越好，蓄冰槽整個溫度場分布越均勻；

4）當時間充分、蓄冰槽體積一定、U形管直徑和數量相同時，管間距越大蓄冰量就越大；

5）順排時整個蓄冰槽內溫度場分布呈對稱狀態，順排時蓄冰槽內的溫度場分布更均勻。

總之，U形管順排一方面簡化了布置方式，同時滿足溫度場均勻的要求，所以采用順排的布置方式比叉排更有利于蓄冰槽的性能改進。選擇合適的結構參數及排列方式的蓄冰槽才能使蓄冷系統真正達到高效運行的目的。

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