蓄冷材料應用于艦船空調的數值仿真

李 鵬，吳贊俠

● （1.海軍駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，上海 201913；2.舟山海軍監修室，舟山 316000）

蓄冷材料應用于艦船空調的數值仿真

李 鵬1，吳贊俠2

● （1.海軍駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，上海 201913；2.舟山海軍監修室，舟山 316000）

為了研究蓄冷材料在艦船空調系統中的應用，分別對冰和某型高溫相變蓄冷球兩種材料的蓄釋冷過程用有限元分析方法進行了模擬仿真，找出蓄冷量和蓄釋冷時間的變化規律，并分析比較兩種材料的蓄釋冷的性能，結果表明：采用高溫相變材料，其蓄冷周期短，制冷機組相對較節能，可滿足水面艦船蓄冷空調的要求。

蓄冷空調；冰蓄冷；高溫相變蓄冷材料；有限元法；數值模擬

0 引言

艦船使用蓄冷空調對于艦船節能和提高續航力意義重大，文獻[1][2]提出了在潛艇上使用蓄冷空調的方案，根據其研究結果，如在水面艦船應用蓄冷空調將會提高艦船的戰技性能，水面艦船對設備重量和體積有著特定的要求，而蓄冷材料對蓄冷空調的性能有重要的影響，因此選擇何種蓄冷材料是較為重要的。

蓄冷空調目前主要為水蓄冷和冰蓄冷，對其他蓄冷材料如：共晶鹽蓄冷、氣體水合物蓄冷等國內外均有研究。冰蓄冷在工程中應用較為廣泛，優點是其相變潛熱高，技術相對較為成熟，缺點是由于蒸發溫度低（-10℃～-8℃），使得空調的制冷系數COP和制冷量大幅度降低。而高溫相變材料蓄冷系統的相變溫度相對較高，在空調工況下，能較好地和蒸發溫度匹配，原有制冷機組及空調系統基本不需要改動，而且冷損失小、制冷機COP值大，該蓄冷材料可滿足艦船蓄冷空調的要求。系統中，蓄冷材料常用的封裝形式是蓄冷球，下面對某種高溫相變材料[3]蓄冷球的蓄釋冷過程有限元分析方法進行了模擬仿真，分析其蓄釋冷性能，研究在艦船上的適應性。

1 建立數學模型

計算中采用直徑為50mm的蓄冷球，蓄冷時，低溫的冷媒水流過蓄冷球表面，吸收球內的熱量，使得蓄冷材料由球壁向球內逐漸凝固，直至整個蓄冷材料完全發生相變。釋冷時，空調流回的冷媒水流過蓄冷球表面吸收蓄冷球的熱量，蓄冷材料由球壁向球內逐漸融化，直至完全發生相變。因傳熱過程較為復雜，同時存在導熱和對流換熱，各項物性參數會發生變化，為方便分析計算，考慮主要因素，所以對蓄冷材料及傳熱作如下假設：

1）蓄冷材料固液兩相物理性能不隨溫度變化，即比熱、導熱系數、密度均為常數。

2）熱量的傳遞以導熱為主，忽略對流換熱。

3）相變從外層到內層發生，相界面在相變過程中溫度恒定。

根據上述假設，數學模型為：

初始條件：T（r , 0）=T0（0 ≤r≤R）

式中，T為蓄冷球的溫度，℃；t為蓄釋冷時間，s；Cps、Cp1為蓄冷材料的固、液相比熱，J／(kg·℃)；λs、λ1為蓄冷材料的固、液相導熱系數，w／(m·℃)；ρs、ρ1為蓄冷材料的固、液相密度，kg／m3；R為蓄冷球的半徑，m；L為蓄冷材料的固、液相變潛熱，J／kg；Tf為冷媒水的溫度，℃。

2 單元模型的建立和求解

采用ANSYS建立單元模型，基于有限元分析方法求解，并對結果進行分析比較。

2.1 建立單元模型和參數的設置

單元模型見如圖1，其以1/4圓扇面作為分析模型，采用PLANE55單元類型，采用自由網格劃分，精度選擇為1，軸對稱方式求解。

圖1 單元模型

兩種蓄冷材料的物理性能參數如表1所示。

表1 兩種蓄冷材料參數

表2 兩種蓄冷材料溫度變化的焓值

2.2 加載求解

選用ANSYS的二維熱分析單元PLANE5進行非線性的瞬態熱計算和分析，便捷條件和加載見表3。

表3 兩種蓄冷材料的初始值及載荷

選取第一類邊界條件，采用分析類型為“Transient”，對幾何模型施加溫度載荷并設定載荷選項，冰蓄釋冷和高溫相變材料蓄釋冷模擬時間分別為8000s和1000s；自動時間步長選項設定為on，時間步長為20s，最小步長、最大步長分別為10s、30s，選用lines search，加載求解穩定收斂。

2.3 數值仿真的結果

計算完成后進行后處理，蓄冷過程的相變末期時刻云圖如圖2所示。蓄冷過程中兩種蓄冷材料球心處溫度和時間曲線見圖3。釋冷過程的相變末期時刻云圖如圖4所示。釋冷過程兩種蓄冷材料球心處溫度和時間曲線見圖5。

圖2 相變末期時刻云圖

圖3 兩種蓄冷材料球心處溫度和時間曲線

圖4 相變末期時刻云圖

圖5 兩種蓄冷材料球心處溫度和時間曲線

3 數值仿真的結果和分析

考慮艦船要求，蓄冷球體積相同更具有實際意義，在相同溫差條件下對兩種蓄冷材料進行計算，用單個球蓄冷量進行比較，仿真計算的結果及分析如下。

3.1 蓄冷過程的結果和分析

兩種蓄冷材料單個球蓄冷量、時間(蓄冷球從初始溫度降到低于相變溫度1℃的時間)、速度對比見表4。

表4 蓄冷過程性能對比

從表4可知，在相同體積條件下，冰蓄冷和高溫相變材料蓄冷相比，冰蓄冷的蓄冷量大，蓄冷時間長，蓄冷速度低，這主要是因為冰蓄冷潛熱高，但是導熱率較低?？梢娫谛罾鋾r間相同的情況下，高溫相變材料的蓄冷量相對要更大。

3.2 釋冷過程的結果和分析

兩種蓄冷材料單個球釋冷量、時間(從初始溫度到高于相變溫度1℃的時間)、速度對比見表5。

表5 釋冷性能對比

從表5可知，在相同體積條件下，冰蓄冷和高溫相變蓄相比，冰蓄冷得冷釋冷量高，釋冷時間要長，所以冰蓄冷的釋冷性好。但制冷機組在蓄冷工況時，蒸發溫度越低，制冷系數COP和制冷量越低，一般每下降1℃，COP下降3%左右，而冰蓄冷要比高溫相變材料低8℃左右，因此冰蓄冷相對耗電多近30%，制冷量低約一半，這將不利于艦船的節能和提高續航力。

4 結束語

1）綜上所述，與冰蓄冷相比，采用高溫相變材料，可提高制冷機組的制冷系數，同時由于和空調工況所需蒸發溫度相近，可使用單工況制冷機組，減少了設備的復雜性，有利于提高艦船的續航力。

2）盡管高溫蓄冷材料的蓄冷量小，但其蓄冷時間短，可以采用加快循環周期的方法彌補蓄冷量不足，以滿足艦艇空調的要求。

3）如何提高高溫相變蓄冷材料的潛熱以及延長釋冷時間，達到進一步節能，是有待解決的關鍵技術。

[1] 曾強洪, 吳鋼. 蓄冷技術應用于常規潛艇的方案設計[J]. 制冷空調, 2006, 34(11): 53-56.

[2] 吳鋼, 曾強洪. 利用蓄冷空調提高潛艇水下續航力研究[J]. 船海工程, 2006(6).

[3] 羅智特, 杜雁霞, 賈代勇. 相變材料蓄冷球蓄冷過程的數值模擬[J]. 制冷空調, 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

李鵬（1968-），男，工程師、碩士。研究方向：:輪機工程。