制冰桶結構對制冰性能影響的數值模擬分析研究

杜玉吉 周長江 丁為俊 郭保倉

中節能城市節能研究院有限公司

0 引言

發展冰蓄冷空調是實現電力移峰填谷主要手段之一。國內外學者已對靜態蓄冰系統的設備結構[1-3]、傳熱特性[4-7]、技術經濟性[6，8-9]等方面展開研究，發現由于冰的導熱系數小，冰層越厚，熱阻越大，制冷機的性能系數也越低。因此，學者紛紛將目光轉移到動態制冰領域。

目前動態制冰主要有壁面刮削法、直接接觸法、流化床法、真空法、過冷水法等，其中：壁面刮削技術耗電量大，刮刀需要定期更換[10]。流化床制冰裝置對運行條件要求很高，且要防止換熱管冰堵[11]。直接接觸法存在冷媒與水的分離問題[12]。真空制冰法對氣密性及真空度要求很高，系統復雜，能耗高[13]。

本文借鑒工業鹽水制冰方法[14]，提出冰桶動態制冰工藝，針對制冰桶結構對蓄冰過程的影響進行了模擬分析。

1 新型動態制冰系統

冰桶動態制冰工藝流程如圖1 所示。該裝置包括制冰機組，布水泵，蓄冰槽，末端供水泵和制冰桶等。布水泵8 從蓄冰槽6 底部抽水，通過注水孔送至各個制冰桶，壓縮機1 將蒸發器出來的制冷劑氣體壓縮成高溫高壓的制冷劑氣體，高溫高壓氣體進入冷凝器2進行冷凝放熱，通過節流閥3 絕熱節流將高壓制冷劑液體變成低壓制冷劑液體，低溫低壓制冷劑液體進入蒸發器進行氣化吸熱，從而完成一個循環。

圖1 冰桶動態制冰工藝流程圖

冰桶內的水不斷被降溫并進行結冰，生成冰水混合物，當冰層厚度達到設定值時，停止結冰，通過打開冰桶底部翻板，冰桶內的冰水混合物借助自重脫落進入蓄冰槽。整個脫冰過程無需借助輔助熱源，不會對冷凝器換熱效率產生影響，避免了制冰中間環節的冷量損失，單位時間制冰量大。且該制冰方式區別于靜態制冰，無需將制冰桶內的水凍結成整塊冰再脫模，機組蒸發溫度不會隨著冰層的持續加厚而不斷降低。當冰層厚度達到設定值時即可將冰水混合物倒入蓄冰槽內，提高了制冰效率。

為防止冰桶內側冰層倒不下來，可以考慮引入高溫制冷劑脫冰。電動三通閥10 從冷凝器出口引部分溫度較高的液態制冷劑送入制冰桶4，使緊貼冰桶部分的冰融化脫落，再讓冰層靠自重滑落進入蓄冰槽6內。脫冰時，脫冰熱量引至冷凝器出口溫度較高的液態制冷劑，脫冰后制冷劑被過冷，然后直接進入膨脹閥進行膨脹，重新進入下一輪制冰循環，相當于在冷凝器和膨脹閥之間安裝了過冷器，不但可以增加機組的制冰量，還不影響冷凝器的換熱效率。由于制得的冰具有較大的表面積，換熱效率高，因此該蓄冷系統可獲得較高的釋冷速率。

2 模型構建

2.1 制冰桶數學模型

制冰桶體積的大小將會影響冰塊凍結速度，制冰桶尺寸大小直接決定了冰塊尺寸大小。當冰塊過厚時，冰塊凍結時間過長，且影響冰塊脫模。當冰塊過薄時，凍結時間將縮短，但機組運行效率低。

制冰時間計算公式：

式中：t 為水在冰桶中的凍結時間，h；δ 為冰塊上端的厚度，m；ty為制冷劑溫度，℃；A、B 為冰塊的特性系數。

由公式可知，冰塊的凍結時間只與冰的厚度的平方成正比，而與冰塊的高度關系不大，為此，在盡量保持冰的使用厚度的前提下，盡量減小其厚度，而增加其高度。在制冰桶體積不變的情況下，加大冰桶的表面積對加速結冰是一個有效的因素。

2.2 制冰桶物理模型

傳統矩形制冰桶結構，易導致結冰速度不均勻，制冰時間周期長，制冰效率低，倒冰困難等問題。本文將制冰桶制成頂部小，底部大結構形式，上口用角鋼圍邊，采用304 不銹鋼材質，此種結構形式便于脫模，制冰效率高。

本文考慮三種制冰桶截面形式，分別是：矩形截面制冰桶、近橢圓形截面制冰桶、近菱形截面制冰桶。采用Fluent 建立的物理模型及尺寸如圖（2）所示。

圖2 三種截面形狀的冰桶

3 結果與分析

3.1 不同截面形狀對制冰性能的影響

在冰桶內水溫設置為0.2 ℃和壁面溫度設置為-10℃的邊界條件下，模擬結果如圖3 所示。從圖3（a）中可以看到在此邊界條件下，三種形狀制冰桶內的平均溫度均隨時間的延長而降低，但是相同時間內近棱形截面冰桶結構桶內溫度下降最大，如制冰時間為30 min 時矩形與近橢圓形截面制冰桶內平均溫度接近，約為272.2 K，近菱形截面制冰桶內平均溫度約為272.1 K，相差0.1 ℃。類似的，隨著制冰時間的延長，三種形狀制冰桶內的液相體積分數也隨之降低，但在相同時間近橢圓形截面制冰桶內液相體積分數要明顯低于其余兩種（圖3（b）），說明在相同時間內近橢圓形截面制冰桶的制冰速度要優于矩形與近菱形。

圖3 制冰桶截面形狀對制冰過程的影響

圖4 為制冰30 min 時不同形狀冰桶側壁的結冰厚度情況。根據圖中結果可以看出，三種冰桶在X 軸中心面方向的結冰厚度相近，在20 mm 左右，但在Y軸中心面方向上近菱形截面冰桶的結冰厚度為56 mm，要優于矩形及近菱形冰桶。

圖4 制冰30 min 后制冰桶側壁結冰厚度

根據模擬結果，近棱形截面制冰桶的制冰性要顯著優于矩形及近菱形制冰桶。

3.2 不同傾角對制冰性能的影響

除了截面形狀外，冰桶的傾角也對制冰性能有影響。制冰桶的傾角如圖5 所示，采用Fluent 軟件對制冰桶的傾角角度對制冰性能的影響進行了模擬，為減少模擬的時間，以前述的Y 軸中心面來代替整個冰桶，模擬邊界條件與前述一致。

圖5 不同傾角的制冰桶模擬結構參數

模擬結果如圖6 所示。圖6（a）和圖6（b）分別展示了在不同傾角角度下冰桶內平均溫度、液相體積分數隨時間的變化，模擬結果表明制冰桶傾角越大，內部溫度下降越快。結冰速度越快。

圖6 不同傾角對制冰過程的影響

圖7 展示了不同傾角下冰桶內側壁結冰厚度及結冰厚度占寬度的比例，基本規律是冰桶傾角越大，側壁結冰厚度越大，制冰厚度占寬度的比例越大。綜合來看，近菱形制冰桶的傾角應極可能的大。

圖7 制冰15 min 后制冰桶內側壁結冰厚度及結冰厚度占寬度的比例

4 討論

本文提出一種冰桶動態制冰系統，并通過Fluent模擬不同冰桶截面形式和傾角對制冰性能的影響。模擬結果顯示，近棱形截面制冰桶的制冰性能最佳，且近棱形截面的傾角越大，制冰性能越好。以上結果沒有考慮這些參數對脫冰性能的影響，需要在后續研究中研究此問題。

此外，在冰蓄冷制冰循環中，制冰時間的控制是相當重要的。制冰時間太長，隨著冰層的加厚，低溫制冷劑（載冷劑）的冷量傳遞會受到越來越大的影響，在一定時間內所結的冰量會越來越少。制冰時間太短，制冷機組會頻繁的進行脫冰，制冰量會受到影響。因此，還需要進一步的研究控制制冰時間，才能更好的提高制冰效率。

本文提出的冰桶動態制冰系統，從形式上來說是以載冷劑作為中間冷媒制冰的。在冰蓄冷空調中最常用的載冷劑有氯化鈣和乙二醇水溶液，兩種溶液都適用于本文提出的新型動態蓄能裝置的應用溫度范圍，雖然乙二醇密度和粘度比氯化鈣小，運行時耗功較小，且對設備的腐蝕要比氯化鈣小，但其也要添加緩蝕劑才能避免腐蝕,且乙二醇價格昂貴、又易揮發，運行時損耗嚴重，對人體也有毒害。因此，盡管氯化鈣腐蝕性相對乙二醇要嚴重，但它廉價易得、損耗小、無毒、工藝成熟，添加緩蝕劑后也能抑制其對設備的腐蝕，因此用氯化鈣水溶液作為新型動態蓄冷裝置的載冷劑更合適。

5 結論

針對當前動態制冰技術存在的一些問題，本文提出了冰桶動態制冰新路線，并且就制冰桶結構對制冰過程的影響進行了模擬分析，主要結論有：

1）該工藝路線中冰桶底部設計有翻板，當冰層厚度達到設定值時，冰桶底部翻板自動打開，冰桶內的冰水混合物借助自重脫落進入蓄冰槽，具備動態制冰的特點。

2）利用Fluent 軟件模擬分析不同截面形狀冰桶及不同傾角對制冰性能的影響，結果發現近棱形截面的制冰桶制冰性能最佳，且傾角設計應盡可能大。

3）載冷劑的選擇優先考慮氯化鈣水溶液。