2019, Vol. 35
冰蓄冷空调利用相变材料的吸热和放热，能够平衡电网负荷，实现平峰填谷功能，在建筑空调领域得到大力推广和应用［1］。蓄冰槽是冰蓄冷系统的核心设备，是相变材料和载冷剂热交换的区域，其性能优异决定了冰蓄冷系统的效率［2］。因此优化蓄冰槽换热性能是提高冰蓄冷效率的重点。目前蓄冰槽的结构形式比较成熟，主要有冰球式［3-4］和盘管式［5-6］两种。盘管式冰蓄冷设备存在冰层较厚的问题，一旦盘管表面被冰层覆盖，如同盘管壁面热阻增加，会导致传热恶化，蓄冰效率会降低［2］。冰球式蓄冰槽的传热性能相对好些，其应用也较广。冰球式蓄冰槽的结构槽内为乙二醇溶液，球内为相变材料。相变材料种类很多［7］，应用比较普遍的为纯水。冰球式蓄冰槽冰球的不同排布方式对冰球相变材料的冻结和放热过程有一定的影响。通常难以用实验方法来描述冰球相变材料的冻结和放热过程的流场和温度场，通常采用CFD (computational fluid dynamics)方法［8-9］。本文以冰球式蓄冰槽为研究对象，建立简易模型，采用数值模拟和实验验证的方法探究不同冰球排布方式对冻结和放热速率的影响，得出有益于工程应用的冰球式蓄冰槽的冰球布置形态。
1 计算模型与方法本文建立了一个蓄冰槽内有三排3×3×3的27冰球组成的简易模型。该模型长、宽、高分别为300、260、340 mm，如图1所示。冰球排列方式有顺排和错排两种。错排时第二排冰球与第一、三排交叉排列。冰球直径为80 mm，外壳材料为高密度聚乙烯，冰球内相变材料为水，蓄冰槽内载冷剂为乙二醇溶液。载冷剂采用下送上回形式，载冷剂进、出管直径均为30 mm，流速为 3 m·s−1。本文使用CAD建模并采用Gambit划分网格，网格划分采用Tet/Hybrid混合网格，顺排、错排模型网格数分别为1 516 626、1 509 504。本文以ANASYS−FLUENT作为求解工具，计算模型、边界条件和初始条件设置为：①选用k−ε湍流模型、凝固与融化模型和能量模型；②基于非稳态求解器，并选用二阶迎风格式的SIMPLE算法；③入口边界条件为速度入口，乙二醇流速为3 m·s−1；④在蓄冷工况下乙二醇进口温度为 −3 ℃，冰球初始温度为20 ℃；在释冷放热工况下乙二醇进口温度为13 ℃，冰球初始温度为−3 ℃；⑤出口边界条件为outflow自由出口；⑥蓄冰槽四周壁面为绝热。
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图 1 两种蓄冰槽3D结构 Fig.1 3D structure of two types of ice storage tank |
为验证模拟的准确性进行了单个冰球的冻结实验，同时设置与实验进、出口条件相同的模拟参数进行数值模拟，对比冻结曲线模拟值和实验值，结果如图2所示。从图中可以看出，模拟值和实验值在预冷阶段、相变阶段和过冷阶段的吻合度都很好，证明该蓄冰槽模型和数值计算方法准确可信。
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图 2 单冰球冻结曲线模拟值和实验值对比 Fig.2 Comparison between experimental and simulated results for the freezing of single spherical capsule |
冰球冻结可分为三个阶段，即预冷阶段、相变阶段和过冷阶段。在预冷阶段，冰球释放显热，温度下降；之后为相变阶段，冰球由外而内发生冻结，此时冰球中心温度恒定为0 ℃；最后当整个冰球都结冰后相变完成，中心温度继续下降，冰球进入过冷阶段。图3为顺排蓄冰槽不同切面和不同时间的温度云图。从图中可以看出：600 s时冰球已与乙二醇溶液进行了10 min热交换，冰球内部已存在明显温差，但未进入相变阶段；而4 800 s时冰球内已存在固态冰，冰球外层已发生相变，此时冰球内外层温度较小。
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图 3 顺排蓄冰槽温度分布 Fig.3 Temperature distribution in the ice storage tank with parallel arrangement |
图4为顺排、错排两种排布方式在2 400 s时的温度分布。从图中可以发现，在2 400 s时，错排时冰球内部温度场明显低于顺排时冰球内部温度场。这可能是由于错排使相邻排之间的冰球间距更大，相互之间的影响更小，从而使冰球与乙二醇溶液之间的换热效果更好。错排时相邻排之间的冰球距离为99 mm，而顺排时相邻排之间的冰球距离仅为85 mm。图5为在不同蓄冰槽内冰球的冻结曲线。从图中可以看出，采用顺排、错排方式的蓄冰槽冰球冻结时间分别为29 400、25 200 s。特别是在预冷阶段，错排时冰球冷却速率显著低于顺排时，说明错排方式使乙二醇溶液与冰球换热效率更高，尤其在冰球与乙二醇溶液温差较大的预冷阶段。图6为预冷阶段（10 200 s之前）冰球表面平均努塞尔数Nu。从图中可以发现，1 800 s之后错排时冰球的表面平均Nu显著大于顺排时的。
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图 4 2 400 s 时顺排、错排蓄冰槽温度场 Fig.4 Temperature distribution in the ice storage tank with parallel arrangement ，staggered capsules at 2 400 s |
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图 5 冰球不同排布方式的冻结曲线 Fig.5 Freezing curves for the spherical capsules with different arrangements |
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图 6 预冷阶段冰球表面平均Nu Fig.6 Average Nu number on the surface of spherical capsules during pre-cooling process |
本文对蓄冰槽释冷放热过程进行了数值模拟，探究了不同排布方式对蓄冰球解冻速率的影响。不同排布方式蓄冰槽的冰球解冻曲线如图7所示。从图中可以看出，错排时蓄冰槽的冰球融化时间要小于顺排时蓄冰槽的冰球融化时间。另外，对比图5可以发现，冰球解冻阶段的相变时间比冻结阶段的相变时间要短。这是因为在冻结过程中，乙二醇进口温度为−3 ℃，而解冻时，乙二醇进口温度为13 ℃，相变温度为0 ℃不变，从而解冻过程的温差较大，换热系数较大。在解冻后的显热换热阶段，由于换热温差，显热换热时长也显著大于冻结过程的预冷阶段，解冻阶段不同排布方式的差异也不明显。
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图 7 冰球不同排布方式的解冻曲线 Fig.7 Thawing curves for the spherical capsules with different arrangements |
本文采用CFD数值模拟的方法，通过建立简易蓄冰槽模型，对比了错排、顺排两种排布方式的蓄冰槽内的冰球冻结冻结和解冻曲线，主要结论为：
（1）采用错排方式的蓄冰槽冰球的冻结速率较快，顺排、错排方式的蓄冰槽冰球冻结时间分别为29 400、25 200 s，错排时蓄冰槽冰球冻结时间仅为顺排时的86%。
（2）错排方式使相邻排之间的冰球距离从85 mm 增加到 99 mm，这有利于提高冰球与乙二醇溶液之间的热交换。特别在预冷阶段，错排方式冰球表面平均Nu显著大于顺排方式的，缩短了冰球在预冷阶段的冷却时间，提高了冰球冻结效率。
（3）在蓄冷槽释冷放热过程中，在相变阶段错排方式的时长要明显小于顺排方式的，而在冰球融化后的显热阶段，由于换热温差很小，导致两种方式对乙二醇的冷却速率影响不大。
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