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水平流场外融冰系统取冷特性的研究 Study on Discharging Characteristics of External melt Ice-on-coil Thermal Storage System 刘淑娟 张风琴 （济南铁道职业技术学院 ） 摘 要：本文在ASHRAE-RP-459外融冰取冷数学模型基础上提出一个简化模型，并搭建实验台对此简化模型进行了验证。同时，得出了有空气搅拌情况下水平流场外融冰的取冷特性和流场温度变化情况，并比较了有无空气搅拌的温度场随取冷周期的变化情况。 关键词：外融冰 取冷特性 水平流场 0 引言 外融冰系统因其可长期稳定取出低温水，实现大温差供水、与低温送风相结合，而越来越多的引起工程应用者的注意。但由于外融冰系统取冷过程是水冰界面直接接触，且槽中水体处于流动状态，换热过程为相变换热和对流换热的耦合，热交换机理比较复杂而至今没有数值求解。因此，为了寻找可指导工程应用的资料，研究学者多采用工程测试或实验的方式得出外融冰的取冷特性[1][2][3]。 对于实验研究，主要代表有日本名古屋大学、清华大学建筑技术科学系建筑环境与设备研究所、浙江大学制冷与低温研究所等。但他们的研究主要集中于垂直流场系统[4][5][6][7][8]，即冰槽进出水为上进下出或者下进上出的形式，而目前的工程应用中冰槽主要为水平流场，因此这些实验结果对实际工程参考意义不大。 为了得到与工程实践更接近的取冷特性，本课题在ASHRAE-RP-459[9]外融冰取冷模型基础上提出一个简化模型。在此方程指导下搭建了水平流场外融冰取冷实验台，验证了此方程并得出了外融冰取冷特性的相关结论，同时比较了有无空气搅拌的槽内温度场随取冷时间的变化情况。 1 数学模型介绍 ASHRAE-RP-459外融冰取冷模型中把冰槽内的水体（除了盘管和冰以外）作为控制体，采用总体能量平衡法。假设槽内温度分布均匀一致，融冰量随取冷时间变化均匀。 图1 RP-459模型原理图 由槽内能量守恒可知： （1） 其中：：由冷冻回水温差所带入到槽内的能量；：由外环境传递给槽的能量；：由空气搅拌设备带给冰槽的总能量；：时间步长内冰槽内内能变化； ，由水体传给冰体的能量。 将此模型简化，忽略搅拌换热、冰槽的热损失，改变的物理含义，同样以冰槽水体作为控制体。整个冰槽内能量守恒，即某一时刻空调回水带入槽内能量的增加与冰槽内融冰消耗的潜能之和等于该时刻冰槽内水体能量的变化，其守恒方程为： （2） 其中，和同上模型；，；；，即计算时间步长内，融冰质量与水体增加质量相同，代入（2）可得： （3） 其中：：冰槽进口水流量，m3/h；：冰槽进口水温度，℃；：冰槽出口水温度，℃；：水体质量，kg；：冰质量，kg。 2 实验原理与实验方案 由于实验规模的限制，本实验采用直接蒸发式系统，蒸发器为结冰盘管。本实验主要分为制冷循环（充冷循环）、取冷循环和测试系统三部分。实验原理及流场温度取点位置见图2、3： 图2 实验系统原理图 图3 流场测温取点位置 本实验台的冰槽尺寸为：1.35m（长）×0.45m（宽）×1.1m（高），盘管外径25mm，长32m，名义蓄冷量3.6RT，进出口方向如图3。 根据某工程的实际运行参数，确定本实验的标准实验工况为融冰8小时，冰槽进水温度分别为8℃、9℃、10℃；假设取冷周期内融冰均匀，并将此温度带入数学模型（3）确定相对应进口水流量为200L/h、180L/h、160 L/h为三个标准试验工况；在此基础上参考文献[10]和能量守恒关系确定了9种不同流量和温度的组合作为实验工况。 温度场温度由精度℃的热电偶测量，使用FLUCK数据采集仪采集测点数据，进水流量由精度1.5级玻璃转子流量计控制。 3、实验结果及其分析 3.1 取冷各工况特性 本实验做了结冰厚度约为28mm的七种工况以及结冰厚度25mm有无空气搅拌的两种工况并进行了比较，各取冷率和平均出水温度分别如下： 表一、各工况比较 工 况160L/h 10℃180L/h 9℃200L/h 8℃180L/h 8℃180L/h 10℃160L/h 9℃200L/h 9℃180L/h 9℃ 25mm180L/h 9℃ 25mm，无搅蓄冷量（RT）3.633.633.183.533.633.363.352.462.48 累计取冷量（RT）3.363.553.262.973.543.083.43.142.75累计取冷率（%）91.297.8102.584.197.59