摘 要：通过不完全冻结式冰盘管融冰过程的实验研究，分析了水平排列管束外环水温度的变化特性，得出了融冰后期环水升温的过程存在一个升温平台的结论，进而研究了不同初始蓄冰量等因素对环水温度变化特性的影响。
关键词：冰蓄冷；不完全冻结；融冰过程
Temperature variation in surrounding water during discharge for
apartially charged iceoncoil thermal storage tank
LI Haijun, CHEN Guobang, WU Guangqing
(Institute of Refrigeration and Cryogenic Engineering, Zhejiang University ,
Ha ngzhou 310027, China)
Abstract: The experimental investigations for the partial charged method of internal melt iceoncoil during a discharging cycle were carried out. Characteri stics of water temperature variation around the tubes aligned horizontally in the tank were analyzed. The experimental results show that the increasing process of water temperature in surroundings will stagnate by the end of a discharging cycle. Then this paper makes a further research of the effects of initial ice storage capacity and other factors on the characteristics of water temperature variation in surroundings.
Keywords: ice storage tank; partial charging; discharging cycle
0引言
冰蓄冷空调技术，是在电力负荷较低的夜间用电低谷期采用制冷机制冷，利用冰的潜热特性，将冷量储存起来，在电力负荷较高的白天用电高峰期，把冰中储存的冷量释放出来满足建筑物空调或生产工艺的要求，从而达到转移尖峰电力负荷、节省电费和降低设备容量等目的 。
在当前使用的多种蓄冰系统中，内融冰盘管式蓄冰槽具有可靠性好、制冰率(Ice Packing Factor，简称IPF)高、融冰速率快等优点，因此得到了广泛的应用。内融式冰盘管在制冰和融冰过程中，蓄冰槽内部的水静止不动，只借助于盘管内的载冷剂的温度变化来实现制冰和融冰，与蓄冰结束时蓄冰槽内需保持50％以上冷水预备抽水融冰的外融冰盘管式冰蓄冷系统相比[1]，内融冰盘管式冰蓄冷系统在蓄冰时蓄冰槽内不需预留用以抽水融冰的冷水，从而系统具有较高的制冰率，可以达到70%以上[1]，因此这种内融式冰盘管有时候也被称为完全 冻结式冰盘管。但是，在完全冻结式冰盘管的融冰过程中，融冰主要靠紧贴盘管外壁面已融 化的水与未融化的冰之间的自然对流和已融化的水的导热来进行换热（如图1a所示）。随着融冰过程的进行，盘管外表面与冰之间的水层逐渐变厚，使得换热热阻逐渐增大（主要是水的导热热阻增大），使得盘管出口温度逐渐升高，而融冰速率逐渐变小。尤其是在融冰过程后期，蓄冰槽内的余冰难以融化，冷量难以完全释放，文献2、3中的实验结果均说明了这一点。为了克服完全冻结式冰盘管这一缺点，文献4提出不完全冻结式冰盘管这一概念，它是指在蓄冰结束后，在蓄冰槽内水平排列的管束周围还存在少量液态水（以下简称环水，如图1b所示），融冰时在这部分环水的浮力作用下，冰层与盘管的底部能保持良好接触，从而改善载冷剂与冰水之间的传热性能，保证稳定的融冰速率和较低的载冷剂出口温度。由于蓄冰结束时须保留少量液态水，该系统的制冰率较完全冻结式低，但具有融冰速度快、出口温度低等优点。
从图1b中可以看出，在不完全冻结式融冰过程中，冰层外表面与静态环水之间的换热方式主 要是自然对流。由于融冰过程中盘管紧贴着冰层底部，冰层比完全冻结式融破得早（过程3），而冰层破碎后形成的碎冰上浮促进了蓄冰槽内环水的自然对流换热（过程4），进而对蓄冰槽的整体传热性能产生一定的影响。研究管束外环水温度的变化特性有助于深入理解不完全冻结式冰盘管的融冰特性。因此，本文实验研究了不完全冻结式冰盘管融冰过程中环水温度的变化特性，并在此基础上讨论了初始蓄冰量等因素对环水温度变化特性的影响。
1实验设备简介
本文为验证模型而搭建的实验台主要由制冷主机和蓄冰设备两部分构成，图2a为系统流程简图。制冷主机为双工况风冷机组，名义制冷量17.6kW。在外形尺寸3.1m×0.7m×1.6m、内部尺寸为2.8m×0.45m×1.3m的蓄冰槽内，置有4根水平排列、长度均为85m的蛇形盘管，相邻盘管的水平间距为40mm，垂直间距为80mm，盘管外径为20mm，壁厚2mm。温度传感器T1、T2分别用以测量蓄冰槽进出口的载冷剂（容积浓度为25％的乙二醇水溶液）温度，压力传感器P3测 量蓄冰槽内水的液位，从而算出蓄冰量和融冰量。蓄冰槽的标准蓄冰量为18RTh（即63.3kWh），系统用电加热器来模拟冷负荷，最大功率为10kW。其中，蓄冰槽内的叉排管束采用新型的导热塑料盘管，具有良好的防腐蚀性能，整个盘管水平布置，在结构上保证融冰过程中冰层可以上浮并与盘管保持良好接触。
如图2b所示，为了测量蓄冰槽内叉排管束的环水温度，3个陶瓷型工业铂电阻温度计（规格为Pt100，ψ1.6mm×15mm，测量精度0.3K）分别安装在距槽壁15mm左右的上部（A）、中部（B）、下部（C）三个测点。在融冰实验中，当环水温度到达4℃左右时，可以认为融冰过程结束。
2实验结果及分析
2.1两种典型初始蓄冰量条件下环水温度的变化特性
不完全冻结方式融冰要求在蓄冰结束时必须保留适量冷水，以保证冰层在整个释冷过程中与盘管保持接触，这部分剩余水的温度在0℃附近。当融冰开始后，冰层中临近盘管的部分在高温载冷剂的作用下开始融化成水，若是蓄冰结束时相邻盘管外的冰层并未相交，则在融冰 过程中各冰层互不影响，可以自由上浮；若是蓄冰结束时冰层相交，则各冰层相互影响，传热情况变得复杂。因此研究初始蓄冰量对环水温度变化特性的影响具有重要意义。在本文的 实验装置中，当蓄冰量达到18RTh（即63.3kWh）时，相邻盘管间的冰层恰好相切，如图3a所示，此时制冰率IPF＝58％，即蓄冰槽内已有58％的水结冰；若继续蓄冰，当蓄冰量达到26RTh（即91.4kWh）时，IPF＝83％，此时冰层已经相交，如图3b所示，这两种情况下的融冰都 是以不完全冻结方式完成的。
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