冰蓄冷裝置強(qiáng)化換熱技術(shù)的研究進(jìn)展

陳婷

摘 要：冰蓄冷技術(shù)是在實(shí)施峰谷電價(jià)政策的地區(qū)，利用低谷電價(jià)時(shí)段進(jìn)行制冰蓄能，為高峰電價(jià)時(shí)段提供冷量的經(jīng)濟(jì)節(jié)能技術(shù)。冰蓄冷技術(shù)同時(shí)具有均衡電力負(fù)荷、降低運(yùn)行成本的特點(diǎn)。該文介紹了目前不同蓄冷方式下強(qiáng)化換熱的研究現(xiàn)狀，并重點(diǎn)闡述了盤管式冰蓄冷和動(dòng)態(tài)蓄冷在強(qiáng)化換熱方面的最新研究成果，為冰蓄冷系統(tǒng)的研究和應(yīng)用提供一定的參考和建議。

關(guān)鍵詞：冰蓄冷 強(qiáng)化換熱 靜態(tài)蓄冷 動(dòng)態(tài)蓄冷 研究現(xiàn)狀

中圖分類號(hào)：TK02 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）12（b）-0069-02

從20世紀(jì)七八十年代開(kāi)始，美國(guó)以及歐洲的一些國(guó)家就開(kāi)始研究冰蓄冷技術(shù)。我國(guó)的冰蓄冷技術(shù)經(jīng)過(guò)近年來(lái)的研究和實(shí)踐，也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

在提高冰蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行效率的研究中，如何增加蓄冰率（蓄冰量與蓄冰槽容積之比，IPF）、蓄融冰效率等問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注。目前，對(duì)靜態(tài)蓄冷的研究主要在盤管式和冰球式蓄冷，動(dòng)態(tài)蓄冷主要在冰片滑落式和冰漿式蓄冷。該文主要針對(duì)靜態(tài)蓄冰和動(dòng)態(tài)蓄冰的蓄冷系統(tǒng)，介紹了蓄融冰傳熱特性和強(qiáng)化換熱技術(shù)。

1 冰蓄冷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)大陸地區(qū)從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始建造冰蓄冷空調(diào)工程。目前，全國(guó)已建成投入運(yùn)行和正在施工的工程多達(dá)681個(gè)。2010年建成的北京南園商業(yè)金融大廈采用的便是冰球封裝式冰蓄冷空調(diào)；其中的CRYOGEL蓄冰球添加了AgI膠體成核劑，用以降低結(jié)冰過(guò)冷度，加快蓄冰和融冰速度。2011年建成的中國(guó)鐵道建筑總公司辦公樓采用的是冰盤管式冰蓄冷空調(diào)；系統(tǒng)中使用的杰美利不銹鋼蓄冰槽也通過(guò)內(nèi)置循環(huán)泵，產(chǎn)生對(duì)流擾動(dòng)，強(qiáng)化了盤管蓄融冰換熱。

2 靜態(tài)蓄冷強(qiáng)化換熱

2.1 冰盤管蓄冷強(qiáng)化換熱

盤管式蓄冷裝置蓄冷時(shí)，盤管外的水與盤管內(nèi)的載冷劑進(jìn)行換熱，使蓄冰槽內(nèi)的水結(jié)冰；融冰時(shí)，蓄冰槽內(nèi)的冰再與盤管內(nèi)的空調(diào)回水或者高溫載冷劑進(jìn)行換熱，融化成水。

2.1.1 蓄冰強(qiáng)化換熱

盤管在蓄冰時(shí)的動(dòng)態(tài)換熱過(guò)程同時(shí)伴有相變和邊界移動(dòng)。Bingxi Li等[1]研究了單根盤管的蓄冰特性，建立了三維動(dòng)態(tài)模型，為研究不同管徑、載冷劑不同流速等因素對(duì)傳熱性能的影響提供了理論依據(jù)。鄒春陽(yáng)[2]在蓄冰槽開(kāi)口狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)研究盤管結(jié)冰過(guò)程，對(duì)比了不同風(fēng)速對(duì)結(jié)冰特性的影響。

盤管式冰蓄冷裝置，在蓄冰過(guò)程中，隨著冰層的加厚，熱阻增大，傳熱會(huì)惡化，蓄冰效率會(huì)降低。張奕[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)不同冰層厚度時(shí)冰層的生長(zhǎng)情況進(jìn)行了觀測(cè)，得出的結(jié)果表明：隨著冰層的增厚，單位時(shí)間內(nèi)的制冰量會(huì)越來(lái)越小。

實(shí)際的工程中，通常采用強(qiáng)制擾動(dòng)的方法來(lái)強(qiáng)化蓄冰時(shí)的傳熱效果。高校中對(duì)蓄冰過(guò)程的強(qiáng)化換熱的研究集中于管外纏繞金屬絲網(wǎng)。在盤管外纏金屬絲，可以提供成核基底，改善潤(rùn)濕性，增加傳熱面積。

2.1.2 融冰強(qiáng)化換熱

盤管式冰蓄冷系統(tǒng)在蓄冰時(shí)，管外介質(zhì)完全凍結(jié)。隨著貼近管壁的冰層融化成水，水層會(huì)產(chǎn)生熱阻，不利于融冰換熱，融冰速率較低。

不完全凍結(jié)式蓄冰裝置的蓄冰率較低，盤管冰層外仍充有液態(tài)的蓄冷介質(zhì)。在融冰時(shí)，貼近管壁的冰融化，盤管外的冰層因浮力向上浮動(dòng)，冰層下邊緣則始終貼著盤管，因此避免了水層的熱阻，提高了融冰速率。不完全凍結(jié)式換熱比較均勻，可以保持更低的載冷劑出口溫度，適用于與低溫送風(fēng)系統(tǒng)和區(qū)域供冷。

融冰后期，蓄冰槽內(nèi)的殘冰難以融化，垂直溫差較大。肖睿[4]在蓄冰槽的中下部，添加了一路強(qiáng)化換熱的水平盤管與豎直的主盤管交叉布置，由閥門進(jìn)行控制，在融冰時(shí)，閥門打開(kāi)，與主盤管一起通入載冷劑。結(jié)果表明，該裝置減小了蓄冰槽垂直溫差，提高了融冰的速率。

2.2 冰球蓄冷強(qiáng)化換熱

冰球式蓄冷裝置蓄融冰過(guò)程都是槽內(nèi)的水與球內(nèi)的相變介質(zhì)換熱。

法國(guó)的ATE蓄冰裝置在2008年推出了ATE-IC型號(hào)的蓄冰球。該冰球表面呈凸起狀，增大了表面的換熱面積，而且對(duì)冰球外的蓄冷介質(zhì)也能起到很到疏導(dǎo)作用。其內(nèi)設(shè)置有膨脹吸收腔，可以吸收結(jié)冰期間水的膨脹量，融冰后期，還可將球中冰塊分裂，融冰速率得以提高。

結(jié)冰量的多少和過(guò)冷度、溫度下降速度有關(guān)。強(qiáng)化換熱，減少相變時(shí)間，還可以從提高相變介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)方面入手。如果在相變介質(zhì)中加入納米碳管、碳纖維或者基質(zhì)結(jié)構(gòu)的材料，可以提高相變介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)。

程文龍[5]實(shí)驗(yàn)將高孔隙率的泡沫金屬材質(zhì)與相變儲(chǔ)能材料相結(jié)合，其導(dǎo)熱系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原本的相變儲(chǔ)能材料。楊秀等[6]對(duì)填充了泡沫鋁的蓄冰球融冰傳熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬?？紤]了其相變介質(zhì)過(guò)冷度以及由冰球垂直方向上的溫度差引起的自然對(duì)流作用的影響，建立了二維融化相變過(guò)程的自然對(duì)流模型。結(jié)果表明，充入泡沫鋁，融化相變時(shí)間縮短了，融冰速率也提高了。泡沫金屬的孔隙率越小對(duì)蓄融冰換熱的強(qiáng)化作用越明顯，但蓄冰球的有效容積也會(huì)相應(yīng)減少。

3 動(dòng)態(tài)蓄冰強(qiáng)化換熱

動(dòng)態(tài)蓄冰的結(jié)冰與融冰兩個(gè)過(guò)程，分別發(fā)生在結(jié)冰裝置和儲(chǔ)冰裝置內(nèi)。結(jié)冰過(guò)程中，或制成冰片，或制成冰晶，與制冰裝置脫離，存入儲(chǔ)冰裝置，都可以避免因冰層加厚、熱阻增加而帶來(lái)的傳熱惡化問(wèn)題。

3.1 冰片滑落式蓄冷

蓄冰介質(zhì)流過(guò)板式換熱器，與低溫乙二醇釋換熱，冷凝成冰，冰層厚度達(dá)5～8 mm；板式換熱器內(nèi)通入高溫乙二醇，20～60 s后，冰層脫落，收集于儲(chǔ)冰槽內(nèi)。

王六民[7]研究了滑落式片冰機(jī)的蓄冷特性，建立了蓄冰槽蓄冰時(shí)的數(shù)學(xué)模型，為蓄冰槽經(jīng)濟(jì)尺寸、經(jīng)濟(jì)水位的選取提供了理論依據(jù)。胡翌[8]研究了制冰周期與制冰量之間的關(guān)系。制冰周期過(guò)短，會(huì)損失大量，冷量制冷量下降；制冰周期過(guò)長(zhǎng)，冰層過(guò)厚，產(chǎn)生傳熱惡化。其通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，論證了如何適時(shí)地調(diào)整制冰周期，為系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了依據(jù)。

3.2 冰漿式蓄冷

冰漿是制取直徑約80～100μm的冰晶與水溶液混合。與冰片式相比，冰漿具有更好的流動(dòng)性，溫度穩(wěn)定，更易被水泵輸送。

冰漿的形成有過(guò)冷水式、刮刀式、直接接觸式以及流化床式等。目前工程應(yīng)用最廣泛的是過(guò)冷水式與刮刀式。其中，刮刀式可以及時(shí)清除換熱壁面的過(guò)冷水，能避免壁面冰層堆積造成傳熱惡化。張海潮等[9]研究了刮刀式動(dòng)態(tài)冰漿蓄冷的制冰特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同樣條件下制冰速度、制冰量、耗能量都優(yōu)于盤管式冰蓄冷。

直接接觸式與間接式相比，傳熱熱阻較小，未來(lái)將有很好的發(fā)展前景。

4 結(jié)語(yǔ)

冰蓄冷系統(tǒng)作為未來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展方向之一，強(qiáng)化其蓄融冰過(guò)程的傳熱特性，用以減小系統(tǒng)耗能、提高運(yùn)行效率，顯得尤為重要。冰盤管式蓄冷裝置的蓄融冰強(qiáng)化換熱，一直是研究重點(diǎn)；近幾年，冰漿動(dòng)態(tài)蓄冰的研究也逐漸成為研究熱點(diǎn)。對(duì)于強(qiáng)化冰盤管的傳熱，可以從更改管外結(jié)冰方式、添加促進(jìn)成核的基底以及增加擾動(dòng)對(duì)流等方面入手。對(duì)于冰球封裝式蓄冷，則可以從冰球形狀和混合相變材料兩方面進(jìn)行改進(jìn)。動(dòng)態(tài)蓄冷也可以以縮短制冰周期（在不影響制冰量的前提下）、增加冰漿的流動(dòng)性、避免“冰堵”等方式來(lái)強(qiáng)化換熱。未來(lái)，冰蓄冷技術(shù)的系統(tǒng)能耗勢(shì)必會(huì)大幅度下降。從而有望做到真正意義上的節(jié)約能源，服務(wù)社會(huì)。所以應(yīng)該在因地制宜的前提下，大力推廣冰蓄冷技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] Bingxi Li， Xinhai Xu， Yi Liu. Effects of initial Parameters on the internal-melt ice-on-tube while icing[J].Journal of Mechanical Science and Technology， 2009（7）：1808-1812.

[2] 鄒春陽(yáng).自然冷資源利用中貯冰蓄冷試驗(yàn)研究[D].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[3] 張奕，黃虎，張小松.盤管冰蓄冷裝置管外結(jié)冰過(guò)程研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（10）.

[4] 肖睿，何世輝，杜艷利，等.直接蒸發(fā)式冰蓄冷空調(diào)的蓄冰槽融冰強(qiáng)化換熱[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2008（9）：1524-1526.

[5] 程文龍，韋文靜.高孔隙率泡沫金屬相變材料儲(chǔ)能、傳熱特性[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2007（7）：739-744.

[6] 楊秀，陳振乾.蓄冰球中填充泡沫鋁的融化相變傳熱過(guò)程的數(shù)值模擬[J].化工學(xué)報(bào)，2008（S2）：139-142.

[7] 王六民.片冰機(jī)/冷水機(jī)組蓄冰槽在蓄冰和融冰時(shí)的特性研究[D].湖南大學(xué)，2004.

[8] 胡翌.冰片滑落式冰蓄冷系統(tǒng)的研究[D].東華大學(xué)，2006.

[9] 張海潮，肖睿，宋文吉，等.動(dòng)態(tài)冰漿制造系統(tǒng)的溫度與制冰特性研究[C]//中國(guó)制冷學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2009.