制冰桶結(jié)構(gòu)對制冰性能影響的數(shù)值模擬分析研究

杜玉吉 周長江 丁為俊 郭保倉

中節(jié)能城市節(jié)能研究院有限公司

0 引言

發(fā)展冰蓄冷空調(diào)是實(shí)現(xiàn)電力移峰填谷主要手段之一。國內(nèi)外學(xué)者已對靜態(tài)蓄冰系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)[1-3]、傳熱特性[4-7]、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性[6，8-9]等方面展開研究，發(fā)現(xiàn)由于冰的導(dǎo)熱系數(shù)小，冰層越厚，熱阻越大，制冷機(jī)的性能系數(shù)也越低。因此，學(xué)者紛紛將目光轉(zhuǎn)移到動態(tài)制冰領(lǐng)域。

目前動態(tài)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(shù)耗電量大，刮刀需要定期更換[10]。流化床制冰裝置對運(yùn)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(tǒng)復(fù)雜，能耗高[13]。

本文借鑒工業(yè)鹽水制冰方法[14]，提出冰桶動態(tài)制冰工藝，針對制冰桶結(jié)構(gòu)對蓄冰過程的影響進(jìn)行了模擬分析。

1 新型動態(tài)制冰系統(tǒng)

冰桶動態(tài)制冰工藝流程如圖1 所示。該裝置包括制冰機(jī)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(jī)1 將蒸發(fā)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(jìn)入冷凝器2進(jìn)行冷凝放熱，通過節(jié)流閥3 絕熱節(jié)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(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行氣化吸熱，從而完成一個循環(huán)。

圖1 冰桶動態(tài)制冰工藝流程圖

冰桶內(nèi)的水不斷被降溫并進(jìn)行結(jié)冰，生成冰水混合物，當(dāng)冰層厚度達(dá)到設(shè)定值時，停止結(jié)冰，通過打開冰桶底部翻板，冰桶內(nèi)的冰水混合物借助自重脫落進(jìn)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(chǎn)生影響，避免了制冰中間環(huán)節(jié)的冷量損失，單位時間制冰量大。且該制冰方式區(qū)別于靜態(tài)制冰，無需將制冰桶內(nèi)的水凍結(jié)成整塊冰再脫模，機(jī)組蒸發(fā)溫度不會隨著冰層的持續(xù)加厚而不斷降低。當(dāng)冰層厚度達(dá)到設(shè)定值時即可將冰水混合物倒入蓄冰槽內(nèi)，提高了制冰效率。

為防止冰桶內(nèi)側(cè)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(tài)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(jìn)入蓄冰槽6內(nèi)。脫冰時，脫冰熱量引至冷凝器出口溫度較高的液態(tài)制冷劑，脫冰后制冷劑被過冷，然后直接進(jìn)入膨脹閥進(jìn)行膨脹，重新進(jìn)入下一輪制冰循環(huán)，相當(dāng)于在冷凝器和膨脹閥之間安裝了過冷器，不但可以增加機(jī)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(tǒng)可獲得較高的釋冷速率。

2 模型構(gòu)建

2.1 制冰桶數(shù)學(xué)模型

制冰桶體積的大小將會影響冰塊凍結(jié)速度，制冰桶尺寸大小直接決定了冰塊尺寸大小。當(dāng)冰塊過厚時，冰塊凍結(jié)時間過長，且影響冰塊脫模。當(dāng)冰塊過薄時，凍結(jié)時間將縮短，但機(jī)組運(yùn)行效率低。

制冰時間計算公式：

式中：t 為水在冰桶中的凍結(jié)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(shù)。

由公式可知，冰塊的凍結(jié)時間只與冰的厚度的平方成正比，而與冰塊的高度關(guān)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(jié)冰是一個有效的因素。

2.2 制冰桶物理模型

傳統(tǒng)矩形制冰桶結(jié)構(gòu)，易導(dǎo)致結(jié)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(jié)構(gòu)形式，上口用角鋼圍邊，采用304 不銹鋼材質(zhì)，此種結(jié)構(gòu)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(jié)果與分析

3.1 不同截面形狀對制冰性能的影響

在冰桶內(nèi)水溫設(shè)置為0.2 ℃和壁面溫度設(shè)置為-10℃的邊界條件下，模擬結(jié)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(nèi)的平均溫度均隨時間的延長而降低，但是相同時間內(nèi)近棱形截面冰桶結(jié)構(gòu)桶內(nèi)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(nèi)平均溫度接近，約為272.2 K，近菱形截面制冰桶內(nèi)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(nèi)的液相體積分?jǐn)?shù)也隨之降低，但在相同時間近橢圓形截面制冰桶內(nèi)液相體積分?jǐn)?shù)要明顯低于其余兩種（圖3（b）），說明在相同時間內(nèi)近橢圓形截面制冰桶的制冰速度要優(yōu)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(cè)壁的結(jié)冰厚度情況。根據(jù)圖中結(jié)果可以看出，三種冰桶在X 軸中心面方向的結(jié)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(jié)冰厚度為56 mm，要優(yōu)于矩形及近菱形冰桶。

圖4 制冰30 min 后制冰桶側(cè)壁結(jié)冰厚度

根據(jù)模擬結(jié)果，近棱形截面制冰桶的制冰性要顯著優(yōu)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(jìn)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(jié)構(gòu)參數(shù)

模擬結(jié)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(nèi)平均溫度、液相體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化，模擬結(jié)果表明制冰桶傾角越大，內(nèi)部溫度下降越快。結(jié)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(nèi)側(cè)壁結(jié)冰厚度及結(jié)冰厚度占寬度的比例，基本規(guī)律是冰桶傾角越大，側(cè)壁結(jié)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(yīng)極可能的大。

圖7 制冰15 min 后制冰桶內(nèi)側(cè)壁結(jié)冰厚度及結(jié)冰厚度占寬度的比例

4 討論

本文提出一種冰桶動態(tài)制冰系統(tǒng)，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(jié)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(jié)果沒有考慮這些參數(shù)對脫冰性能的影響，需要在后續(xù)研究中研究此問題。

此外，在冰蓄冷制冰循環(huán)中，制冰時間的控制是相當(dāng)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(nèi)所結(jié)的冰量會越來越少。制冰時間太短，制冷機(jī)組會頻繁的進(jìn)行脫冰，制冰量會受到影響。因此，還需要進(jìn)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(tài)制冰系統(tǒng)，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(diào)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(tài)蓄能裝置的應(yīng)用溫度范圍，雖然乙二醇密度和粘度比氯化鈣小，運(yùn)行時耗功較小，且對設(shè)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(fā)，運(yùn)行時損耗嚴(yán)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(yán)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(shè)備的腐蝕，因此用氯化鈣水溶液作為新型動態(tài)蓄冷裝置的載冷劑更合適。

5 結(jié)論

針對當(dāng)前動態(tài)制冰技術(shù)存在的一些問題，本文提出了冰桶動態(tài)制冰新路線，并且就制冰桶結(jié)構(gòu)對制冰過程的影響進(jìn)行了模擬分析，主要結(jié)論有：

1）該工藝路線中冰桶底部設(shè)計有翻板，當(dāng)冰層厚度達(dá)到設(shè)定值時，冰桶底部翻板自動打開，冰桶內(nèi)的冰水混合物借助自重脫落進(jìn)入蓄冰槽，具備動態(tài)制冰的特點(diǎn)。

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(jié)果發(fā)現(xiàn)近棱形截面的制冰桶制冰性能最佳，且傾角設(shè)計應(yīng)盡可能大。

3）載冷劑的選擇優(yōu)先考慮氯化鈣水溶液。