肋片式套管蓄冰裝置蓄冰性能的研究.pdf

1、冰蓄冷是利用相變材料在用電低谷時(shí)將電能轉(zhuǎn)換為冷量存儲(chǔ)起來(lái)而在用電高峰時(shí)融化供冷的技術(shù)，具有降低制冷設(shè)備裝機(jī)容量、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、降低城市用電峰谷差異的優(yōu)點(diǎn)，成為了當(dāng)前節(jié)能減排的重要技術(shù)手段，進(jìn)而受到了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。在冰蓄冷系統(tǒng)中，蓄冰裝置的蓄冰/融冰性能是影響整個(gè)冰蓄冷系統(tǒng)工作效率的關(guān)鍵所在，而傳統(tǒng)蓄冰裝置通常以通有冷媒的陣列光管作為蓄冰單元，其蓄冰熱阻會(huì)隨著冰層的增厚而顯著增加，從而導(dǎo)致蓄冰性能大幅降低，這嚴(yán)重限制了冰蓄冷技術(shù)

2、的推廣應(yīng)用。值得注意的是，近些年來(lái)發(fā)展起來(lái)的封閉型肋片式套管蓄冰裝置借助冷媒管外的高導(dǎo)熱金屬肋片來(lái)提升蓄冰過(guò)程中冷量的徑向擴(kuò)散效率，具有蓄冰性能好、可擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為冰蓄冷裝置的研究熱點(diǎn)。因此，對(duì)封閉型肋片式套管蓄冰裝置的蓄冰過(guò)程開(kāi)展理論與實(shí)驗(yàn)研究，將為封閉型肋片式套管蓄冰裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化及其蓄冰性能強(qiáng)化方法的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)支撐。
　　當(dāng)前，針對(duì)冷媒管外耦合肋片強(qiáng)化蓄冰性能的研究已經(jīng)取得一定進(jìn)展，但自

3、然對(duì)流對(duì)蓄冰傳熱性能的影響機(jī)制尚未得到充分揭示，并且不同肋參數(shù)所導(dǎo)致的蓄冰效能差異仍未被完整認(rèn)識(shí)。再者，封閉型肋片式套管蓄冰裝置的蓄冰性能強(qiáng)化方法還亟待發(fā)展。為此，本文基于enthalpy-porosity方法建立了肋片式套管蓄冰裝置蓄冰過(guò)程的二維非穩(wěn)態(tài)理論模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬，詳細(xì)分析了蓄冰過(guò)程中的冰層形貌特征與流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布特性，揭示了自然對(duì)流對(duì)蓄冰過(guò)程的影響機(jī)理，并定量評(píng)估了不同肋參數(shù)（肋高、肋厚、肋數(shù)）蓄冰裝置的蓄冰效能。同時(shí)

4、，開(kāi)展了肋片式套管蓄冰裝置蓄冰過(guò)程的可視化實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了所建立數(shù)學(xué)模型的合理性，實(shí)時(shí)觀測(cè)了蓄冰過(guò)程中冰層形貌的演化行為，獲得了不同工況下蓄冰區(qū)域溫度的非穩(wěn)態(tài)變化規(guī)律。最終，通過(guò)在蓄冰流體介質(zhì)區(qū)域內(nèi)引入多孔泡沫金屬，對(duì)肋片式套管蓄冰裝置的蓄冰性能強(qiáng)化方法進(jìn)行了有益探索，并結(jié)合數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了添加多孔泡沫金屬對(duì)蓄冰裝置蓄冰性能的強(qiáng)化作用。概括來(lái)說(shuō)，本文的研究工作主要取得了以下主要結(jié)論:
　　(1)蓄冰流體介質(zhì)區(qū)域內(nèi)溫差所引起

5、的流體密度差異將引發(fā)自然對(duì)流，造成蓄冰流體介質(zhì)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)局部渦流，從而導(dǎo)致蓄冰流體介質(zhì)區(qū)域內(nèi)的工質(zhì)摻混與溫度波動(dòng)，削弱了冷量傳遞強(qiáng)度，降低了裝置的蓄冰效率。
　　(2)增加冷媒管上肋片的高度、厚度、數(shù)目均能有效提高蓄冰過(guò)程中冷量傳遞的換熱面積，強(qiáng)化冷量的徑向傳遞，提升蓄冰效能比。增加肋片厚度時(shí)所獲得的蓄冰量提升能效比最小;在蓄冰前期，通過(guò)增加肋片數(shù)目所獲得的蓄冰量提升能效比最高，而隨著蓄冰過(guò)程的進(jìn)行，增加肋片高度在蓄冰量提升能效比

6、方面的優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯。
　　(3)蓄冰裝置內(nèi)的蓄冰形貌以及特征點(diǎn)溫度演化特性與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，從而驗(yàn)證了所建立理論模型的合理性;在保證蓄冰介質(zhì)初始溫度不變的情況下，蓄冰效率與冷媒和蓄冰介質(zhì)間初始溫差呈正相關(guān):隨著溫差的增加，蓄冰過(guò)程中冷媒和蓄冰介質(zhì)間的溫度梯度增大，冷媒冷量的熱擴(kuò)散強(qiáng)度增強(qiáng)，蓄冰速度加快;另一方面，在保證冷媒溫度不變時(shí)，降低蓄冰介質(zhì)的初始溫度可減小蓄冰介質(zhì)達(dá)到冰點(diǎn)所需釋放的顯熱量，從而有效地加快蓄冰速率。