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將電能轉(zhuǎn)換為冷量存儲起來而在用電高峰時融化供冷的技術(shù)，具有降低制冷設(shè)備裝機容量、系統(tǒng)運行穩(wěn)定、降低城市用電峰谷差異的優(yōu)點，成為了當(dāng)前節(jié)能減排的重要技術(shù)手段，進而受到了國內(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，近些年來發(fā)展起來的封閉型肋片式套管蓄冰裝置借助冷媒管外的高導(dǎo)熱金屬肋片來提升蓄冰過程中冷量的徑向擴散效率，具有蓄冰性能好、可擴展性強、靈活性高等優(yōu)點，已逐漸成為冰蓄冷裝置的研究熱點。因此，對封閉型肋片式套管蓄冰裝置的蓄冰過程開展理論與實驗研究，將為封閉型肋片式套管蓄冰裝置的設(shè)計優(yōu)化及其蓄冰性能強化方法的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)支撐。
　　當(dāng)前，針對冷媒管外耦合肋片強化蓄冰性能的研究已經(jīng)取得一定進展，但自

3、然對流對蓄冰傳熱性能的影響機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。再者，封閉型肋片式套管蓄冰裝置的蓄冰性能強化方法還亟待發(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程的二維非穩(wěn)態(tài)理論模型并進行了數(shù)值模擬，詳細分析了蓄冰過程中的冰層形貌特征與流場、溫度場分布特性，揭示了自然對流對蓄冰過程的影響機理，并定量評估了不同肋參數(shù)（肋高、肋厚、肋數(shù)）蓄冰裝置的蓄冰效能。同時

4、，開展了肋片式套管蓄冰裝置蓄冰過程的可視化實驗研究，驗證了所建立數(shù)學(xué)模型的合理性，實時觀測了蓄冰過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，通過在蓄冰流體介質(zhì)區(qū)域內(nèi)引入多孔泡沫金屬，對肋片式套管蓄冰裝置的蓄冰性能強化方法進行了有益探索，并結(jié)合數(shù)值模擬與實驗研究驗證了添加多孔泡沫金屬對蓄冰裝置蓄冰性能的強化作用。概括來說，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，削弱了冷量傳遞強度，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程中冷量傳遞的換熱面積，強化冷量的徑向傳遞，提升蓄冰效能比。增加肋片厚度時所獲得的蓄冰量提升能效比最小;在蓄冰前期，通過增加肋片數(shù)目所獲得的蓄冰量提升能效比最高，而隨著蓄冰過程的進行，增加肋片高度在蓄冰量提升能效比

6、方面的優(yōu)勢逐漸凸顯。
　　(3)蓄冰裝置內(nèi)的蓄冰形貌以及特征點溫度演化特性與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，從而驗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，冷媒冷量的熱擴散強度增強，蓄冰速度加快;另一方面，在保證冷媒溫度不變時，降低蓄冰介質(zhì)的初始溫度可減小蓄冰介質(zhì)達到冰點所需釋放的顯熱量，從而有效地加快蓄冰速率。