冰球式蓄冰罐的数学模型

《冰球式蓄冰罐的数学模型》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、冰球式蓄冰罐的数学模型Mathematicalmodelofencapsulatedicestorage提要　给出了冰球式蓄冰罐蓄冷和取冷过程的数学模型。该模型考虑了载冷剂与冰球间的相互作用、冰球的相变换热特性以及蓄冰罐的热损失。编制了求解程序STAIT，利用该程序计算了8个不同的蓄冷和取冷工况。对比结果表明，利用STAIT模拟的结果与实测结果非常接近。关键词　冰球冰蓄冷数学模型模拟Abstract　Presentsamathematicalmodeldescribingthefreezingandmeltingprocessesoftheice-storagecontaineranceoft

2、hecapsulesandtheheatlossoftheice-storagecontainer.mecalledSTAITdevelopedtosolvethemodel,simulatesseveralcasesincludingfreezingandmeltingprocesses,andparespredictedresultsandexperimentalonesandsho.Keyathematicalmodelsimulation1引言　　冰蓄冷空调系统是在空调负荷很低时制冷储存，而在新空调负荷高峰时化冰取冷，因而可以全部或部分转移制冷设备的运行时间，从而缩小供电网络的峰从电力

3、负荷差。因此，冰蓄冷空调系统在美国、日本、澳大利亚等国家发展非常迅速，已广泛使用十几年之久。　　冰蓄冷空调系统由蓄冰设备和空调系统组成。根据ARI《蓄冷设备热性能指南》，蓄冰设备可分为冰盘管、冰球、冰片滑落、冰晶等几种形式[1]。其中应用最广泛的是冰盘管和冰球[2]。　　近年来许多学者对冰盘管式蓄冰设备进行了研究[3]，生产厂家也开发出许多系列的冰盘管产品。但由于冰盘管管道较细，流动阻力较大，技术要求较高，目前国内还没有一家生产冰盘管的厂家。而冰球式蓄冰设备由于结构简单，已成为蓄冰系统的一个重要发展方向[2]。　　由于密封球体内的结冰和融冰过程是一个伴随着相变的导热与自然对流换热的复杂过程，掠

4、过冰球的载冷剂的流动和换热过程也很复杂，因此目前很难看到有关冰球蓄冷和取冷方面的文章和厂家资料。国内较早研究冰球特性的是清华大学的赵庆珠教授，她在1994年发表两篇关于单个冰球蓄冰和融冰过程的文章[4，5]。而实际的冰球蓄冰设备是将许多冰球堆集在一个圆形断面蓄冰罐中，因此了解蓄冰罐的蓄冰和融冰特性对冰球式蓄冰罐的生产、设计和使用具有重要的意义。2数学模型的建立和求解　　载冷剂在冰球式蓄冰罐中的流动是一个很复杂的过程，涉及载冷剂掠过冰球的换热以及冰球内的要变换热过程。对此作如下简化：①冰球在罐内均匀分布，载冷剂和冰球中介质的热工参数只沿流程发生变化；②冰球的传热性能只与冰球中的冰量有多少有关[4

5、，5]。根据这两个简化条件即可得到冰球式蓄冰罐的数学模型。　　2．1数学模型　　将冰罐中的冰球沿载冷剂流程分成若干排，每排中的冰球个数为N，每个冰球的表面积为A，每排冰球占据的长度为E，冰罐中载冷剂的有效流通面积为F。在每一排中，载冷剂的温度相同，冰球的温度相同。载冷剂侧的能量方程为　　　　　　　　　　　　　　　（1）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（2）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（4）　　式（1）～（4）中，Tf为载冷剂温度，τ为时间，uf为载冷剂流速，af为载冷剂的导温系数，qht为单位体积载冷剂与冰球间的换热

6、量，qfls为单位体积载冷剂通过罐壁的热损失，ρf，cf分别为载冷剂的密度和比热容，Kc为冰球的温度，D为冰罐直径，Tamb为周围环境温度，R为单个冰球中介质的质量，ce-dependentAnalysisforIceTube).3模型验证　　为了验证上述模型是否合理，笔者利用STAIT计算了若干个工况，并与深圳中电大厦门冰蓄冷系统的实测结果进行了比较。　　3．1深圳中电大厦冰蓄冷系统的简介　　深圳中电大厦是我国第一家正式运行的冰蓄冷系统，其蓄冰系统部分如图2所示。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2深圳中电大厦蓄冰系统示意图　　　　1995年6月，清华大学

7、热能空调教研室赵庆珠教授应邀对该系统进行了实测。此次测试包括单罐的蓄冷取冷过程、双罐串联和并联的蓄冷取冷过程。本文中的实测结果摘自此次实验的测试报告[8]。　　3．2模拟结果与实测结果的比较　　利用STAIT程序，笔者计算了表1所示的8个测试工况下的蓄冷和取冷过程。图3至图10分别给出了这8个工况的计算结果与实测结果的比较。　　表1　STAIT计算工况工况编号状态开始时间结束时间流量/m3/h1单