王强胜,孔春辉,李建雄,王任远
(河南工学院 机械工程学院,河南 新乡 453003)
能源昼夜供需存在着严重不平衡问题,不断寻求新的储能技术是实现能源可持续发展的必由之路。相变蓄冷技术可利用相变物质溶化、凝固过程中的潜热变化,在夜间电力低谷时段制冰,白天用电高峰期通过融冰供冷,是一种具有重要的社会和经济双重效益的供冷新技术[1-2]。相变蓄冷技术一方面可降低冷水机组在电力高峰期的供冷压力,有效实现电力“移峰填谷”,另一方面,通过管理空调的蓄冰和融冰时间,可以有效节约系统运行费用[3]。有关冰蓄冷的储冷机理,很多学者已经展开了相关的实验或者数值模拟研究。白青松等[4]通过搭建固液相变可视化测量系统,对方腔中内嵌通孔金属泡沫的蓄冰过程开展了实验研究,发现未凝固相局部自然对流导致凝固相界面发生倾斜,呈现下部略快于上部的凝固界面。Anisr等[5]通过实验研究了不同相变材料的凝固行为和融化特征。陈晨等[6]采用焓-多孔度法追踪固液相界面,分析了蓄冷腔体尺寸和几何形状对凝固时间和相界面演化的影响。Hirose等[7-8]对水平放置的椭圆形换热管内的相变物质熔化过程和规律进行了实验研究,并采用单域模型和边界固定法对圆形换热管周围水的冻结特性进行了数值分析,得出了浸入水中的椭圆形换热管内以及圆形换热管周围的相变物质流动规律和传热特征。王强胜等[9-10]通过搭建小型相变储能平台,用实验和数值模拟分析了多管换热器周围水的冻结特性以及换热管间固相物质的桥接时间预测方法,初步得出了换热器管型和桥接现象对储能效率的影响规律。
在静态型冰蓄冷系统中,随着换热管周围凝固过程的进行,传热热阻增大,降低冰的凝固效率,从而造成整个系统蓄冷效率降低,因此,研究不同条件下蓄冷槽内冰的生长特性和变化规律对提高蓄冷效率显得十分重要。本文在已有研究的基础上,通过实验分析了容器高宽比、初始水温和换热管空间分布等因素对冰蓄冷系统制冰效率的影响规律。
1.1 实验装置
实验装置主要由实验部、恒温液体循环装置、图像采集相机、温度采集系统以及信息综合处理系统等构成,整个装置如图1所示。实验部由椭圆形换热管和固定换热管的丙烯板以及螺栓等构成,图中黑点部分为本实验中的测温热电偶分布,如图2所示。研究表明,使用椭圆形换热管可以影响冻结过程中的自然对流情况,为了研究换热管形状的影响规律,本文将直径40.0mm,壁厚2.0mm的铜管压至椭圆率为0.9的椭圆换热管。
1.实验水槽2.换热管3.冷媒4.恒温液体循环系统5.图像采集相机 6.热电偶7.温度采集系统8.信息综合处理系统图1 实验装置示意图
图2 实验部详细结构示意图
1.2 实验方法
本文分析了容器高宽比、初始水温和换热管空间分布等因素对冰蓄冷系统中制冰效率的影响规律。特别的,为了分析重力因素对自然对流的影响,比较了椭圆换热管纵向型配置与横向型配置条件下,换热管周围冰的生成行为特性差异。文中,椭圆管的长轴方向与重力方向相同时称为纵向型配置,椭圆管的长轴方向为水平方向时称为横向型配置。换热管内循环有保持一定温度的35%体积浓度的环丙烯醇水溶液,用以控制换热管壁面温度。实验部整体浸没在装满水的水槽里进行沉入实验,水槽高270mm,宽250mm,沿换热管轴向长235mm。为了防止实验过程中外界环境与实验部热交换所产生的影响,实验过程中用绝热材料覆盖了除可视化端面以外的所有部分。
为了验证容器高宽比对换热管周围冻结行为特征的影响,本文准备了3种体积相同但正向横截面积不同的储能容器,具体参数设置如图3所示。容器内的正向横截面积均固定为0.026m2。
(a)模型1 (b) 模型2 (c) 模型3图3 储能容器高宽比示意图
表1所示容器的高宽比定义为容器高度除以容器宽度。采用内径0.2mm的T型热电偶,分别测量了上管和下管周围的水温。另外,从换热管正面可以采集到凝固界面形状随时间的变化规律。实验条件设置如表1和表2所示。由于水具有在4℃时密度最大的特性,为了分析水的密度反转特性对换热管周围冰的生成特性影响,本文设置了4℃和7℃两种初始水温,在初始水温为7℃时,水的冷却过程中密度会先增大后减小。
表1 不同高宽比容器设置参数表
表2 初始水温和换热管配置组合表
1.3 评价方法
本文实验结果主要以换热管周围冻结开始3小时内的冰的生成量为评价指标。通过图像采集系统获取实验过程中的冻结界面随时间的变化情况。用图像处理软件抓取通过贝赛尔曲线连接的近似闭环曲线为冻结界面,本文定义冻结界面形状的凝固率ζ由公式(1)给出。
ζ=As/Ac
(1)
其中,Ac为换热管面积/[m2],As为冰的面积/[m2]。
2.1 容器高宽比影响
本小节所有实验结果若非特殊说明均在实验条件1下得出。图4为各高宽比容器冻结开始后120分钟时容器内的冻结界面图像。由图可知,在高宽比较小的容器中,下部换热管和容器下部壁面之间生成的冰较薄,原因为水的密度变化。由于初始水温为4℃且水在4℃时密度最大,随着冷却过程的进行,被冷却的水的密度变小,容器内产生向上的浮力,结果温度较低的冷却水在自然对流的影响下被带到容器的上部,而没有被冷却的4℃的水则滞留在容器下部。此时,在高宽比较小的容器内,密度最大的4℃水层积累到下部换热管的周围,结果抑制了下部换热管周围的自然对流,导致下部换热管周围冻结率较低。
(a) 模型1 (b) 模型2 (c) 模型3图4 实验条件1,各高宽比容器120分钟时换热管表面冻结图像
另外,在高宽比较小的情况下,上部换热管周围生成的冰与附近的壁面接触,导致上部换热管周围冰的生长受到阻碍。因此,为了提高系统的冰蓄冷效率,收纳换热管的储能容器最好使用高宽比较大的容器。
图5为各高宽比容器的整体凝固率。可以看出相同时间内高宽比较大的容器的凝固率较高。这是因为水的密度变化引起的向上浮力产生了上升冷流,在高宽比大的情况下,上升冷流加速,从而加速了冰的生成。
图5 实验条件1,各高宽比容器的整体凝固率
图6为上换热管和下换热管各自的凝固率随时间的变化关系。当容器的高宽比较小时,凝固率降低,特别是下部换热管,冻结开始60分钟前冻结率几乎为零。
图6 实验条件1,上部换热管和下部换热管各自的凝固率
2.2 换热管管型配置影响
本小节所有实验结果若非特殊说明均在实验条件2下得出。图7为各高宽比容器冻结开始后120分钟时容器内的冻结界面图。换热管横向配置时,在所有容器中,均发生了即使上部换热管周围的水温达到凝固温度时而无法凝固的过冷现象。结合图8可发现,在一段时间内,过冷现象解除的同时,凝固率随时间变化的斜率增加了。这是因为换热管横向配置时,由密度变化引起的水的浮力产生的上升冷流离开上部换热管,滞留在容器上方引起的。同时也可推测该种设置条件容易引起过冷现象的发生。
(a)模型1 (b) 模型2 (c) 模型3图7 实验条件2,各高宽比容器120分钟时换热管表面冻结图像
图8为换热管不同管型配置时的凝固率。由图可知,无论椭圆形换热管横向型配置还是纵向型配置,高宽比较大时的凝固率较高。横向型配置换热管与纵向型配置换热管相比凝固率低,原因为换热管横向型配置时阻碍了上升冷流,引起上部换热管上方的自然对流停滞,上部换热管周围的冷却过程变慢。
图8 实验条件2,换热管不同管型配置时的凝固率
图9为过冷现象发生时的图像。过冷发生时,如图所示的片状薄冰生成于上部换热管和容器上壁面之间。这是因为上部换热管周围的自然对流停滞,冷却过程缓慢,容易产生过冷条件。
图9 过冷现象
2.3 初始水温影响
图10为实验条件3,各高宽比容器冻结开始后120分钟时容器内的冻结界面图。整体趋势表明,与初始水温4℃的情况相比,初始水温7℃时实验初期的凝固率较低。观察各实验条件下的冻结率随时间的变化规律发现,不管初始水温条件如何,在容器高宽比较大的条件下,冰凝固率较高,即该条件下冰的生成效率比其他形状容器的要高。
(a) 模型1 (b) 模型2 (c) 模型3图10 实验条件3,各高宽比容器120分钟时换热管表面冻结图像
图11为初始水温不同时各高宽比容器的凝固率。与4℃的情况相比,初始水温为7℃时的凝固率较低,这是因为初始水温为7℃时需要首先冷却降低整个容器的水温,导致整个凝固过程开始时间推迟。但是,由于凝固过程开始后凝固率的斜率没有变化,所以在初始水温变化的情况下,对各高宽比容器条件下凝固率的时间变化率没有显著影响,即初始水温变化仅影响冻结开始的时间,而对凝固效率几乎没有影响。
图11 初始水温与凝固率关系图
为了研究换热管周围冰的冻结特性和影响因素,采用实验方法将圆形换热管压制成了椭圆形换热管,并在实验过程中改变了水的初始温度,换热管管型配置以及容器的高宽比,分析了不同条件下换热管周围冰的生长特性和规律。研究结果表明:
(1)在容器高宽比较大的情况下,冰的生成效率较高;设计冰蓄冷系统时应使下部换热管与密度最大的4℃水层充分分离。
(2)上部换热管和壁面接近且换热管为横向型配置时,容易发生过冷现象。
(3)初始水温高于4℃时产生的水的密度反转现象对凝固率的时间变化率没有显著影响。
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