外融式冰盘管取冷特性的实验研究

Experiment of discharging characteristics of external melting ice-on-coil tanks

0 引言
　　
　　外融式蓄冰槽是一种重要的冰蓄冷型式，从制冰过程看属于静态制冰方式^[1]。由于外融冰系统本身具有的可以长时间平衡地取出低温水的优点，近年来在国内外越来越多引起人们的重视，但是相对于内融冰而言，外融冰的研究还不够成熟，特别是在取冷特性方面。目前日本^[2]、美国^[3～5]等国家在外融冰开发及应用方面处于领先地位，我国一些大学和科研单位也做了许多工作^[6～7]。外融冰作为一种关键技术，目前国际上一般不提供蓄冷、取冷性能曲线等基础性资料和研究成果，因此我们有必要进一步加强有关方面的研究工作。本文结合所进行的实验研究结果，就外融冰槽的取冷特性及其影响因素进行分析和探讨。
　　
1 实验原理与试验装置
　　
　　外融冰取冷过程是直接从已经完成蓄冰过程的冰槽内将冷水作为取冷介质输送到用户，冰是从冰柱外表面开始向内融化的。取冷系统是一个独立于蓄冷系统的环路，如图1所示。
　　外融冰槽的取冷特性可以采用冰槽进出口温度、换热速率（单位时间内转移的热量）、总换热量（累计转移的热量）、取冷率（已取出的冷量占总冷量的百分比）、含冰率（槽内冰的体积或质量占冰水总体积或总质量的比例）、液面高度等参量及其随时间的变化状况进行描述^[8，9]。
　　本课题设计了蓄冷容量为6.33×105kJ钢制方形蛇管蓄冷槽，并在水槽上下各设置了一个布水器，实验台的温度、流量等测点布置也在图1中示出，在冰槽进出口处有两个旁通相连结，需要时可以通过开关有关阀门来改变进出口水流方向。 　　 　　
　　　　　　　　　　图1　外融冰取冷过程实验装置
　　
2 实验结果及其分析
　　
　　由于外融冰的蓄冷过程和特性与内融冰是一致的，已有很多研究成果，因此本文将重点集中在两者的取冷特性研究方面，并为此进行了一系列的实验，对实验结果进行了整理、分析，得到了外融冰槽的热工特性，进而对影响外融冰取冷特性的因素进行了进一步的考察，着重揭示了取冷流量、冰槽进口温度、负荷强度、初始蓄冷量、取冷水流进出口方式等因素及其作用规律，对于另外一些影响因素，例如冰槽结构尺寸、液体物性等等，暂时无法通过实验的方法进行详尽研究，将留待以后作进一步探讨。
　　
　　2．1 典型外融冰柄的取冷特性

　　现选取一个典型工况来说明外融冰基本的取冷特性。在编号为M22的取冷过程中，取冷流量G=6³/h，取冷负荷强度q=35kW，从而冰槽取冷进出口温差Δt=t₀-t_i=5℃，取冷结束时出口温度t₀=7℃，冰槽水流进出口方式为下进上出。整个取冷过程进行了5h，共取出冷量Q=6.33×10⁵kJ。将所测得的，t_i，t₀，G，q，Q等有关参数整理成有关曲线，如图2所示（图中i，o，d，u分别表示冰槽进口、出口、下部、上部。另外，t_w表示平均水温，H_w表示水面高度，Q _R表示取冷率。下同）。从图中可以看出整个外融冰取冷过程大体上可以分为两个阶段：潜热取冷阶段和混合取冷阶段。 　　
　　　　　　　　　　　图2 外融冰槽典型取冷特性
　　
　　取冷过程的第一阶段是从开始取冷一直持续大约3.5h，取出75%的冷量。在这一过程中，取冷出口温度从0.3℃升高到2℃左右，曲线基本保持不变并略有上升。这说明这一阶段基本上是进行的潜热取冷，显热取冷量很小。这种情况主要是由于温度较高的水从底部布水器的下侧以极小的速度进入槽内，然后相当均匀地缓慢向上流动，迅速与冰面附近温度接近于0℃的低温水混合，并沿着叉排管束中间的之字形流道向上流动，从而水温也迅速降低到接近0℃，这使得位于冰槽上部的取冷出口处一直保持在较低的水温。从而外融冰系统可以长时间地稳定地取出低温水，这是外融冰的一个非常重要的优点。
　　随着融冰的进行，冰水交界面积逐渐减小，流道空间逐渐加大，潜热取冷量逐渐不能完全承担进入的热负荷，需要由槽内水的显热冷量承担一部分负荷，因此槽内水温t_w 逐渐上升，进出口温度也随之上升，取冷过程进入到混合取冷阶段，从第3.5h处一直到取冷过程的结束的第5h。此时取冷曲线斜率增大，取冷水温以较快的速度上升。从液面高度H_w的变化曲线可以看到，曲线整体上呈线性分布，只是到了第3.5h之后才略有平缓，这是在混合取冷阶段潜热取冷略有下降造成的。
　　在整个取冷过程中，共取出了5.4×10⁵kJ的潜热冷量。同时，槽内平均水温从1.6℃升高到6.2℃，低于此时的冰槽出口水温7℃，折合显热冷量为1.33×10⁵kJ，其中潜热占80%，显热占20%，略高于按照冰槽进出口温差计算出来的6.33×10⁵kJ。上述冷量的误差约为5%，主要是冰槽由于从外界吸热而导致的冷量损失（每h约为0.1%）造成的，同时计算显热量所依据的槽内平均水温及其变化的测量也存在系统误差。
　　
　　2．2 影响外融冰取冷特性的因素

　　为了考察各主要影响因素对外融冰取冷特性的影响，笔者在实际应用中可能需要的范围内选取了每一种因素的不同水平进行了一系列的实验，由此得到了有关因素的作用规律。

　　2．2．1 冰槽水流进出口方式
　　蓄冰槽内取冷水流动方向改变时，对取冷过程明显影响。对比其它实验条件均基本相同的上进下出实验M17和下进上出实验M22的性能曲线（图3）可以发现，如果以取冷出口水温达到7℃作为取冷结束点，当初始蓄冰量与设计容量相关不超过20%时，在取冷过程的前70%～80%时间内，下进上出方式的取冷出口温度只有0.2～2℃，末期取冷温度则逐渐上升到7℃；而上进下出方式在取冷的大部分时间平均温度在2～4℃甚至还略高一些，但取冷末期则较快地上升到7℃。对比两者结束时的槽内平均水温可知，上进下出的M17为8.7℃，下进上出的M22为6.22℃，前者高于后者2.5℃，从而可以多取出一部分显热冷量。总之采用上进下出取冷方式可以较多地取出槽内水的显热冷量，但是绝大部分时间取冷过程中的平均出口温要高于下进上出方式。
　　
　　　　　　　　　　　　　图3 冰槽水流进出口方式的影响 　　
　　
　　如果以出口水温达到4℃作为取冷过程的结束点，下进上出的M22可以取出约80%的冷量，上进下出的M17只能取出不到50%的冷量，此时冰槽内还存在大量的冰。同时两者的槽内平均水温基本一致。因此，当用户需要4℃左右的低温水时，应该采用下进上出的供冷方式，特别是如果用户的供冷水系统采用变流量大温差方式的时候更为合适。
　　不同的取冷水流方向之所以引起取冷特性不同，主要是槽内水的流动换热的惯性力和浮升力的综合作用导致盘管外的冰层融化状况不同。
　　为了能够更突出地研究外融冰能够长时间取出低温水的优点，在下面的讨论中，将主要针对下进上出取冷方式对影响取冷特性因素进行考察。

　　2．2．2 流量
　　不论是蓄冷过程还是取冷过程，都必须由一定流量的某种介质将冷量输送到换热装置进行换热，但是在蓄冷过程以及内融冰的取冷过程中载冷剂在盘管内流动并与管外进行换热，因此流量必然影响到管内流体与内壁面的表面传热系数，从而影响到换热速率，而外融冰则是直接将冰槽内与冰接触换热的水送出，流量对换热过程的影响就会有所不同。
　　在图4中给出了3次下进上出方式的外融冰取冷出口温度曲线，编号为24，27，28的实验分别对应流量G=4.6，8，10m³/h，取冷负荷强度均为q=28kW，从而取冷温差分别为Δt=5.2，3，2℃。实验结果表明取冷水流量增大时冰槽出口水温有所升高，但是温度偏差不超过1℃，并且3次实验都是表明在取冷的前三分之二时间内出口水温都是在1～2℃甚至更低一些。可以看出，流量的变化对于外融冰取冷出口水温没有实质性的影响，因此从取冷特性以及减少泵耗角度看，在可能的情况下减小流量是有利的，当然也不可能无限减小，因其要受到用户处换热器的允许最大进出口温差的限制。 　　
　　　　　　　　　　　　图4 流量的影响

　　2．2．3 冰槽进口温度
　　当取冷进口温度变化时，会影响到出口温度、取冷速率等参数随时间的变化规律。
　　在实验M30，M31，M32中，t_i=12，11，10℃左右，G=3.6 ³/h，均为下进上出取冷水流方式，无搅拌。其取冷进出口、取冷速率和取冷量曲线见图5。 　　

　　　　　　　　　　　　图5 进口水温的影响
　　
　　比较各次实验的结果发现，随着t_i的升高，t₀也升高，但是升市高的幅度要远小于相应的t₀的幅度，导致取冷进出口温差升高，q随t_i的升高而升高。从槽内冰水换热角度看，t_i，t₀均有升高，必然使槽内水流通道平均水温有所升高，从而冰水总换热量增加。
　　同时，如果以t₀=4℃ 作为取冷结束条件，则t_i分别为12，11，10℃时的取冷率分别为：70%，72%，73%，即进口水温越低，可以取出更多的冷量，从而可以更充分地利用蓄冰装置的蓄冷能力，如果进口水温降低到7℃时更加明显。因此，在不考虑取冷负荷强度时，如果用户要求4℃低温冷源，并且在取冷过程中控制冰槽进口温度恒定时，选择进口水温较低时其设备容量利用率更高一些。