冰蓄冷装置强化换热技术的研究进展

陈婷

摘 要：冰蓄冷技术是在实施峰谷电价政策的地区，利用低谷电价时段进行制冰蓄能，为高峰电价时段提供冷量的经济节能技术。冰蓄冷技术同时具有均衡电力负荷、降低运行成本的特点。该文介绍了目前不同蓄冷方式下强化换热的研究现状，并重点阐述了盘管式冰蓄冷和动态蓄冷在强化换热方面的最新研究成果，为冰蓄冷系统的研究和应用提供一定的参考和建议。

关键词：冰蓄冷 强化换热 静态蓄冷 动态蓄冷 研究现状

中图分类号：TK02 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）12（b）-0069-02

从20世纪七八十年代开始，美国以及欧洲的一些国家就开始研究冰蓄冷技术。我国的冰蓄冷技术经过近年来的研究和实践，也有了突飞猛进的发展。

在提高冰蓄冷系统运行效率的研究中，如何增加蓄冰率（蓄冰量与蓄冰槽容积之比，IPF）、蓄融冰效率等问题越来越受到人们的关注。目前，对静态蓄冷的研究主要在盘管式和冰球式蓄冷，动态蓄冷主要在冰片滑落式和冰浆式蓄冷。该文主要针对静态蓄冰和动态蓄冰的蓄冷系统，介绍了蓄融冰传热特性和强化换热技术。

1 冰蓄冷技术发展现状

我国大陆地区从20世纪90年代初开始建造冰蓄冷空调工程。目前，全国已建成投入运行和正在施工的工程多达681个。2010年建成的北京南园商业金融大厦采用的便是冰球封装式冰蓄冷空调；其中的CRYOGEL蓄冰球添加了AgI胶体成核剂，用以降低結冰过冷度，加快蓄冰和融冰速度。2011年建成的中国铁道建筑总公司办公楼采用的是冰盘管式冰蓄冷空调；系统中使用的杰美利不锈钢蓄冰槽也通过内置循环泵，产生对流扰动，强化了盘管蓄融冰换热。

2 静态蓄冷强化换热

2.1 冰盘管蓄冷强化换热

盘管式蓄冷装置蓄冷时，盘管外的水与盘管内的载冷剂进行换热，使蓄冰槽内的水结冰；融冰时，蓄冰槽内的冰再与盘管内的空调回水或者高温载冷剂进行换热，融化成水。

2.1.1 蓄冰强化换热

盘管在蓄冰时的动态换热过程同时伴有相变和边界移动。Bingxi Li等[1]研究了单根盘管的蓄冰特性，建立了三维动态模型，为研究不同管径、载冷剂不同流速等因素对传热性能的影响提供了理论依据。邹春阳[2]在蓄冰槽开口状态下实验研究盘管结冰过程，对比了不同风速对结冰特性的影响。

盘管式冰蓄冷装置，在蓄冰过程中，随着冰层的加厚，热阻增大，传热会恶化，蓄冰效率会降低。张奕[3]通过实验对不同冰层厚度时冰层的生长情况进行了观测，得出的结果表明：随着冰层的增厚，单位时间内的制冰量会越来越小。

实际的工程中，通常采用强制扰动的方法来强化蓄冰时的传热效果。高校中对蓄冰过程的强化换热的研究集中于管外缠绕金属丝网。在盘管外缠金属丝，可以提供成核基底，改善润湿性，增加传热面积。

2.1.2 融冰强化换热

盘管式冰蓄冷系统在蓄冰时，管外介质完全冻结。随着贴近管壁的冰层融化成水，水层会产生热阻，不利于融冰换热，融冰速率较低。

不完全冻结式蓄冰装置的蓄冰率较低，盘管冰层外仍充有液态的蓄冷介质。在融冰时，贴近管壁的冰融化，盘管外的冰层因浮力向上浮动，冰层下边缘则始终贴着盘管，因此避免了水层的热阻，提高了融冰速率。不完全冻结式换热比较均匀，可以保持更低的载冷剂出口温度，适用于与低温送风系统和区域供冷。

融冰后期，蓄冰槽内的残冰难以融化，垂直温差较大。肖睿[4]在蓄冰槽的中下部，添加了一路强化换热的水平盘管与竖直的主盘管交叉布置，由阀门进行控制，在融冰时，阀门打开，与主盘管一起通入载冷剂。结果表明，该装置减小了蓄冰槽垂直温差，提高了融冰的速率。

2.2 冰球蓄冷强化换热

冰球式蓄冷装置蓄融冰过程都是槽内的水与球内的相变介质换热。

法国的ATE蓄冰装置在2008年推出了ATE-IC型号的蓄冰球。该冰球表面呈凸起状，增大了表面的换热面积，而且对冰球外的蓄冷介质也能起到很到疏导作用。其内设置有膨胀吸收腔，可以吸收结冰期间水的膨胀量，融冰后期，还可将球中冰块分裂，融冰速率得以提高。

结冰量的多少和过冷度、温度下降速度有关。强化换热，减少相变时间，还可以从提高相变介质的导热系数方面入手。如果在相变介质中加入纳米碳管、碳纤维或者基质结构的材料，可以提高相变介质的导热系数。

程文龙[5]实验将高孔隙率的泡沫金属材质与相变储能材料相结合，其导热系数要远远大于原本的相变储能材料。杨秀等[6]对填充了泡沫铝的蓄冰球融冰传热过程进行了数值模拟。考虑了其相变介质过冷度以及由冰球垂直方向上的温度差引起的自然对流作用的影响，建立了二维融化相变过程的自然对流模型。结果表明，充入泡沫铝，融化相变时间缩短了，融冰速率也提高了。泡沫金属的孔隙率越小对蓄融冰换热的强化作用越明显，但蓄冰球的有效容积也会相应减少。

3 动态蓄冰强化换热

动态蓄冰的结冰与融冰两个过程，分别发生在结冰装置和储冰装置内。结冰过程中，或制成冰片，或制成冰晶，与制冰装置脱离，存入储冰装置，都可以避免因冰层加厚、热阻增加而带来的传热恶化问题。

3.1 冰片滑落式蓄冷

蓄冰介质流过板式换热器，与低温乙二醇释换热，冷凝成冰，冰层厚度达5～8 mm；板式换热器内通入高温乙二醇，20～60 s后，冰层脱落，收集于储冰槽内。

王六民[7]研究了滑落式片冰机的蓄冷特性，建立了蓄冰槽蓄冰时的数学模型，为蓄冰槽经济尺寸、经济水位的选取提供了理论依据。胡翌[8]研究了制冰周期与制冰量之间的关系。制冰周期过短，会损失大量，冷量制冷量下降；制冰周期过长，冰层过厚，产生传热恶化。其通过多次实验，论证了如何适时地调整制冰周期，为系统经济运行提供了依据。

3.2 冰浆式蓄冷

冰浆是制取直径约80～100μm的冰晶与水溶液混合。与冰片式相比，冰浆具有更好的流动性，温度稳定，更易被水泵输送。

冰浆的形成有过冷水式、刮刀式、直接接触式以及流化床式等。目前工程应用最广泛的是过冷水式与刮刀式。其中，刮刀式可以及时清除换热壁面的过冷水，能避免壁面冰层堆积造成传热恶化。张海潮等[9]研究了刮刀式动态冰浆蓄冷的制冰特性。实验结果表明，同样条件下制冰速度、制冰量、耗能量都优于盘管式冰蓄冷。

直接接触式与间接式相比，传热热阻较小，未来将有很好的发展前景。

4 结语

冰蓄冷系统作为未来储能技术的发展方向之一，强化其蓄融冰过程的传热特性，用以减小系统耗能、提高运行效率，显得尤为重要。冰盘管式蓄冷装置的蓄融冰强化换热，一直是研究重点；近几年，冰浆动态蓄冰的研究也逐渐成为研究热点。对于强化冰盘管的传热，可以从更改管外结冰方式、添加促进成核的基底以及增加扰动对流等方面入手。对于冰球封装式蓄冷，则可以从冰球形状和混合相变材料两方面进行改进。动态蓄冷也可以以缩短制冰周期（在不影响制冰量的前提下）、增加冰浆的流动性、避免“冰堵”等方式来强化换热。未来，冰蓄冷技术的系統能耗势必会大幅度下降。从而有望做到真正意义上的节约能源，服务社会。所以应该在因地制宜的前提下，大力推广冰蓄冷技术。

参考文献

[1] Bingxi Li， Xinhai Xu， Yi Liu. Effects of initial Parameters on the internal-melt ice-on-tube while icing[J].Journal of Mechanical Science and Technology， 2009（7）：1808-1812.

[2] 邹春阳.自然冷资源利用中贮冰蓄冷试验研究[D].东北农业大学，2012.

[3] 张奕，黄虎，张小松.盘管冰蓄冷装置管外结冰过程研究[J].哈尔滨工业大学学报，2004（10）.

[4] 肖睿，何世辉，杜艳利，等.直接蒸发式冰蓄冷空调的蓄冰槽融冰强化换热[J].工程热物理学报，2008（9）：1524-1526.

[5] 程文龙，韦文静.高孔隙率泡沫金属相变材料储能、传热特性[J].太阳能学报，2007（7）：739-744.

[6] 杨秀，陈振乾.蓄冰球中填充泡沫铝的融化相变传热过程的数值模拟[J].化工学报，2008（S2）：139-142.

[7] 王六民.片冰机/冷水机组蓄冰槽在蓄冰和融冰时的特性研究[D].湖南大学，2004.

[8] 胡翌.冰片滑落式冰蓄冷系统的研究[D].东华大学，2006.

[9] 张海潮，肖睿，宋文吉，等.动态冰浆制造系统的温度与制冰特性研究[C]//中国制冷学会2009年学术年会论文集.2009.