茅靳豐 吉少杰 李偉華 李永

解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院

基于Fluent的蓄冰槽氣體取冷特性研究

茅靳豐 吉少杰 李偉華 李永

解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院

為了探討不同進氣狀態(tài)下的蓄冰槽釋冷特性，通過對蓄冰槽與進風(fēng)氣體的耦合傳熱過程分析，建立了矩形蓄冰槽內(nèi)外兩側(cè)的二維傳熱模型，基于CFD軟件Fluent對不同進風(fēng)溫度、進風(fēng)速度的工況進行了數(shù)值模擬，得到出風(fēng)溫度和冰的融化率在不同工況下隨時間的變化特性。結(jié)果表明：進風(fēng)溫度越高，出風(fēng)溫度越高，同時出風(fēng)溫度的降幅越大，進風(fēng)溫度對融冰速率的影響越明顯；進風(fēng)速度越大，出風(fēng)溫度減少量越小，進風(fēng)速度對融化速率的影響越弱。

凝固融化模型 氣固耦合傳熱 融化速率

隨著冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展和完善，將室內(nèi)高溫空氣直接與蓄冰槽進行熱交換的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)以其蓄冷量大、設(shè)備簡單、空間利用率高等特點越來越受到人們的重視，尤其是在一些應(yīng)急避難場所、軍事設(shè)施、易燃易爆物品倉庫和食品冷藏室等已經(jīng)有了初步應(yīng)用[1～4]。

蓄冰槽在釋冷過程中伴隨著冰的導(dǎo)熱，冰水相變，水的自然對流等因素，其傳熱過程比一般的傳熱復(fù)雜得多，這使得對蓄冰槽的氣體取冷特性研究變得十分困難。雖然眾多研究者對冰蓄冷空調(diào)的融冰特性開展了深入研究[5～9]，但由于氣體取冷冰蓄冷空調(diào)結(jié)構(gòu)的特殊性，其融冰特性的研究還比較少。本文基于CFD軟件Fluent的融化模型，對氣冰耦合傳熱過程進行合理簡化，從氣體的進風(fēng)溫度，流速兩個方面對蓄冰槽融冰與氣體取冷特性進行了研究。

1 蓄冰槽氣冰耦合傳熱模型

1.1 物理模型

融冰取冷時，流經(jīng)蓄冰槽外壁的高溫空氣通過對流換熱帶走熱量，使蓄冷槽內(nèi)的冰自外向內(nèi)融化。整個過程的傳熱機理主要包括空氣與槽體的對流換熱，槽體的導(dǎo)熱，槽體與水的對流換熱，水的自然對流，冰水相變，冰的導(dǎo)熱等。模型選取了尺寸為310mm× 150mm的冰塊放置在尺寸為330mm×170mm的槽體中，整個槽體位于400mm×200mm區(qū)域內(nèi)，進出風(fēng)口位于左右兩邊中間，高度為30mm。其二維結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 蓄冰槽氣冰耦合傳熱模型

為了簡化問題，便于分析，氣冰耦合傳熱模型做如下假設(shè)：①槽內(nèi)冰的初始溫度均勻一致，為一常數(shù)tice≤0℃；②在整個傳熱過程中空氣、鋁、水、冰的物性參數(shù)保持不變；③蓄冰裝置保溫性能良好，忽略其與周圍環(huán)境的換熱；④相變過程中引起的體積變化忽略不計；⑤忽略融化過程中水的自然對流，認為水處于無擾動狀態(tài)；⑥交換的熱量大部分用來融化冰，只有一小部分用來升高冰溶化后水的溫度；⑦流固壁面的傳熱為耦合傳熱。

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 外層空氣側(cè)的數(shù)學(xué)模型

空氣在蓄冰槽壁面被冷卻，產(chǎn)生自然對流，同時又有入口處的水平風(fēng)速，形成空氣的強制對流，通常是湍流流動，因此選用應(yīng)用較為普遍的k-ε湍流模型進行數(shù)值模擬。

湍流粘度：

式中：Cμ為常數(shù)；k為湍流動能；ε為湍流動能耗散率。

1.2.2 蓄冰槽內(nèi)冰側(cè)的數(shù)學(xué)模型

由于涉及到冰的融化，選用Fuent內(nèi)部融化/凝固模型，此模型采用“熱焓法模型”進行數(shù)值模擬，將熱焓和溫度一起作為待求函數(shù)，在整個區(qū)域（包括液相、固相和兩相界面）建立統(tǒng)一的能量方程，利用數(shù)值方法求出焓值后，再確定兩相界面。這種方法具有毋須跟蹤相變界面和不必將液相區(qū)和兩相區(qū)分開處理的優(yōu)點[10]。

式中：ρ，c，Tm，ρs，cs,，λ，ρl和cl分別為蓄冷介質(zhì)密度，比熱容，相變溫度，固相密度和比熱，相變潛熱，以及液相密度和比熱。

1.2.3 定解條件

設(shè)定冰的初始溫度為0℃，為了分析空氣進風(fēng)溫度，風(fēng)速對整個取冷過程的影響，分別選用進風(fēng)溫度為298K，303K，308K；速度為0.5m/s，1.0m/s，1.5m/s各三種工況進行模擬。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 不同的進風(fēng)溫度、速度對出風(fēng)溫度的影響

為了分析不同進風(fēng)溫度、速度對出風(fēng)溫度的影響，分別在進風(fēng)風(fēng)速為0.5m/s條件下，對進風(fēng)溫度分別為298K、303K和308K三種工況和在進風(fēng)溫速為298K條件下，對進風(fēng)速度分別為0.5m/s，1.0m/s，1.5m/s三種工況進行模擬，其結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 不同進風(fēng)溫度條件下出風(fēng)溫度隨時間變化

圖3 不同進風(fēng)速度條件下出風(fēng)溫度隨時間變化

從圖2中可以看出，三種工況下進風(fēng)溫度越高，出風(fēng)溫度越高，但出風(fēng)溫度的降幅越大，其中進風(fēng)溫度為308K工況，平均出風(fēng)溫度下降了12.5K，降幅為4.06%；進風(fēng)溫度303K工況，平均出風(fēng)溫度下降了10.7K，降幅為3.53%；進風(fēng)溫度298K工況，平均出風(fēng)溫度下降了8.9K，降幅為3.00%，這是因為進風(fēng)溫度的增大提高了其與蓄冰槽壁面的溫差，加大了換熱量。從圖3可以看出，在進風(fēng)溫度相同的情況下，進風(fēng)速度越大，出風(fēng)溫度越高，這是因為進風(fēng)速度的增大縮短了其與蓄冰槽壁面的換熱時間，減小了單位流量空氣的換熱量。另外，每個曲線的出風(fēng)口溫度最初都隨時間緩慢上升，到達一定時間后，出風(fēng)溫度快速上升，同時溫度越高，速度越大，其出口溫度梯度越大。這是因為隨著冰的融化，水的導(dǎo)熱熱阻越來越大，降低了蓄冰槽與空氣之間的換熱量，出風(fēng)溫度緩慢上升；當(dāng)冰融化完之后，與空氣的熱量交換全部來自于水的顯熱，導(dǎo)致水溫上升較快，與空氣溫差減小，出風(fēng)溫度快速上升。由此可見，為了提高室內(nèi)溫度的舒適性，保持出風(fēng)溫度的恒定，當(dāng)進風(fēng)溫度較大時，增加蓄冰槽的并聯(lián)數(shù)量，減小了空氣在蓄冰柜內(nèi)的流動速度，就可有效降低出風(fēng)溫度，反之亦然。

2.2 不同的進風(fēng)溫度、速度對融化速率的影響

不同進風(fēng)溫度、速度條件下融化率隨時間的變化如圖4、圖5所示。從圖中可以看出，進風(fēng)溫度越高，速度越大，融化速率越快，且整個融化過程融化速率基本穩(wěn)定，融化速率隨時間略微減緩。進風(fēng)溫度從298K增加到303K，再增加到308K，兩次溫度升幅分別為1.68%和1.65%，而融化速率分別升高了19.35%和23.68%，說明進風(fēng)溫度越高對融化速率的影響越明顯。進風(fēng)速度從0.5m/s增加到1.0m/s，再增加到1.5m/s，兩次速度升幅分別為100%和50%，而融化速率分別升高了43.20%和18.00%，說明隨著進風(fēng)速度的增加，進風(fēng)速度對融化速率的影響越來越弱。由此可見，在對風(fēng)量要求不是很嚴(yán)格的工程中，只需要一個適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速，不必追求過高的風(fēng)速，因為過高的風(fēng)速必然導(dǎo)致消耗更多的資源，且對效率的提高也不明顯。

圖4 不同進風(fēng)溫度條件下融化率隨時間變化

圖5 不同進風(fēng)速度條件下融化率隨時間變化

3 結(jié)論

通過對蓄冰槽融冰與氣體取冷耦合傳熱過程進行數(shù)值模擬，可以得到不同時刻蓄冰槽內(nèi)外區(qū)域的溫度場以及融化界面位置和形狀，從數(shù)值模擬結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1）冰的融化過程具有比較清晰的相變界面，此相變界面隨時間以一定的速度在逐漸縮小，且減小速率逐漸變慢，說明融冰速率隨時間略微減緩。出風(fēng)溫度隨時間緩慢上升，當(dāng)冰完全融化之后，出風(fēng)溫度隨時間快速上升。

2）進風(fēng)溫度越高，出風(fēng)溫度越高，但出風(fēng)溫度的降幅越大，進風(fēng)溫度對融冰速率的影響越明顯。為了提高室內(nèi)溫度的舒適性，保持出風(fēng)溫度的恒定，當(dāng)進風(fēng)溫度較大時，增加蓄冰槽的并聯(lián)數(shù)量，減小了空氣在蓄冰柜內(nèi)的流動速度，就可有效降低出風(fēng)溫度，反之亦然。

3）進風(fēng)速度越大，出風(fēng)溫度越小，進風(fēng)速度對融化速率的影響越弱。考慮到工程應(yīng)用的效益問題，選用一個適當(dāng)?shù)乃俣燃纯伞?/p>

4）隨著融化的進行，蓄冰槽內(nèi)溫度分層越來越明顯，融冰結(jié)束時溫差達到7K，反映出隨著水層的加厚，忽略水的自然對流，單純認為水純導(dǎo)熱過程的誤差會變大。

[1]王寶龍,石文星,李先庭.空調(diào)蓄冷技術(shù)在我國的研究進展[J].暖通空調(diào),2010,40(6):6-12

[2]菅從光,衛(wèi)修君,樂俊.冰制冷降溫系統(tǒng)經(jīng)濟性運行分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2008,35(4):33-35

[3]趙運超,石發(fā)恩,劉小生,等.提高礦井制冷系統(tǒng)能效的探討[J].廣西大學(xué)學(xué)報,2012,37(2):387-392

[4]張寶剛,由世俊,馮國會,等.新型板式蓄冰設(shè)備的實驗研究[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報,2007,23(3):469-472

[5]肖睿,何世輝,杜艷利,等.直接蒸發(fā)式冰蓄冷空調(diào)的蓄冰槽融冰強化換熱[J].工程熱物理學(xué)報,2008,29(9):1524-1526

[6]王浩宇,吳義民,韓國軍.內(nèi)翅片換熱管內(nèi)相變材料融化的數(shù)值模擬[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報,2009,25(2):9-12

[7]方沛明,宛群,辛天龍.蓄冷槽蓄冷及釋冷特性實驗研究[J].真空與低溫,2010,16(2):118-122

[8]謝軍龍,葉燕琴,陳煥新,等.蓄冷空調(diào)內(nèi)融冰U形盤管融冰過程的數(shù)值模擬[J].暖通空調(diào),2009,39(3):119-122

[9]杜艷利,何世輝,肖睿,等.直接蒸發(fā)內(nèi)融式冰蓄冷空調(diào)的蓄冷和釋冷特性[J].制冷學(xué)報,2007,28(3):31-35

[10]衣永海,李維仲.受熱面上冰柱排的融化機理研究[J].太陽能學(xué)報,2010,31(6):723-726

Re s e a rc h on Air Ta ke Cold of Ic e Stora ge Ta nk Cha ra c te ris tic ba s e d on Flue nt

MAO Jin-feng,JI Shao-jie,LI Wei-hua,LI Yong
Engineering Institute of Corps of Defence,PLA University of Science and Technology

In order to discuss the discharge characteristic of ice storage tank in different inlet conditions,through analysis of the ice storage tank and the inlet air coupled heat transfer process,established the rectangular ice storage tank both inside and outside of the tow-dimensional heat transfer model,numerical simulated on different inlet air temperature,wind speed conditions based on CFD software fluent,get out of the outlet air temperature and ice melting rate change characteristic with time in different conditions.The results show that the higher temperature of inlet air,the higher temperature of outlet air,at the same time,the bigger declines of outlet air temperature,the more obvious inlet air temperature effect on the rate of ice melting；that the bigger inlet wind speed,the smaller declines of the outlet air temperature,the weaker effect of inlet wind speed on the rate of ice melting.

solidification and melting model,gas-solid coupling heat transfer,ice melting rate

1003-0344（2015）01-052-4

2013-10-9

茅靳豐（1962～），男，教授，江蘇省南京市白下區(qū)海福巷1號暖通教研室（210007）；E-mail:jishaojie@126.com