容器高寬比對換熱管周圍的凍結特性影響研究*

王強勝,孔春輝,李建雄,王任遠

(河南工學院 機械工程學院,河南 新鄉 453003)

0 引言

能源晝夜供需存在著嚴重不平衡問題,不斷尋求新的儲能技術是實現能源可持續發展的必由之路。相變蓄冷技術可利用相變物質溶化、凝固過程中的潛熱變化,在夜間電力低谷時段制冰,白天用電高峰期通過融冰供冷,是一種具有重要的社會和經濟雙重效益的供冷新技術[1-2]。相變蓄冷技術一方面可降低冷水機組在電力高峰期的供冷壓力,有效實現電力“移峰填谷”,另一方面,通過管理空調的蓄冰和融冰時間,可以有效節約系統運行費用[3]。有關冰蓄冷的儲冷機理,很多學者已經展開了相關的實驗或者數值模擬研究。白青松等[4]通過搭建固液相變可視化測量系統,對方腔中內嵌通孔金屬泡沫的蓄冰過程開展了實驗研究,發現未凝固相局部自然對流導致凝固相界面發生傾斜,呈現下部略快于上部的凝固界面。Anisr等[5]通過實驗研究了不同相變材料的凝固行為和融化特征。陳晨等[6]采用焓-多孔度法追蹤固液相界面,分析了蓄冷腔體尺寸和幾何形狀對凝固時間和相界面演化的影響。Hirose等[7-8]對水平放置的橢圓形換熱管內的相變物質熔化過程和規律進行了實驗研究,并采用單域模型和邊界固定法對圓形換熱管周圍水的凍結特性進行了數值分析,得出了浸入水中的橢圓形換熱管內以及圓形換熱管周圍的相變物質流動規律和傳熱特征。王強勝等[9-10]通過搭建小型相變儲能平臺,用實驗和數值模擬分析了多管換熱器周圍水的凍結特性以及換熱管間固相物質的橋接時間預測方法,初步得出了換熱器管型和橋接現象對儲能效率的影響規律。

在靜態型冰蓄冷系統中,隨著換熱管周圍凝固過程的進行,傳熱熱阻增大,降低冰的凝固效率,從而造成整個系統蓄冷效率降低,因此,研究不同條件下蓄冷槽內冰的生長特性和變化規律對提高蓄冷效率顯得十分重要。本文在已有研究的基礎上,通過實驗分析了容器高寬比、初始水溫和換熱管空間分布等因素對冰蓄冷系統制冰效率的影響規律。

1 實驗裝置和實驗方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置主要由實驗部、恒溫液體循環裝置、圖像采集相機、溫度采集系統以及信息綜合處理系統等構成,整個裝置如圖1所示。實驗部由橢圓形換熱管和固定換熱管的丙烯板以及螺栓等構成,圖中黑點部分為本實驗中的測溫熱電偶分布,如圖2所示。研究表明,使用橢圓形換熱管可以影響凍結過程中的自然對流情況,為了研究換熱管形狀的影響規律,本文將直徑40.0mm,壁厚2.0mm的銅管壓至橢圓率為0.9的橢圓換熱管。

1.實驗水槽2.換熱管3.冷媒4.恒溫液體循環系統5.圖像采集相機 6.熱電偶7.溫度采集系統8.信息綜合處理系統圖1 實驗裝置示意圖

圖2 實驗部詳細結構示意圖

1.2 實驗方法

本文分析了容器高寬比、初始水溫和換熱管空間分布等因素對冰蓄冷系統中制冰效率的影響規律。特別的,為了分析重力因素對自然對流的影響,比較了橢圓換熱管縱向型配置與橫向型配置條件下,換熱管周圍冰的生成行為特性差異。文中,橢圓管的長軸方向與重力方向相同時稱為縱向型配置,橢圓管的長軸方向為水平方向時稱為橫向型配置。換熱管內循環有保持一定溫度的35%體積濃度的環丙烯醇水溶液,用以控制換熱管壁面溫度。實驗部整體浸沒在裝滿水的水槽里進行沉入實驗,水槽高270mm,寬250mm,沿換熱管軸向長235mm。為了防止實驗過程中外界環境與實驗部熱交換所產生的影響,實驗過程中用絕熱材料覆蓋了除可視化端面以外的所有部分。

為了驗證容器高寬比對換熱管周圍凍結行為特征的影響,本文準備了3種體積相同但正向橫截面積不同的儲能容器,具體參數設置如圖3所示。容器內的正向橫截面積均固定為0.026m2。

(a)模型1 (b) 模型2 (c) 模型3圖3 儲能容器高寬比示意圖

表1所示容器的高寬比定義為容器高度除以容器寬度。采用內徑0.2mm的T型熱電偶,分別測量了上管和下管周圍的水溫。另外,從換熱管正面可以采集到凝固界面形狀隨時間的變化規律。實驗條件設置如表1和表2所示。由于水具有在4℃時密度最大的特性,為了分析水的密度反轉特性對換熱管周圍冰的生成特性影響,本文設置了4℃和7℃兩種初始水溫,在初始水溫為7℃時,水的冷卻過程中密度會先增大后減小。

表1 不同高寬比容器設置參數表

表2 初始水溫和換熱管配置組合表

1.3 評價方法

本文實驗結果主要以換熱管周圍凍結開始3小時內的冰的生成量為評價指標。通過圖像采集系統獲取實驗過程中的凍結界面隨時間的變化情況。用圖像處理軟件抓取通過貝賽爾曲線連接的近似閉環曲線為凍結界面,本文定義凍結界面形狀的凝固率ζ由公式(1)給出。

ζ=As/Ac

(1)

其中,Ac為換熱管面積/[m2],As為冰的面積/[m2]。

2 實驗結果及討論

2.1 容器高寬比影響

本小節所有實驗結果若非特殊說明均在實驗條件1下得出。圖4為各高寬比容器凍結開始后120分鐘時容器內的凍結界面圖像。由圖可知,在高寬比較小的容器中,下部換熱管和容器下部壁面之間生成的冰較薄,原因為水的密度變化。由于初始水溫為4℃且水在4℃時密度最大,隨著冷卻過程的進行,被冷卻的水的密度變小,容器內產生向上的浮力,結果溫度較低的冷卻水在自然對流的影響下被帶到容器的上部,而沒有被冷卻的4℃的水則滯留在容器下部。此時,在高寬比較小的容器內,密度最大的4℃水層積累到下部換熱管的周圍,結果抑制了下部換熱管周圍的自然對流,導致下部換熱管周圍凍結率較低。

(a) 模型1 (b) 模型2 (c) 模型3圖4 實驗條件1,各高寬比容器120分鐘時換熱管表面凍結圖像

另外,在高寬比較小的情況下,上部換熱管周圍生成的冰與附近的壁面接觸,導致上部換熱管周圍冰的生長受到阻礙。因此,為了提高系統的冰蓄冷效率,收納換熱管的儲能容器最好使用高寬比較大的容器。

圖5為各高寬比容器的整體凝固率?？梢钥闯鱿嗤瑫r間內高寬比較大的容器的凝固率較高。這是因為水的密度變化引起的向上浮力產生了上升冷流,在高寬比大的情況下,上升冷流加速,從而加速了冰的生成。

圖5 實驗條件1,各高寬比容器的整體凝固率

圖6為上換熱管和下換熱管各自的凝固率隨時間的變化關系。當容器的高寬比較小時,凝固率降低,特別是下部換熱管,凍結開始60分鐘前凍結率幾乎為零。

圖6 實驗條件1,上部換熱管和下部換熱管各自的凝固率

2.2 換熱管管型配置影響

本小節所有實驗結果若非特殊說明均在實驗條件2下得出。圖7為各高寬比容器凍結開始后120分鐘時容器內的凍結界面圖。換熱管橫向配置時,在所有容器中,均發生了即使上部換熱管周圍的水溫達到凝固溫度時而無法凝固的過冷現象。結合圖8可發現,在一段時間內,過冷現象解除的同時,凝固率隨時間變化的斜率增加了。這是因為換熱管橫向配置時,由密度變化引起的水的浮力產生的上升冷流離開上部換熱管,滯留在容器上方引起的。同時也可推測該種設置條件容易引起過冷現象的發生。

(a)模型1 (b) 模型2 (c) 模型3圖7 實驗條件2,各高寬比容器120分鐘時換熱管表面凍結圖像

圖8為換熱管不同管型配置時的凝固率。由圖可知,無論橢圓形換熱管橫向型配置還是縱向型配置,高寬比較大時的凝固率較高。橫向型配置換熱管與縱向型配置換熱管相比凝固率低,原因為換熱管橫向型配置時阻礙了上升冷流,引起上部換熱管上方的自然對流停滯,上部換熱管周圍的冷卻過程變慢。

圖8 實驗條件2,換熱管不同管型配置時的凝固率

圖9為過冷現象發生時的圖像。過冷發生時,如圖所示的片狀薄冰生成于上部換熱管和容器上壁面之間。這是因為上部換熱管周圍的自然對流停滯,冷卻過程緩慢,容易產生過冷條件。

圖9 過冷現象

2.3 初始水溫影響

圖10為實驗條件3,各高寬比容器凍結開始后120分鐘時容器內的凍結界面圖。整體趨勢表明,與初始水溫4℃的情況相比,初始水溫7℃時實驗初期的凝固率較低。觀察各實驗條件下的凍結率隨時間的變化規律發現,不管初始水溫條件如何,在容器高寬比較大的條件下,冰凝固率較高,即該條件下冰的生成效率比其他形狀容器的要高。

(a) 模型1 (b) 模型2 (c) 模型3圖10 實驗條件3,各高寬比容器120分鐘時換熱管表面凍結圖像

圖11為初始水溫不同時各高寬比容器的凝固率。與4℃的情況相比,初始水溫為7℃時的凝固率較低,這是因為初始水溫為7℃時需要首先冷卻降低整個容器的水溫,導致整個凝固過程開始時間推遲。但是,由于凝固過程開始后凝固率的斜率沒有變化,所以在初始水溫變化的情況下,對各高寬比容器條件下凝固率的時間變化率沒有顯著影響,即初始水溫變化僅影響凍結開始的時間,而對凝固效率幾乎沒有影響。

圖11 初始水溫與凝固率關系圖

3 結論

為了研究換熱管周圍冰的凍結特性和影響因素,采用實驗方法將圓形換熱管壓制成了橢圓形換熱管,并在實驗過程中改變了水的初始溫度,換熱管管型配置以及容器的高寬比,分析了不同條件下換熱管周圍冰的生長特性和規律。研究結果表明:

(1)在容器高寬比較大的情況下,冰的生成效率較高;設計冰蓄冷系統時應使下部換熱管與密度最大的4℃水層充分分離。

(2)上部換熱管和壁面接近且換熱管為橫向型配置時,容易發生過冷現象。

(3)初始水溫高于4℃時產生的水的密度反轉現象對凝固率的時間變化率沒有顯著影響。