杜玉吉 周长江 丁为俊 郭保仓

中节能城市节能研究院有限公司

0 引言

发展冰蓄冷空调是实现电力移峰填谷主要手段之一。国内外学者已对静态蓄冰系统的设备结构[1-3]、传热特性[4-7]、技术经济性[6，8-9]等方面展开研究，发现由于冰的导热系数小，冰层越厚，热阻越大，制冷机的性能系数也越低。因此，学者纷纷将目光转移到动态制冰领域。

目前动态制冰主要有壁面刮削法、直接接触法、流化床法、真空法、过冷水法等，其中：壁面刮削技术耗电量大，刮刀需要定期更换[10]。流化床制冰装置对运行条件要求很高，且要防止换热管冰堵[11]。直接接触法存在冷媒与水的分离问题[12]。真空制冰法对气密性及真空度要求很高，系统复杂，能耗高[13]。

本文借鉴工业盐水制冰方法[14]，提出冰桶动态制冰工艺，针对制冰桶结构对蓄冰过程的影响进行了模拟分析。

1 新型动态制冰系统

冰桶动态制冰工艺流程如图1 所示。该装置包括制冰机组，布水泵，蓄冰槽，末端供水泵和制冰桶等。布水泵8 从蓄冰槽6 底部抽水，通过注水孔送至各个制冰桶，压缩机1 将蒸发器出来的制冷剂气体压缩成高温高压的制冷剂气体，高温高压气体进入冷凝器2进行冷凝放热，通过节流阀3 绝热节流将高压制冷剂液体变成低压制冷剂液体，低温低压制冷剂液体进入蒸发器进行气化吸热，从而完成一个循环。

图1 冰桶动态制冰工艺流程图

冰桶内的水不断被降温并进行结冰，生成冰水混合物，当冰层厚度达到设定值时，停止结冰，通过打开冰桶底部翻板，冰桶内的冰水混合物借助自重脱落进入蓄冰槽。整个脱冰过程无需借助辅助热源，不会对冷凝器换热效率产生影响，避免了制冰中间环节的冷量损失，单位时间制冰量大。且该制冰方式区别于静态制冰，无需将制冰桶内的水冻结成整块冰再脱模，机组蒸发温度不会随着冰层的持续加厚而不断降低。当冰层厚度达到设定值时即可将冰水混合物倒入蓄冰槽内，提高了制冰效率。

为防止冰桶内侧冰层倒不下来，可以考虑引入高温制冷剂脱冰。电动三通阀10 从冷凝器出口引部分温度较高的液态制冷剂送入制冰桶4，使紧贴冰桶部分的冰融化脱落，再让冰层靠自重滑落进入蓄冰槽6内。脱冰时，脱冰热量引至冷凝器出口温度较高的液态制冷剂，脱冰后制冷剂被过冷，然后直接进入膨胀阀进行膨胀，重新进入下一轮制冰循环，相当于在冷凝器和膨胀阀之间安装了过冷器，不但可以增加机组的制冰量，还不影响冷凝器的换热效率。由于制得的冰具有较大的表面积，换热效率高，因此该蓄冷系统可获得较高的释冷速率。

2 模型构建

2.1 制冰桶数学模型

制冰桶体积的大小将会影响冰块冻结速度，制冰桶尺寸大小直接决定了冰块尺寸大小。当冰块过厚时，冰块冻结时间过长，且影响冰块脱模。当冰块过薄时，冻结时间将缩短，但机组运行效率低。

制冰时间计算公式：

式中：t 为水在冰桶中的冻结时间，h；δ 为冰块上端的厚度，m；ty为制冷剂温度，℃；A、B 为冰块的特性系数。

由公式可知，冰块的冻结时间只与冰的厚度的平方成正比，而与冰块的高度关系不大，为此，在尽量保持冰的使用厚度的前提下，尽量减小其厚度，而增加其高度。在制冰桶体积不变的情况下，加大冰桶的表面积对加速结冰是一个有效的因素。

2.2 制冰桶物理模型

传统矩形制冰桶结构，易导致结冰速度不均匀，制冰时间周期长，制冰效率低，倒冰困难等问题。本文将制冰桶制成顶部小，底部大结构形式，上口用角钢围边，采用304 不锈钢材质，此种结构形式便于脱模，制冰效率高。

本文考虑三种制冰桶截面形式，分别是：矩形截面制冰桶、近椭圆形截面制冰桶、近菱形截面制冰桶。采用Fluent 建立的物理模型及尺寸如图（2）所示。

图2 三种截面形状的冰桶

3 结果与分析

3.1 不同截面形状对制冰性能的影响

在冰桶内水温设置为0.2 ℃和壁面温度设置为-10℃的边界条件下，模拟结果如图3 所示。从图3（a）中可以看到在此边界条件下，三种形状制冰桶内的平均温度均随时间的延长而降低，但是相同时间内近棱形截面冰桶结构桶内温度下降最大，如制冰时间为30 min 时矩形与近椭圆形截面制冰桶内平均温度接近，约为272.2 K，近菱形截面制冰桶内平均温度约为272.1 K，相差0.1 ℃。类似的，随着制冰时间的延长，三种形状制冰桶内的液相体积分数也随之降低，但在相同时间近椭圆形截面制冰桶内液相体积分数要明显低于其余两种（图3（b）），说明在相同时间内近椭圆形截面制冰桶的制冰速度要优于矩形与近菱形。

图3 制冰桶截面形状对制冰过程的影响

图4 为制冰30 min 时不同形状冰桶侧壁的结冰厚度情况。根据图中结果可以看出，三种冰桶在X 轴中心面方向的结冰厚度相近，在20 mm 左右，但在Y轴中心面方向上近菱形截面冰桶的结冰厚度为56 mm，要优于矩形及近菱形冰桶。

图4 制冰30 min 后制冰桶侧壁结冰厚度

根据模拟结果，近棱形截面制冰桶的制冰性要显著优于矩形及近菱形制冰桶。

3.2 不同倾角对制冰性能的影响

除了截面形状外，冰桶的倾角也对制冰性能有影响。制冰桶的倾角如图5 所示，采用Fluent 软件对制冰桶的倾角角度对制冰性能的影响进行了模拟，为减少模拟的时间，以前述的Y 轴中心面来代替整个冰桶，模拟边界条件与前述一致。

图5 不同倾角的制冰桶模拟结构参数

模拟结果如图6 所示。图6（a）和图6（b）分别展示了在不同倾角角度下冰桶内平均温度、液相体积分数随时间的变化，模拟结果表明制冰桶倾角越大，内部温度下降越快。结冰速度越快。

图6 不同倾角对制冰过程的影响

图7 展示了不同倾角下冰桶内侧壁结冰厚度及结冰厚度占宽度的比例，基本规律是冰桶倾角越大，侧壁结冰厚度越大，制冰厚度占宽度的比例越大。综合来看，近菱形制冰桶的倾角应极可能的大。

图7 制冰15 min 后制冰桶内侧壁结冰厚度及结冰厚度占宽度的比例

4 讨论

本文提出一种冰桶动态制冰系统，并通过Fluent模拟不同冰桶截面形式和倾角对制冰性能的影响。模拟结果显示，近棱形截面制冰桶的制冰性能最佳，且近棱形截面的倾角越大，制冰性能越好。以上结果没有考虑这些参数对脱冰性能的影响，需要在后续研究中研究此问题。

此外，在冰蓄冷制冰循环中，制冰时间的控制是相当重要的。制冰时间太长，随着冰层的加厚，低温制冷剂（载冷剂）的冷量传递会受到越来越大的影响，在一定时间内所结的冰量会越来越少。制冰时间太短，制冷机组会频繁的进行脱冰，制冰量会受到影响。因此，还需要进一步的研究控制制冰时间，才能更好的提高制冰效率。

本文提出的冰桶动态制冰系统，从形式上来说是以载冷剂作为中间冷媒制冰的。在冰蓄冷空调中最常用的载冷剂有氯化钙和乙二醇水溶液，两种溶液都适用于本文提出的新型动态蓄能装置的应用温度范围，虽然乙二醇密度和粘度比氯化钙小，运行时耗功较小，且对设备的腐蚀要比氯化钙小，但其也要添加缓蚀剂才能避免腐蚀,且乙二醇价格昂贵、又易挥发，运行时损耗严重，对人体也有毒害。因此，尽管氯化钙腐蚀性相对乙二醇要严重，但它廉价易得、损耗小、无毒、工艺成熟，添加缓蚀剂后也能抑制其对设备的腐蚀，因此用氯化钙水溶液作为新型动态蓄冷装置的载冷剂更合适。

5 结论

针对当前动态制冰技术存在的一些问题，本文提出了冰桶动态制冰新路线，并且就制冰桶结构对制冰过程的影响进行了模拟分析，主要结论有：

1）该工艺路线中冰桶底部设计有翻板，当冰层厚度达到设定值时，冰桶底部翻板自动打开，冰桶内的冰水混合物借助自重脱落进入蓄冰槽，具备动态制冰的特点。

2）利用Fluent 软件模拟分析不同截面形状冰桶及不同倾角对制冰性能的影响，结果发现近棱形截面的制冰桶制冰性能最佳，且倾角设计应尽可能大。

3）载冷剂的选择优先考虑氯化钙水溶液。