盘管冰蓄冷装置蓄冷特性的数值模拟分析

摘要

近年来，现代化建筑中空调用电量巨大，占建筑物总用电量的50％。空调不仅耗电大，而且其冷负荷高峰时间与城市用电尖峰期相吻合，加剧了峰谷供电的不平衡和供电不足的矛盾，而蓄冷式空调系统能较好的解决这一问题。为了满足家用蓄冷空调的要求，因此小型冰蓄冷空调系统应运而生，然而国内外对小型冰蓄冷蓄、融冰的研究处于正在成熟阶段，因此，本文利用数学模型来进一步研究小型冰蓄冷空调系统的蓄冰特性。 蓄冰过程中，管子内外存在复杂的相变过程，即管内汽化相变过程和管外凝固相变过程，本文仅考虑管外的凝固相变过程。文中以蓄冰槽内的某一直管段和管段截面作为研究对象，建立了直接蒸发式盘管结冰过程的数学模型，运用FLUENT模拟软件对六组不同蒸发温度和不同初始水温的工况进行二维数值模拟。针对研究对象的具体特点，经过反复试算确定出网格划分的步长为1mm，对存在冰水两相状态的直管段及管段截面进行模拟，采用多相流中的VOF模型及界面追踪法进行模拟计算。 在建成数理模型之后便开始进行数值模拟，在此数值模型的指导下设计完成蓄冰周期为3h的蓄冰过程，模拟出蒸发温度分别为-5℃，-10℃，-15℃和初始温度分别为10℃和15℃的六种工况下的蓄冰过程，并且模拟计算出蓄冰槽内温度分布、管外冰层厚度、蓄冰率以及蓄冰量随蓄冰时间的变化规律。 通过对模拟结果分析研究，得出盘管外融冰系统的蓄冰特性规律，即蓄冰过程可以大体分为显热快速蓄冷阶段、潜热快速蓄冷阶段及潜热慢速蓄冷阶段。蓄冷量代表显热蓄冷和潜热蓄冷的总和，得出整个蓄冰过程的变化规律。蓄冷量呈现出在前约1/5时期内阶段增长速度最快，后期增长逐渐减慢的趋势；制冷剂的蒸发温度影响蓄冰的全过程，蓄冷量随时间变化曲率随蒸发温度的不同而不同；初始水温对蓄冰量的影响较小，主要存在于蓄冰过程中的显热蓄冷阶段。 最后将数值模拟结果与实验结果进行对比分析，表明数值模拟结果能较好的反应实验情况，进一步验证了数值模拟的可靠性，并且本文选择出最佳蓄冰工况。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题研究背景及意义

1.1.1课题研究的社会背景

1.1.2应用冰蓄冷空调技术的意义

1.2国内外的发展现状

1.2.1冰蓄冷技术在国内外的发展

1.2.2小型蓄冷空调系统在国内外的发展现状

1.3冰蓄冷空调技术

1.3.1冰蓄冷空调技术的发展

1.3.2蓄冷空调技术类型及特点

1.3.3冰蓄冷技术运行策略及运行模式

1.3.4蓄冷空调技术的研究

1.3.5小型冰蓄冷空调系统的原理

1.4蓄冰过程相变传热的数值解法

1.5本课题的研究内容和目的

2数值模拟的理论基础

2.1数值模拟研究

2.1.1数值模拟技术的发展

2.1.2数值模拟的应用

2.1.3 FLUENT简介

2.2常用数学模型

2.3多相流模型

2.3.1多相流的研究方法

2.3.2 Fluent中的多相流模型

2.3.3多相流模型的选择

2.4界面跟踪法

2.4.1界面追踪技术

2.4.2 VOF控制方程

2.4.3模型控制方程的建立

2.5本章小结

3数学模型的建立

3.1研究对象及物理模型

3.1.1研究对象及尺寸

3.1.2模拟区域

3.2物理模型的建立和计算区域离散化

3.2.1物理模型

3.2.2计算区域离散化

3.3物性参数

3.4边界条件的处理和确定

3.4.1流体进出口边界条件

3.4.2壁面边界条件

3.5初始条件

3.6本章小结

4蓄冰过程的数值模拟过程及结果

4.1 FLUENT数值求解过程

4.1.1选择合适的解算器

4.1.2输入网格和检查网格

4.1.3选择解的格式

4.1.4定义基本模型和流体物性

4.1.5定义边界条件

4.1.6控制方程的离散化

4.1.7流场初始化

4.1.8迭代计算

4.2数值模拟结果

4.2.1管段截面的温度场分布

4.2.2管段截面的管外结冰厚度分布

4.2.3直管段上的结冰厚度分布

4.3模拟结果与分析

4.3.1温度随蓄冰时间的变化曲线图

4.3.2管外平均冰层厚度随蓄冰时间的变化曲线图

4.4本章小结

5模拟结果与实验结果对比分析

5.1小型冰蓄冷空调系统实验

5.1.1实验装置

5.1.2蓄冰过程的实验步骤

5.1.3实验数据的处理

5.2模拟与实验数据对比分析

5.2.1蓄冰槽内空间的温度分布

5.2.2管外冰层厚度随时间的变化

5.2.3蓄冰率(IPF)随时间的变化

5.2.4蓄冰量随时间的变化

5.3误差分析

5.4本章小结

6结论

6.1结论

6.2今后研究工作展望

致 谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文