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降溫水簾再冷式冰蓄冷工程節能效果的理論分析軸流風機的安裝技巧
關鍵詞：冰蓄冷 再冷器 性能系數 節能
Abstract Presents operation principles of the sub-cooled ice-storage system, analyses affecting factors of this system by use of simulation calculation. The results reveal that the COP of this system is about 14% higher than that of the conventional system, and it can raise the evaporation temperature by 2℃ at night but needs no extra energy.
Keywords ice-storage, sub-cooler, COP, energy saving
★TsinghuaUniversity, China
0 引言
冰蓄冷技術是利用峰谷電價的差別將用電高峰時的空調負荷轉移到電價較為便宜的夜間從而節約運行費用。傳統的冰蓄冷工程可節約運行費用但不節能，但這主要是制冰運行期間為了得到0℃的冰，制冷機的蒸發溫度往往需要降低至-8℃，從而造成夜間蓄冷過程中制冷機運行的性能系數（COP）僅是白天的60%～70%，造成了能源的浪費。
冰蓄冷的制冰方式主要分為兩種。第一種是靜態制冰方式，即在冷卻管外或盛冰容器內結冰，冰本身處于相對靜止狀態。第二種是動態制冰方式，即冰相對于制冰介質是處于運動狀態。
靜態制冰法工程簡單，現已成為應用中的主流。然而，靜態制冰法也存在著由于冰層厚度的增加使熱阻增大，導致制冷機的性能工程（COP）降低的缺點。為了克服這個缺點，產生了制冰法中的收獲（harvest）制冰法。收獲制冰法利用熱量使一定厚度的冰脫落從而減小冰層厚度。
收獲制冰法有兩個階段：①制冰階段，采用的方法有水從冷卻表面流下和冷卻表面浸在水中；② 脫冰階段，有機械剝離法和熱融解剝離法。但收獲制冰法也存在剝離能耗較大的缺點，而再冷式蓄冷工程利用了新型的冰層剝離法--再冷器剝離法，減少了剝離能耗，較傳統收獲制冰法的效率有較大的提高。
1 再冷式冰蓄冷工程原理
1．1 工程簡圖及其原理
圖1為再冷式冰蓄冷工程的工程流程圖。它與傳統冰蓄冷工程的最大區別是在冷凝器與膨脹閥之間加裝了再冷器（sub-cooler）。再冷器剝離法利用冷凝器后較熱的制冷劑將乙二醇溶液加熱到0℃以上，通過泵1送入蓄冰槽后將冰融化并使之脫離。
圖1工程原理簡圖
再冷式冰蓄冷工程有三種運行工況，其運行原理如下（以蓄冰槽1為例，其它蓄冰槽以此類推）：
�、僦票r
當制冷機制冰時，可以有以下兩種運行狀態：
a 全部冷量用來制冰，閥2，3，22開，閥1，4，21，23關時，蓄冰槽1制冰；
b 在制冰的同時對用戶供冷，閥2，3，22，23開，閥1，4，21關時，調節閥22，23的開度改變通過板式換熱器的流量，從而蓄冰槽1制冰的同時對用戶供冷。
�、� 脫冰工況
脫冰是指利用再冷器得到的高于0℃的載冷劑，將蓄冰槽內制冰介質上的冰融化并使之脫離表面。當閥1，4開，閥2，3關閉時，蓄冰槽1脫冰，其它以此類推。
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閥21，23開，閥1，2，3，4，22關時，制冷機不進行制冰而直接向用戶供冷。
現冷式蓄冰式工程蓄冰槽制冰、脫冰兩種工況下的切換是在制冷機制冷循環沒有變化的條件下得到的，因此可以避免制冷機制冷/熱泵循環轉換時所帶來的損失及對制冷機壽命的影響。
1．2 再冷式蓄冰工程制冷循環分析
圖2所示T-s圖表示制冷工程的循環過程。在沒有再冷器的制冷循環中，1-2為壓縮過程、2-5為冷凝過程、5-6為節流過程、6-1為蒸發過程。當使用再冷器進行制冷循環時，設制冷劑通過再冷器從5點冷卻到5′點，那么節流過程就由5-6變為5′-6′了，而蒸發過程則由6-1變為6′-1。需要說明的是，圖中5-5′下陰影所示的Q2與6-6′下的Q1面積相同（即Q1=Q2），即用于冷卻再冷器的那部分冷量通過蒸發器的再度變為冷量而并沒有損失。顯然由于減少了制冷機的節流損失而提高了制冷機效率。
圖2 制冷循環圖
2 再冷式冰蓄冷工程數學模型
為了對再冷式蓄冰工程和傳統靜態蓄冰工程進行比較，需要建立數學模型以對兩種工程進行模擬分析。為突出問題本質，便于分析比較再冷式與傳統式冰蓄冷工程的性能，我們以板式工程為例。
蓄冰工程由制冷機和蓄冰槽兩大部分組成，下面就對這兩大部分分別建立數學模型。模型中次要的因素如水泵的影響均忽略不計。
2．1 制冷機模型
為了簡化上述兩種蓄冰工程的能耗比較，這里只考慮蒸發器和再冷器兩部分。
蒸發器的計算采用的是傳熱單元數法。蒸發器中的制冷劑側大部分處于沸騰狀態下，為了計算方便將其簡化成為整個蒸發器均處于沸騰狀態。因此效能ε=1-e-NTU, 其中NTU=KF/Cmin[1],K，F分別為傳熱系數和傳熱面積； ，即換熱器兩側流量乘以較小比熱值。通過換熱器交能就可以計算出其余參數。
再冷器模型也是采用傳熱單元數法，但它與蒸發器的模型不同之處在于它不經歷相變過程。由于再冷為逆流換熱：
（1）
式中 ，即換熱器兩側流量乘以較大比熱值。
2．2 蓄冰槽模型
再冷式工程中蓄冰時有制冰和脫冰兩種工況，應分別建立相應的模型。為了簡化制冰模型，不考慮沿蓄冰槽內換熱器方向冰層厚度的變化即取平均厚度 。板式蓄冰槽的制冰模型見圖3，建立如下方程：
�。�2）
（3）
邊界條件：t( 0)=tin , t(l)=tout
初始條件：t=0℃ ，ΔH=0，式中R主要分為三部分：第一是板內載冷劑熱阻，第二是制冷板的傳導熱阻，第三是冰層熱阻， 這三部分熱阻中冰層熱阻占的比重最大；tm，t分別為冰層與水相變界面的溫度值和蓄冰板內載冷劑溫度值；tin , tout為蓄冰槽的進出口溫度值。 ，ρ，cp，l，rm分別為載冷劑流量、水的密度、載冷劑的定壓比熱容、蓄冰槽的總長度和水的單位質量凝固熱。
圖3 蓄冰槽示意圖
由于上述兩式為微分表達式，為了計算的簡便對其進行積分得到：
（4）
�。�5）
式中Δ 是冰層厚度的增加值。
脫冰模型依據的公式與上面兩個公式非常相似，這里就不再贅述。
3 傳統冰蓄冷工程熱性能分析
藉上述模型進行模擬計算得到圖4，5所示的結果。該工程的具體參數為蓄冰槽內板間距70mm，制冷板寬0.25m，總長500m。制冷機的制冷為R12，蒸發溫度-8℃，在蓄冰剛開始時制冷量為60kW。模擬冰蓄冷工程載冷劑為乙二醇溶液，流量為10L/s。
圖4 冰槽出口溫度、冰層厚
安裝前應全面熟悉了解風機的說明書，弄清風機工作的通風工程圖紙，開箱檢查風機各部件是否齊全，機殼外部有否碰傷，特別要注意頭部整流器是否有碰傷變形，各部件聯接是否緊密，葉片電機有無損傷，葉輪轉動是否靈活，如發現問題應予以修理及調整。
檢查風機的安裝基礎，它必須有足夠的強度和剛度，以保證能承受風機運行時的負荷，同時檢查基礎與風機的聯接尺寸是否符合設計要求。
◆風機的安裝
1、風機臥地式安裝
將減振器通過聯接螺栓固定于風機機座，用中心高調整墊板調節各減振器水平高度，用固定螺栓將風機固于已焊接在基礎上的聯接鋼板上，如風機由于抗震等原因無需減振器，則將風機機座上的螺孔與基礎上的預埋螺栓直接聯接即可。
2、側墻臥式安裝
風機安裝的基本要求與臥地式安裝相同，只是安裝托架做成斜臂支撐式，托架要有足夠的強度和剛度，10#以上風機不宜采用此種安裝方式。
3、懸掛式安裝
先將減振器與風機用螺栓聯接成一體，減振器對稱安裝，布置于風機重心兩側，直接將風機提升插入安裝于懸掛支架，懸掛支架的高度，視實際空間距離由用戶自定，16#以上風機一般不采用此種安裝型式。
4、立式安裝：風機立式安裝方法與臥地式安裝一致，對風機基礎的強度與剛度要求更嚴格。
◆風機與兩端管道的聯接必須采用撓性接頭，以隔離振動和保護風機
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