直接蒸发蓄冷过程动态模拟及实验研究
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摘要
为了平衡电网负荷高峰与低谷、调节我国工业及民用制冷系统昼夜用电量的巨大差
额，国家电力部门逐步放松管制进一步以电价为杠杆，实行分时电价，缓解国内用电峰谷
差距。同时，由于我国正逐步转变能源结构，改变以煤为主的结构体系，采取以天然气为
主的方式。这也将推动电力部门在材料、设备等方面进一步更新，将来我国电价还会继续
增长。因此，能源市场和用电价格的变化为制冷行业的发展提供了一个契机。
总的来说，蓄冰过程的发生主要有两种方式：静态冰蓄冷和动态冰蓄冷。由于运行上
的简单、方便，静态方式已广泛应用在工程实际中，然而由于静态蓄冷方式自身结冰特性
的限制，随着管外冰层厚度的增加，管外热阻同时增加，导致管内制冷剂蒸发温度的降低，
使制冷效率降低，系统耗能增加。为了克服静态蓄冷的弊端，动态蓄冷技术开始发展起来。
本文研究重点：（1）通过建立动态螺旋盘管结冰的数学模型，模拟动态结冰过程的结冰特
性。（2）通过对静态和动态两种方式在直接蒸发式螺旋盘管管外蓄冰机理和实验的研究，
分析了两种方式下螺旋盘管蓄冰的结冰特性及蓄冰槽槽体空间温度分布。
本研究主要根据螺旋盘管内、外流体的流动和热质交换特性，建立了动态变参数的数
学模型。对于管内两相流动部分，运用分布参数的数学方法，（考虑由于温度的变化而导
致物性参数的变化）建立管内制冷齐剂相工质的质量、动量和能量方程，运用全隐迎风格
式进行差分求解；对于管外采用准静态方法进行动态结冰过程的数学模拟，保持系统的能
量平衡。本论文的另一部分为通过实验研究，对静态蓄冷和动态蓄冷两种方式进行对比，
总结两种蓄冷方式的结冰特性，并对系统蓄冷方式的选择提出建议。实验装置为自行设计
和组装的一套制冷热动力学实验系统，由直接蒸发式螺旋盘管蓄冷槽及小型半封闭式压缩
机组成；数据采集主要采用北京研华集团的ADMA4000型多路数据采集系统。通过测量冰
蓄冷系统中温度、压缩机功耗等参数随时间变化的一系列特性曲线，验证数学模型求解的
合理性和可靠性，并完善模型。
论文的研究对动、静态两种蓄冷方式的结冰特点作了具体的分析，为冰蓄冷系统的选
择，提供了实验依据。同时系统动态参敷模型的模拟结果为计算产品质量验证、优化产品
结构和准确计算打下基础。
To balance peak and valley load of electrical net and adjust the consumption of running
costs of refrigeration system. Recently much attention has focused on the development of ice
thermal storage conditioning system. Generally speaking, there are two major kinds of ice-making
product(two kinds of performance of ice storage system): the static and the dynamic ice
storage system. Nevertheless, because of simplicity, convenient, the former has been frequently
applied in practical applications. But, with the increasing of ice thickness, the thermal resistance
between water and cooling media become greater, so the temperature of evaporator is also
decreasing. It leads to the decrease of ice-making rate, and more energy been exhausted. Though
it has been well developed for many years, the performance efficiency is still need to be further
improved. To overcome the shortcomings of the static ice-making, the dynamic ice-making
technology has been studied. Through the experimental research of dynamic ice-on-helical coil
cooling system, we can realize the characteristics of the system(change of the temperature, icing
thickness, ice-making rate, compressor power and COP), verify that dynamic ice-making is a
efficient method to improve the efficiency of refrigeration system.
According to the flow and heat transfer characteristics of helical-coil, a dynamic unsteady
mathematical model of evaporator is build, with the method of distributed. Considering the
refrigerant property parameters' change, refrigerant dynamic equations in coil were set up, and
an steady energy equation which can connected the equation of liquid-phase with vapor-phase is
proposed. The dynamic system model can be used to predicted the system performance at various
state. The other part of this master dissertation, the experimental research on the mechanism of
ice-storage processes on external surface of helical coil is studied. The comparisons between the
static cooling storage and the dynamic cooling storage can supply experimental data to select the
mp orbo ~ ~ pe
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额，国家电力部门逐步放松管制进一步以电价为杠杆，实行分时电价，缓解国内用电峰谷
差距。同时，由于我国正逐步转变能源结构，改变以煤为主的结构体系，采取以天然气为
主的方式。这也将推动电力部门在材料、设备等方面进一步更新，将来我国电价还会继续
增长。因此，能源市场和用电价格的变化为制冷行业的发展提供了一个契机。
总的来说，蓄冰过程的发生主要有两种方式：静态冰蓄冷和动态冰蓄冷。由于运行上
的简单、方便，静态方式已广泛应用在工程实际中，然而由于静态蓄冷方式自身结冰特性
的限制，随着管外冰层厚度的增加，管外热阻同时增加，导致管内制冷剂蒸发温度的降低，
使制冷效率降低，系统耗能增加。为了克服静态蓄冷的弊端，动态蓄冷技术开始发展起来。
本文研究重点：（1）通过建立动态螺旋盘管结冰的数学模型，模拟动态结冰过程的结冰特
性。（2）通过对静态和动态两种方式在直接蒸发式螺旋盘管管外蓄冰机理和实验的研究，
分析了两种方式下螺旋盘管蓄冰的结冰特性及蓄冰槽槽体空间温度分布。
本研究主要根据螺旋盘管内、外流体的流动和热质交换特性，建立了动态变参数的数
学模型。对于管内两相流动部分，运用分布参数的数学方法，（考虑由于温度的变化而导
致物性参数的变化）建立管内制冷齐剂相工质的质量、动量和能量方程，运用全隐迎风格
式进行差分求解；对于管外采用准静态方法进行动态结冰过程的数学模拟，保持系统的能
量平衡。本论文的另一部分为通过实验研究，对静态蓄冷和动态蓄冷两种方式进行对比，
总结两种蓄冷方式的结冰特性，并对系统蓄冷方式的选择提出建议。实验装置为自行设计
和组装的一套制冷热动力学实验系统，由直接蒸发式螺旋盘管蓄冷槽及小型半封闭式压缩
机组成；数据采集主要采用北京研华集团的ADMA4000型多路数据采集系统。通过测量冰
蓄冷系统中温度、压缩机功耗等参数随时间变化的一系列特性曲线，验证数学模型求解的
合理性和可靠性，并完善模型。
论文的研究对动、静态两种蓄冷方式的结冰特点作了具体的分析，为冰蓄冷系统的选
择，提供了实验依据。同时系统动态参敷模型的模拟结果为计算产品质量验证、优化产品
结构和准确计算打下基础。
To balance peak and valley load of electrical net and adjust the consumption of running
costs of refrigeration system. Recently much attention has focused on the development of ice
thermal storage conditioning system. Generally speaking, there are two major kinds of ice-making
product(two kinds of performance of ice storage system): the static and the dynamic ice
storage system. Nevertheless, because of simplicity, convenient, the former has been frequently
applied in practical applications. But, with the increasing of ice thickness, the thermal resistance
between water and cooling media become greater, so the temperature of evaporator is also
decreasing. It leads to the decrease of ice-making rate, and more energy been exhausted. Though
it has been well developed for many years, the performance efficiency is still need to be further
improved. To overcome the shortcomings of the static ice-making, the dynamic ice-making
technology has been studied. Through the experimental research of dynamic ice-on-helical coil
cooling system, we can realize the characteristics of the system(change of the temperature, icing
thickness, ice-making rate, compressor power and COP), verify that dynamic ice-making is a
efficient method to improve the efficiency of refrigeration system.
According to the flow and heat transfer characteristics of helical-coil, a dynamic unsteady
mathematical model of evaporator is build, with the method of distributed. Considering the
refrigerant property parameters' change, refrigerant dynamic equations in coil were set up, and
an steady energy equation which can connected the equation of liquid-phase with vapor-phase is
proposed. The dynamic system model can be used to predicted the system performance at various
state. The other part of this master dissertation, the experimental research on the mechanism of
ice-storage processes on external surface of helical coil is studied. The comparisons between the
static cooling storage and the dynamic cooling storage can supply experimental data to select the
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引文
[1]丁国良，陈芝久．板管式制冷蒸发器动态特性与制冷系统匹配特性实用分析方法研究．上海制冷大会九八～九九年年会论文集，81～85．
[2]丁国良，张春路，李灏，陈芝久．制冷空调装置智能仿真方法研究初探，制冷学报，1998．2
[3]陈芝久．新学科“制冷系统热动力学”初探．
[4]H. Wang, S. Touber. Distributed and non-steady-state modeling of an air cooling. Int. J. Refrig(1991)14.
[5]MacArthur, J. W., Grald, E. W. Unsteady compressible two-phrase flow model for predicting cyclic heat pump preformance and a comparison with experimental data. Int. J. refrig(1989), 12.
[6]Finer, S. I., Cleland A. C. Simple mathematical model for predicting the transient behavior of an ice-bank system. Int. J. refrig(1993) 16(5).
[7]Strand R. K, Peterson C. D., Colemen G.N. Development of direct and indirect ice-storage models for energy analysis calculation. ASHRAE Trans, 1994, VOL100, PART1.
[8]Amodls D. Dynamic simulation of encapsulated ice stores. prat 1-the model. ASHRAE Trans, 1990.
[9]Amodls D. Dynamic simulation of encapsulated ice stores, prat 2-the model development and validation.ASHRAE Transaction, 1994.
[10]T. B. Jekel, J.W. Mitchell, S.A. Klein. Modeling of ice storage tanks. ASHRAE Trans, 1993, vol99.
[11]J. Prusa, G.M. Maxwell, K. J. Timmer. A mathematical model for a phrase change thermal energy storage system utilizing rectangular containers. ASHREA Trans, 1991, VOL97, PART2.
[12]R. E. Stewart, PH.D. Ice formation rate for a thermal storage system. ASHRAE Trans, 1990, vol96.
[13]周强泰编著．两相流动和热交换．水利电力出版社，1990．
[14]陈学俊．两相流与传热-原理及应用．原子能出版社，1991．
[15]刘道平，陈之航．冰蓄冷技术相关固液相变传热现象的研究进展，华东工业大学学报，1996，18(4)：28-29．
[16]顾红芳，孙丹，章燕媒，陈听宽．水平螺旋盘管V型槽强化冷凝传热的理论研究西安交通大学学报，1996，VOL33．
[17]蒋常建，范云良，杨强生．蒸发式冷凝器的传热传质实验研究，上海交通大学学报，1999，VOL30，NO8．
[18]郭烈锦，冯自平．螺旋管内气液两相流热力型脉动瞬态及时均传热，西安交通大学学报，1999，VOL30，NO9．
[19]潘毅群，陈沛霖．相变材料式蓄冷槽的蓄放冷特性，同济大学学报，1998，VOL26，NO25．
[20]钱焕群，金安．盘管式储冰桶融冰过程理论研究，暖通空调，1998，VOL28，NO3．
[21]方贵银，李平．平板蓄冷器蓄冰过程试验研究，制冷，1999，VOL18，NO3.10～13．
[22]葛云亭，彦启森，彭雄兵．制冷空调系统仿真数学模型的理论与实验研究．制冷学报，1995．4．
[23]葛云亭，彦启森．蒸发器动态参数数学模型的建立与理论计算．制冷学报，1995．1，9～17
[24]季杰等．并联冰盘管蓄冷装置制冰特性研究．中国科技大学学报，1997，27(2)．
[25]钱以明，郑兵，顾建中．直接蒸发式管外结冰过程的数值求解和实验研究．同济大学学抵1998，VOL26，NO5．
[26]杨世铭．传热学，北京：高等教育出版社，1987．
[27]张祉佑．制冷原理与设备[M]，机械工业出版社，1986．
[28]李俊梅，李炎峰，贾衡，王宜义．直接蒸发冰盘管蓄冷系统结冰过程的计算方法模拟及实验研究，制冷1999，VOL18，NO4．
[29]章熙民，任泽霈，梅飞鸣等．传热学．西安建筑科技大学．1994．
[30]S.V.帕坦卡．传热和流体流动的数值方法，安徽科学技术出版社，1982．
[31]李广军，郭烈锦，陈学俊．气液两相流界面波非线性稳定性分析研究．西安交通大学学报，1998，VOL32，NO3．
[32]陈芝久，阙雄才，丁国良．制冷系统热动力学，机械工业出版社，1998．
[33]周文涛，殷亮，陈之航．直接蒸发式盘管外蓄冰机理的实验研究．能源研究
与信息，VOL6，NO3，2000．
[34] 周文涛，刘道平，殷亮，陈之航．多功能蓄冷空调实验装置的研制应用．上海理工大学学报，1998，20(1)：97-101．
[35] 严德隆，张雅召．空调蓄冷应用技术，中国建筑出版社，1997．
[36] 陈光明，王剑峰，陆国强．空调蓄冷技术及应用，机械工业出版社，1997．
[37] 方贵银．蓄冷空调工程实用新技术．人民邮电出版社，2000．
[38] 季杰，卜增文等．与制冷匹配的并联盘管蓄冷装置的动态制冰特性研究．全国暖通空调制冷1998年学术论文集．
[39] 彭京砥，周光辉，龚毅，范金庚，空调冰蓄冷实验研究，1996年全国暖通年会文集．
[40] 张寅平，胡汉平，孔祥冬，苏跃红．相变贮能—理论与应用．中国科技大学出版社，1996．
[2]丁国良，张春路，李灏，陈芝久．制冷空调装置智能仿真方法研究初探，制冷学报，1998．2
[3]陈芝久．新学科“制冷系统热动力学”初探．
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[21]方贵银，李平．平板蓄冷器蓄冰过程试验研究，制冷，1999，VOL18，NO3.10～13．
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[25]钱以明，郑兵，顾建中．直接蒸发式管外结冰过程的数值求解和实验研究．同济大学学抵1998，VOL26，NO5．
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[34] 周文涛，刘道平，殷亮，陈之航．多功能蓄冷空调实验装置的研制应用．上海理工大学学报，1998，20(1)：97-101．
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[36] 陈光明，王剑峰，陆国强．空调蓄冷技术及应用，机械工业出版社，1997．
[37] 方贵银．蓄冷空调工程实用新技术．人民邮电出版社，2000．
[38] 季杰，卜增文等．与制冷匹配的并联盘管蓄冷装置的动态制冰特性研究．全国暖通空调制冷1998年学术论文集．
[39] 彭京砥，周光辉，龚毅，范金庚，空调冰蓄冷实验研究，1996年全国暖通年会文集．
[40] 张寅平，胡汉平，孔祥冬，苏跃红．相变贮能—理论与应用．中国科技大学出版社，1996．