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降温水帘再冷式冰蓄冷工程节能效果的理论分析轴流风机的安装技巧
关键词：冰蓄冷 再冷器 性能系数 节能
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
冰蓄冷技术是利用峰谷电价的差别将用电高峰时的空调负荷转移到电价较为便宜的夜间从而节约运行费用。传统的冰蓄冷工程可节约运行费用但不节能，但这主要是制冰运行期间为了得到0℃的冰，制冷机的蒸发温度往往需要降低至-8℃，从而造成夜间蓄冷过程中制冷机运行的性能系数（COP）仅是白天的60%～70%，造成了能源的浪费。
冰蓄冷的制冰方式主要分为两种。第一种是静态制冰方式，即在冷却管外或盛冰容器内结冰，冰本身处于相对静止状态。第二种是动态制冰方式，即冰相对于制冰介质是处于运动状态。
静态制冰法工程简单，现已成为应用中的主流。然而，静态制冰法也存在着由于冰层厚度的增加使热阻增大，导致制冷机的性能工程（COP）降低的缺点。为了克服这个缺点，产生了制冰法中的收获（harvest）制冰法。收获制冰法利用热量使一定厚度的冰脱落从而减小冰层厚度。
收获制冰法有两个阶段：①制冰阶段，采用的方法有水从冷却表面流下和冷却表面浸在水中；② 脱冰阶段，有机械剥离法和热融解剥离法。但收获制冰法也存在剥离能耗较大的缺点，而再冷式蓄冷工程利用了新型的冰层剥离法--再冷器剥离法，减少了剥离能耗，较传统收获制冰法的效率有较大的提高。
1 再冷式冰蓄冷工程原理
1．1 工程简图及其原理
图1为再冷式冰蓄冷工程的工程流程图。它与传统冰蓄冷工程的最大区别是在冷凝器与膨胀阀之间加装了再冷器（sub-cooler）。再冷器剥离法利用冷凝器后较热的制冷剂将乙二醇溶液加热到0℃以上，通过泵1送入蓄冰槽后将冰融化并使之脱离。
图1工程原理简图
再冷式冰蓄冷工程有三种运行工况，其运行原理如下（以蓄冰槽1为例，其它蓄冰槽以此类推）：
①制冰工况
当制冷机制冰时，可以有以下两种运行状态：
a 全部冷量用来制冰，阀2，3，22开，阀1，4，21，23关时，蓄冰槽1制冰；
b 在制冰的同时对用户供冷，阀2，3，22，23开，阀1，4，21关时，调节阀22，23的开度改变通过板式换热器的流量，从而蓄冰槽1制冰的同时对用户供冷。
② 脱冰工况
脱冰是指利用再冷器得到的高于0℃的载冷剂，将蓄冰槽内制冰介质上的冰融化并使之脱离表面。当阀1，4开，阀2，3关闭时，蓄冰槽1脱冰，其它以此类推。
③不制冰而直接为用户供冷
阀21，23开，阀1，2，3，4，22关时，制冷机不进行制冰而直接向用户供冷。
现冷式蓄冰式工程蓄冰槽制冰、脱冰两种工况下的切换是在制冷机制冷循环没有变化的条件下得到的，因此可以避免制冷机制冷/热泵循环转换时所带来的损失及对制冷机寿命的影响。
1．2 再冷式蓄冰工程制冷循环分析
图2所示T-s图表示制冷工程的循环过程。在没有再冷器的制冷循环中，1-2为压缩过程、2-5为冷凝过程、5-6为节流过程、6-1为蒸发过程。当使用再冷器进行制冷循环时，设制冷剂通过再冷器从5点冷却到5′点，那么节流过程就由5-6变为5′-6′了，而蒸发过程则由6-1变为6′-1。需要说明的是，图中5-5′下阴影所示的Q2与6-6′下的Q1面积相同（即Q1=Q2），即用于冷却再冷器的那部分冷量通过蒸发器的再度变为冷量而并没有损失。显然由于减少了制冷机的节流损失而提高了制冷机效率。
图2 制冷循环图
2 再冷式冰蓄冷工程数学模型
为了对再冷式蓄冰工程和传统静态蓄冰工程进行比较，需要建立数学模型以对两种工程进行模拟分析。为突出问题本质，便于分析比较再冷式与传统式冰蓄冷工程的性能，我们以板式工程为例。
蓄冰工程由制冷机和蓄冰槽两大部分组成，下面就对这两大部分分别建立数学模型。模型中次要的因素如水泵的影响均忽略不计。
2．1 制冷机模型
为了简化上述两种蓄冰工程的能耗比较，这里只考虑蒸发器和再冷器两部分。
蒸发器的计算采用的是传热单元数法。蒸发器中的制冷剂侧大部分处于沸腾状态下，为了计算方便将其简化成为整个蒸发器均处于沸腾状态。因此效能ε=1-e-NTU, 其中NTU=KF/Cmin[1],K，F分别为传热系数和传热面积； ，即换热器两侧流量乘以较小比热值。通过换热器交能就可以计算出其余参数。
再冷器模型也是采用传热单元数法，但它与蒸发器的模型不同之处在于它不经历相变过程。由于再冷为逆流换热：
（1）
式中 ，即换热器两侧流量乘以较大比热值。
2．2 蓄冰槽模型
再冷式工程中蓄冰时有制冰和脱冰两种工况，应分别建立相应的模型。为了简化制冰模型，不考虑沿蓄冰槽内换热器方向冰层厚度的变化即取平均厚度 。板式蓄冰槽的制冰模型见图3，建立如下方程：
（2）
（3）
边界条件：t( 0)=tin , t(l)=tout
初始条件：t=0℃ ，ΔH=0，式中R主要分为三部分：第一是板内载冷剂热阻，第二是制冷板的传导热阻，第三是冰层热阻， 这三部分热阻中冰层热阻占的比重最大；tm，t分别为冰层与水相变界面的温度值和蓄冰板内载冷剂温度值；tin , tout为蓄冰槽的进出口温度值。 ，ρ，cp，l，rm分别为载冷剂流量、水的密度、载冷剂的定压比热容、蓄冰槽的总长度和水的单位质量凝固热。
图3 蓄冰槽示意图
由于上述两式为微分表达式，为了计算的简便对其进行积分得到：
（4）
（5）
式中Δ 是冰层厚度的增加值。
脱冰模型依据的公式与上面两个公式非常相似，这里就不再赘述。
3 传统冰蓄冷工程热性能分析
藉上述模型进行模拟计算得到图4，5所示的结果。该工程的具体参数为蓄冰槽内板间距70mm，制冷板宽0.25m，总长500m。制冷机的制冷为R12，蒸发温度-8℃，在蓄冰刚开始时制冷量为60kW。模拟冰蓄冷工程载冷剂为乙二醇溶液，流量为10L/s。
图4 冰槽出口温度、冰层厚
安装前应全面熟悉了解风机的说明书，弄清风机工作的通风工程图纸，开箱检查风机各部件是否齐全，机壳外部有否碰伤，特别要注意头部整流器是否有碰伤变形，各部件联接是否紧密，叶片电机有无损伤，叶轮转动是否灵活，如发现问题应予以修理及调整。
检查风机的安装基础，它必须有足够的强度和刚度，以保证能承受风机运行时的负荷，同时检查基础与风机的联接尺寸是否符合设计要求。
◆风机的安装
1、风机卧地式安装
将减振器通过联接螺栓固定于风机机座，用中心高调整垫板调节各减振器水平高度，用固定螺栓将风机固于已焊接在基础上的联接钢板上，如风机由于抗震等原因无需减振器，则将风机机座上的螺孔与基础上的预埋螺栓直接联接即可。
2、侧墙卧式安装
风机安装的基本要求与卧地式安装相同，只是安装托架做成斜臂支撑式，托架要有足够的强度和刚度，10#以上风机不宜采用此种安装方式。
3、悬挂式安装
先将减振器与风机用螺栓联接成一体，减振器对称安装，布置于风机重心两侧，直接将风机提升插入安装于悬挂支架，悬挂支架的高度，视实际空间距离由用户自定，16#以上风机一般不采用此种安装型式。
4、立式安装：风机立式安装方法与卧地式安装一致，对风机基础的强度与刚度要求更严格。
◆风机与两端管道的联接必须采用挠性接头，以隔离振动和保护风机
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