1. 1 试验装置及布置方式
整个试验装置是一个内部尺寸为410 mm ×410 mm×340 mm 的长方形容器, 材料为木材, 内壁包有隔水材料, 外壁包有厚为50 mm 的聚苯乙烯泡沫隔热塑料。箱体外壁固定装有一支量程为243～ + 323K、精度为±1K 的温度计; 一支量程为0～ + 100%、精度为±3% 的湿度计。内部充有深为300mm 的水。分别在距离水底95mm、120mm、195mm 处和水面上10mm 处安放1 号、2 号、3 号、4 号铜- 康铜热电偶, 热电偶与CADAC21
数据采集仪(江藤电器有限公司, 东京, 日本) 连接, 将温度数据自动保存在计算机内。在热电偶测点旁放置一个材料为不锈钢的冰层厚度测量仪, 该测量仪如图1 中3 号仪器所示, 标尺上端安装可滑动测量杆, 顶端为针状, 下端安装固定测量杆, 使用时通过读取标尺上的刻度测量冰层厚度。
1. 2 试验方法
将试验装置置于室外避光少风处, 由于水箱一面敞口, 其它五面包有导热能力很低的聚苯乙烯泡沫隔热塑料, 50mm厚的隔热材料的隔热效果近似可以认为是绝热的[7] , 故该试验可看作只有敞口面有传热存在。图2是2005年3月1日冰层厚度随时间的变化曲线, 测量时平均风速为3m/s, 最低温度270.13K, 最高温度275.05K。a、b图分别是间隔1h、2h测量冰厚随时间变化曲线。对比分析数据可知, 间隔2 h 测量的结果相对于间隔1 h 测量的结果所产生的最大相对误差为±0.568%,冰厚在1h内最快时能增长原冰厚的2.08%,又考虑到冰层厚度测量仪精度为±1mm, 故每隔2h测量一次冰厚对试验结果不会造成明显影响。
设定数据采集仪每隔30min并连续24h记录1号、2号、3号、4号测温点的温度。每隔2h人工记录冰层厚度、环境温度、相对湿度、风速、露点温度5 个变量。
2 理论分析
2. 1 模型的建立
设x 为冰层厚度, 方向为垂直水面, 冰层内温度场微分方程及定解条件为
2. 2 理论计算
环境空气的物性参数按冰上表面温度和空气温度的平均值t来确定[12]。在测量期间, 冰面上最快风速为3m/s, 当时空气相对湿度为57% , 测量期间空气平均相对湿度为63% , 通过以上数据查表可以得出空气的热物理性质变化数据, 计算出测量冰厚点雷诺数R e 的值均位于层流范围内。由外掠平壁的层流换热性质可以得到
由此可计算出测量冰厚点的局部表面传热系数: h1=15.6W/(m2·K)。通过观察1、2、3 号水下热电偶数据可以得出, 整个试验期间水温在垂直水面方向上最大温差为0. 9 K, 平均温差为0. 53K, 蓄水箱尺寸为410mm ×410m ×340mm。根据O st rach 线性稳定性理论[14 ] , 本试验装置空间较小, 试验期间水温在垂直水面方向上温差较小, 由此引起的水体失稳微弱, 水的自然对流过程微弱。如果忽略冰下水的自然对流过程, 1öh2 可由冰- 水界面的热边界层的导热热阻折算得到。则: h2 = 3. 956W/(m 2/K) 将以上的h1, h2 代入式(6) 可以得到S与s 的关系曲线,
采用2005 年2 月28 日9∶00 到2005 年3 月6 日13∶00的试验数据, 将计算所得冰厚与时间的关系曲线与试验所得冰厚与时间关系曲线作对比如图3 所示。通过SPSS 软件中的配对样本T 检验评价图中实测值和模拟值的显著差异如表1 所示。
3 结果与讨论
由表1 的结果可知, 实测值与模拟值差值的均值为- 0. 22,95% 的置信区间是[ - 0. 87964, 0. 43964 ], 置信区间包括0。显著性水平为0. 508, 大于0. 05。此结果说明实测值与模拟值没有显著差异, 数学模型可以描述一维动态冰蓄冷过程。但是, 虽然模拟值总体上与实测值吻合较好, 但在室外空气温度变化剧烈处(例如从280. 88 K 下降到276. 02 K 时) 误差较大。另外, 根据1、2、3 号热电偶数据可知, 有关水体温度均匀分布和水体对流换热忽略不计的假设与实际情况是有差别的。不过, 如果考虑水温分布不均匀以及水中对流换热的情况会给计算带来极大的不方便。综合考虑模型带来误差的相对大小, 可以认为模型的精度在一般情况下是合适的。
通过对以往相关文献进行分析可以发现, 大部分文献对自然冷库的研究目的主要是分析已有的自然冷库运行状况、贮藏效果[4]和应用前景[15, 16]或如何提高果蔬的贮藏品质[17]。虽然自然冷库中的传热过程已经有人进行了模拟, 但其模拟对象以库内所贮藏的果蔬为主[18]。在个别对蓄冷过程进行模拟的文献中,其装置的选择和实际运行的冷库中的水箱差别很大[19]。本文是从实际蓄冷水箱一维传热模型的角度研究其动态蓄冷过程。虽然模型中出现了一些由于对传热过程进行简化而造成的误差,但该模型对今后在自然冷库中进行大规模制冰的理论发展以及自然冷库的设计优化还是具有可供借鉴之处, 其在实际状态下三维动态蓄冷过程的试验与模拟是下一步的研究方向。
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