蓄冷材料应用于潜艇空调的数值模拟 - 中国百科网VIP免费

2008年第36卷第05期流体机械75文章编号：1005----0329(2008)05—0075—04蓄冷材料应用于潜艇空调的数值模拟吴赞侠，吴钢，曾强洪，曹良强(海军工程大学，湖北武汉430033)摘要：采用有限元分析方法对冰和某型高温相变材料蓄冷球进行了蓄释冷过程模拟仿真，探讨了两种材料蓄冷球在蓄冷和释冷过程中蓄冷量和蓄释冷时间的变化规律，并对两种材料的蓄释冷性能进行了分析比较。研究表明：高温相变材料蓄冷周期短、蓄冷量大，制冷机组节能效果好，能较好地满足潜艇蓄冷空调要求，有利于提高潜艇的隐蔽性和水下续航力。关键词：潜艇；蓄冷空调；冰蓄冷；高温相变蓄冷材料；有限元法；数值模拟中图分类号：TU831文献标识码：ANumericalSimulationofCoolingStorageMaterialUsinginSubmarineAirConditioningWuZan—xia，WuGang，ZENGQiang—hong，CAOLiang—qiang(NavalUniversityofEngineering，Wuhan430033，China)Abstract：AnANSYSprogramwasusedfornumericalsimulationoficestorageballandakindofhightemperaturephase—changecoolingstorageballincoolingstorageandmeltingprocesses．Thecolingstoragecapacity，coolingstorageandmeltingdurationofthetwomaterialswereobtainedincoolingstorageandmeltingprocesses．Thecoolingstorageandmeltingperform—ancesofthetwomaterialswerecompared．Theresultoftheresearchisshownthatthehightemperaturephase—changematerialhassho~ercoolingstoragecycleandlargercooling—storagecapacity，chillersperformancewellinenergysaving，andthematerialissatisfiedtherequestofsubmarinecolingstorageairconditioning，itcanbebenefittoimprovemarine~stealthandsailingendur-anceunderwater．Keywords：submarine；coolingstorageair-conditioning；icecoolingstorage；hishtemperaturephase—changecolingstoragematerial；finiteelementmethod(FEM)；numericalsimulation1前言文献[1、2]提出了在潜艇上使用蓄冷空调的方案，并对其可行性进行了论证研究，结果表明蓄冷空调应用于潜艇将会提高潜艇的战技术性能，而在蓄冷空调系统中，蓄冷材料的选择对蓄冷空调的性能有着重要的影响，特别是在潜艇这种环境特殊、对设备有着特定要求的舰艇中，蓄冷材料的选择尤为重要。蓄冷空调按蓄冷材料可分为水蓄冷、冰蓄冷、共晶盐蓄冷、气体水合物蓄冷等。冰蓄冷由于相变潜热高，技术相对成熟，在工程中应用非常广泛。但是由于冰蓄冷空调系统中制冷机的蒸发温收稿日期：2007—09—26基金项目：湖北省自然科学基金项目(2004ABA027)度低(一10～一8~C)，使得制冷系数COP和制冷量大幅度降低，一般蒸发温度每下降1oC制冷系数COP下降3％-4％，制冷量下降5％～6％，导致冰蓄冷空调主机比工作在空调状况的冷水机组多耗电30％左右。而高温相变材料蓄冷系统由于具有较高的相变温度，能与空调工况蒸发温度相匹配，可直接利用原有制冷机组及空调系统，同时蓄冷设备冷损失小、制冷机COP值大，满足潜艇蓄冷空调对蓄冷材料的要求。在蓄冷系统中，蓄冷球是常用的蓄冷材料封装形式，本文基于有限元理论采用ANSYS软件对冰和某种高温相变材料蓄冷球的蓄释冷过程进行有限元分析并对其蓄释冷性能和在潜艇空调上的适应性进行了研究。维普资讯http://www.cqvip.com76FLUIDMACHINERYVo1．36，No．05，20082模型的建立采用蓄冷球封装模式，球直径为40mm，球内注满蓄冷介质，物理模型如图l所示。图1蓄冷球模型蓄冷时制冷机提供的低温冷冻水作为载冷剂流过蓄冷球表面，吸收球内蓄冷剂的热量，使得蓄冷剂放出凝固热而由球壁向球内逐渐凝固，直至整个球内完全发生相变。释冷时以空调回水为载冷剂使蓄冷球吸收热量而融化，最后完全发生相变。因为传热过程很复杂，导热和对流换热作用同时存在，且传热过程中对流换热系数会发生变化，各项物性参数也不能保持恒定不变。为分析问题方便，对蓄冷球作如下假设：(1)相变介质固液两相的比热、导热系数、密度均为常数，不随温度而变化。(2)相变介质中热量的传递以导热为主，忽略自然对流的影响。(3)相变温度恒定，发生相变的相界面在相变过程中温...