相變蓄熱材料在空調系統中的應用

相變蓄熱材料在空調系統中的應用

1壓縮冷凝器排熱熱回收系統國內研究現狀節(jié)約能源，提高效率，是國家供電公司和所有能源公司在新世紀承擔的一項重要任務。節(jié)能措施等一系列政策的出臺為促進我國蓄能空調的發(fā)展和應用創(chuàng)造了良好的外部經濟環(huán)境。暖通空調工程作為主要用能技術之一,必須立足于能源的合理利用和有效的節(jié)能措施。合理改變壓縮冷凝機組的運行工況、充分利用壓縮冷凝機組的排熱來提供生活熱水,可以減少大氣污染和溫室氣體的排放,改善城市大氣環(huán)境,具有節(jié)能環(huán)保的意義,經濟也合理。目前對于壓縮冷凝機組冷凝排熱熱回收系統缺乏實際、深入的研究。從國內的研究狀況來看,其回收方式主要是考慮直接加熱自來水或者是采用儲水槽的顯熱回收,前者存在空調系統運行時段與熱水使用時段的時間差問題以及生活熱水的用量與冷凝熱量之間不同步的問題,而后者也存在蓄熱水池較大的問題,且供水量溫度或者供水量不夠穩(wěn)定。此熱回收空調系統克服了上述熱回收方式的不足,利用蓄熱材料的相變過程將冷凝熱回收并制取熱水,降低了熱水制取費用,提高了系統能源利用率,供水溫度也更穩(wěn)定。2實驗裝置及方法熱回收空調系統的實驗裝置如圖1所示。該系統主要設備包括常規(guī)空調系統設備(包括壓縮機、風冷冷凝器、儲液器、電磁膨脹閥、風冷蒸發(fā)器)、熱回收裝置(蓄熱器)以及輔助設備(如閥門、水箱、溫控裝置、水泵、配電箱)等。系統的關鍵設備是蓄熱器,用來回收壓縮機排氣熱量,包括顯熱和潛熱部分。蓄熱器中由三部分組成,包括熱流體(制冷劑)、相變材料(熱儲存介質)以及冷流體(水)。由于石蠟基相變蓄熱材料的傳熱性能較差,所以需要通過優(yōu)化蓄能裝置的結構來改善其蓄能和放能特性。在換熱系數小的流體一側加上翅片,可擴大換熱面表面積、并促進流體的擾動減小傳熱熱阻,有效地增大傳熱系數,從而增加傳熱量。實驗系統所用蓄熱器是自行設計的翅片管式換熱器外套蓄熱箱體。相變材料在殼體與翅片管間儲存,冷、熱流體分別在管內流動。該蓄熱器既具有管殼式換熱器的特點,又具有翅片管式換熱器的優(yōu)點。實驗主要測量參數包括溫度、壓力以及流量。溫度由數字顯示溫度計測量,測量范圍-50~+70℃,測量精度1%;壓力包括制冷劑高、低壓側壓力,由壓力表測量。所用流量計有兩種,一種是氟利昂用累積式流量計,用來測量制冷劑的質量流量,數字顯示式;另一種是玻璃轉子式流量計,用來測量供水管路水的體積流量,測量范圍16~160l/h,精度等級2.5。實驗管材為鍍鋅銅管焊接而成。閥門選用閘閥,主要用來斷開管路。蓄熱器(包括上部的開口和活動蓋)、管道等都外加保溫層,所選用的保溫材料為硬質聚氯乙稀泡沫塑料,厚30mm。實驗采用文獻開發(fā)出的改性石蠟作為相變材料進行熱量儲存。固體石蠟和液體石蠟的質量比為30:70。3空調冷卻器+制冷劑冷卻通過調節(jié)閥門V1-V8的開閉可以控制系統在多個工況下運行。包括單一制冷工況、蓄熱工況、單一釋熱工況及蓄熱加釋熱工況等等。單一制冷工況與常規(guī)空調系統工作原理相同,閥1、3、6、7、8關閉,閥2、4、5打開。在蓄熱工況,制冷機向空調用戶供冷,同時冷凝熱量被蓄熱器中相變材料儲存起來。開始時蓄熱器內相變材料溫度較低,即蓄熱器出口溫度較低,因此制冷劑無需流入常規(guī)風冷冷凝器而直接進入儲液器,此時閥1、3、6打開,閥2、4、5、7、8關閉;隨著蓄熱器內相變材料溫度的升高,制冷劑流出蓄熱器的溫度也升高,若制冷劑流出蓄熱器的溫度高于空調系統標準工況下的冷凝溫度,制冷劑則需進入冷凝器進一步冷卻,此時閥1、3、4、5打開,閥2、6、7、8打開。當需要生活熱水的時候,打開閥門使自來水管或者高位水箱的水進入蓄熱器與其中的相變材料進行熱交換,可使其溫度從15~20℃升高到40℃左右。如果需要更高溫度的熱水,可用輔助電加熱器進一步加熱(輔助加熱器可以控制水溫在某一固定范圍內)。4供熱工況的監(jiān)控分別對蓄熱工況、單一供熱工況及蓄熱加供熱工況進行了試驗研究,監(jiān)視空調機組的運行狀況、各部件溫度的變化,以及出水溫度影響因素及是否能達到預期溫度要求。4.1teintin圖2給出的是蓄熱工況下各部件溫度參數隨時間的變化曲線。開始一段時間系統還不穩(wěn)定。25分鐘后,系統運行基本穩(wěn)定。蓄熱器進口溫度trin在54℃左右,蓄熱器出口溫度trout與冷凝器進口溫度tcin基本相同,在26℃左右,蒸發(fā)器進口溫度tein在-4.5℃左右,蒸發(fā)器出口溫度teout在15℃左右。圖3出了蓄熱工況下制冷劑流量及相變材料溫度隨時間的變化曲線。相變材料測點靠近蓄熱器進口一側。從圖中可以看出,在38℃以下,相變材料的溫度上升很快,在開始的35分鐘內,其溫度就從26.5℃上升到38.4℃,在隨后的近兩個小時相變材料的溫度上升很慢,該段為相變材料的熔解過程。從制冷劑流量隨時間變化的曲線可以看出,制冷劑流量基本穩(wěn)定在1300~1400g/min,折合0.0217~0.0233kg/s。該工況下空調系統正常運行。4.2熱水溫度和熱水供應時間的確定單一釋熱工況為空調機組不開放或者是空調機組開放但不進行冷凝熱回收時打開自來水供應生活熱水的工況。實驗的主要內容是研究水的進出口溫度的變化、流量對進出水溫差的影響,以及出水溫度能否滿足我們的供熱要求。圖4和圖5分別給出了蓄熱工況平均流量139l/h和120l/h時相變材料溫度、冷水進口溫度、熱水出口溫度以及冷熱水進出口溫差隨時間的變化情況。圖4前20分鐘,出口熱水溫度最高在37.7℃,最低溫度在34.5℃,此溫度基本上達到設計要求,且進出水溫差在18℃左右。由于目前蓄熱時間較短,加上冬季溫度較低,冷凝溫度也相對較低,最高也只有35℃,蓄熱器進口溫度一般在55℃左右,再加上熱損失,蓄熱器只能回收利用冷凝排熱的顯熱部分和極少部分潛熱,因此蓄熱量不足,相變材料熔解的數量有限,熱水溫度供應時間較短。若在夏季,冷凝溫度可達55℃左右,這樣大部分冷凝熱量就可以被回收,因此石蠟熔解的量大,儲存的熱量就多,相應的熱水供應時間也就增長,且供水溫度的變化幅度不大。圖5中相變材料初溫45℃左右,各溫度參量的變化趨勢與流量139l/h時相同,只是由于開始時相變材料的溫度較低,因此出水溫度相對較低,最高在35.6℃。由以上的分析可知,相同條件下(相變材料初溫相同,冷卻水進口溫度也相同),流量越大,水的進出口溫差也就越小,流量越小,水的進出口溫差也就越大。在單一蓄熱工況下,熱水的出口溫度除了與水的進口溫度有關,還與相變材料的初溫度有關。一般來說,相變材料初溫度越高,出水溫度也就越高。熱水供應時間主要與相變材料所儲存的熱量的多少有關,儲存的熱量越多供應熱水的時間越長,儲存的熱量越少供應相同溫度熱水的時間就越短。因此應有足夠的相變材料熔解以保證熱水用量。4.3溫度波動蓄熱加供熱工況是指空調制冷的同時回收冷凝排熱,同時需求側也打開水龍頭使用熱水。圖6給出了此種工況下冷水進口溫度、熱水出口溫度、蓄熱器中相變材料的溫度以及進出口水溫差隨時間的變化曲線,水側流量為100l/h。從圖中可以看出,整個用熱過程中相變材料溫度基本不變,而熱水的出水溫度也維持很好,在36.7~39.6℃,溫度波動小于3℃,只需稍稍加熱即可滿足洗浴用水的溫度(40~41℃)要求。此過程中空調系統基本穩(wěn)定在一個工況,蓄熱器進口溫度在56℃,蓄熱器出口溫度34℃,蒸發(fā)器進口溫度-2℃左右,出口溫度在10℃,壓縮機排氣溫度62℃,低壓壓力(蒸發(fā)壓力)3×105Pa,高壓壓力(冷凝壓力)12×105Pa。制冷劑流量0.0217kg/s。5不同的凝溫度對熱回收空調系統在蓄熱工況、單釋熱工況及蓄熱加供熱工況的實驗研究表明,該系統可以提供35~40℃左右的生活熱水。由于實驗時間在冬季12月份,因此冷凝溫度較低,熱回收效果不是很理想。如果系統的冷凝溫度相應提高,如在50~55℃,冷凝熱回收效果更佳。熱回收空調系統的供熱可與制冷、蓄熱同時運行而不會互相影響或者互相干涉,即只要蓄熱器中相變材料儲有足夠的熱量即可滿足熱需求側的熱水需要,而與空調系統的運行工況或是否運行無關,這是