空氣源熱泵蓄能除霜用相變蓄熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

空氣源熱泵蓄能除霜用相變蓄熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

0相變放熱,作為熱泵熱水除霜?jiǎng)┛諝庠礋岜玫男钅軞夂虺到y(tǒng)是將空氣源熱泵的除霜技術(shù)和蓄熱技術(shù)有機(jī)結(jié)合的新系統(tǒng)。它采用蓄能相變材料將空氣源熱泵高效制熱運(yùn)行時(shí)的部分余熱貯存起來(lái),在除霜工況運(yùn)行時(shí)又將其作為熱泵熱氣除霜時(shí)的低位熱源,通過(guò)相變材料的相變放熱,向系統(tǒng)提供除霜所需的熱量。這徹底解決了傳統(tǒng)空氣源熱泵除霜時(shí)由于無(wú)外部熱源、融霜能量主要來(lái)自壓縮機(jī)做功等所引起機(jī)組運(yùn)行的不穩(wěn)定和可靠性差的問(wèn)題。1影響蓄放熱時(shí)間的因素毋庸置疑,在空氣源熱泵蓄能熱氣除霜系統(tǒng)中,相變蓄熱器是最核心的部分,且其中最關(guān)注的是蓄熱器的蓄熱量和蓄放熱時(shí)間。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)蓄熱器中PCM蓄放熱時(shí)間(特別是放熱時(shí)間)有著很嚴(yán)格的要求,若蓄熱量過(guò)低,雖然蓄放熱時(shí)間很短,但所產(chǎn)生的效果難以體現(xiàn)。所以,我們要在蓄熱量和蓄放熱時(shí)間兩方面同時(shí)滿足要求。顯然,增大蓄熱量將延長(zhǎng)蓄放熱時(shí)間,二者是緊密結(jié)合在一起的。因此,我們的研究核心就是:在滿足蓄熱量要求的情況下,如何縮短PCM蓄放熱時(shí)間。蓄熱器中PCM在蓄熱和放熱的過(guò)程中,蓄熱和放熱的快慢、蓄熱量和放熱量的多少受到很多因素的影響,大致分為兩大部分:PCM本身的特性及熱媒體,見(jiàn)表1。在制冷劑一定的情況下,影響PCM蓄放熱時(shí)間的主要因素有流速、入口溫度和入口干度。流速的變化跟制冷劑質(zhì)量流量和對(duì)流換熱系數(shù)直接有關(guān);入口溫度是判斷制冷劑流態(tài)的條件,制冷劑流態(tài)又直接關(guān)系到對(duì)流換熱系數(shù)大小;PCM放熱時(shí)入口干度的變化直接跟制冷劑的對(duì)流換熱系數(shù)有關(guān),可見(jiàn)這三個(gè)因素是影響PCM蓄放熱時(shí)間的重要因素。PCM的影響因素又分為PCM的物性和PCM的幾何特性兩部分。相變材料的內(nèi)部傳熱屬于導(dǎo)熱傳熱,顯然導(dǎo)熱系數(shù)的大小會(huì)直接關(guān)系到蓄放熱時(shí)間的長(zhǎng)短;且相變材料比熱值的大小也會(huì)影響蓄放熱時(shí)間,但由于相變材料的顯熱量與潛熱量相比很小,故比熱值的改變對(duì)蓄放熱時(shí)間的影響也很小,所以可以忽略它對(duì)蓄放熱時(shí)間的影響。另一方面蓄熱器幾何外形尺寸很明顯對(duì)PCM蓄放熱時(shí)間會(huì)產(chǎn)生重要影響。目前由于PCM的影響因素方面都已經(jīng)做了大量的研究成果,所以本文的重點(diǎn)則是從制冷劑的入口溫度、流速、入口干度等方面來(lái)模擬研究這種影響。選取額定工況下制熱量為2.5kW的一臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組為研究對(duì)象,除霜時(shí)間間隔為90分鐘,每次除霜時(shí)間為4分鐘,相變蓄熱器裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1(a),制冷劑為R22,制冷劑內(nèi)管選擇φ8×0.5的紫銅管,PCM采用結(jié)晶水合鹽Na2SO4·10H2O,其性能參數(shù)見(jiàn)表1-2。蓄熱時(shí)PCM初始溫度為25℃,且均勻分布,制冷劑冷凝溫度為50℃,制冷劑進(jìn)入蓄熱器管內(nèi)入口溫度Tin=60℃。除霜時(shí)系統(tǒng)從蓄熱器吸收的熱量約占最大供熱量的2.90%。由此得出蓄熱器套筒外徑R=0.018m,套筒厚度R-r0=0.014m。2制冷劑狀態(tài)控制方程根據(jù)圓柱形對(duì)稱的特點(diǎn),即各個(gè)半徑方向上溫度場(chǎng)相同,因此圓柱形蓄熱體的溫度場(chǎng)分布可以看作是二維的,即沿徑向(圓柱半徑方向)和軸向(制冷劑流動(dòng)方向)。所以可以取環(huán)形的微元體,如圖1(b)所示。(1)基于焓法模型的微分方程,建立PCM微元體能量控制方程如下。對(duì)上式進(jìn)行能量守恒分析可得出:式中h——PCM的比焓(J/kg),這里取0℃時(shí),焓的基準(zhǔn)值為零,即PCM為固態(tài)時(shí),h=cpT;λ——PCM的導(dǎo)熱系數(shù)(W/m2·s);T——PCM各節(jié)點(diǎn)的溫度(℃);Ai,Ai-1,Aj,Aj-1——分別為微元體外表面、內(nèi)表面、上、下表面的面積(m2)。(2)制冷劑能量控制方程。蓄熱和放熱時(shí)蓄能換熱裝置作為系統(tǒng)的冷凝器和蒸發(fā)器,采用集總參數(shù)法求解制冷劑的狀態(tài),其控制方程如下:式中mref——制冷劑質(zhì)量流量(kg/s);hj——制冷劑沿流動(dòng)方向第j點(diǎn)的焓(J/kg);qref——熱流密度(W);T1,j——PCM緊靠管內(nèi)壁的各節(jié)點(diǎn)溫度(℃);Tref——制冷劑溫度(℃);Rref——制冷劑與PCM緊靠管內(nèi)壁節(jié)點(diǎn)間的熱阻(W/℃);α——蒸發(fā)或冷凝換熱系數(shù)(W/m2·℃)。邊界條件:初始條件:3模擬結(jié)果3.1不同蓄熱時(shí)制冷劑入口溫度圖2表明當(dāng)制冷劑以不同的入口溫度進(jìn)入管內(nèi)時(shí),各能量曲線有所不同。入口溫度高的能量曲線曲率最大,而入口溫度低的能量曲線曲率最小,并且同一時(shí)間內(nèi)當(dāng)制冷劑入口溫度高時(shí)PCM就能蓄越多的熱量。從釋熱曲線還可以看到,同一時(shí)間內(nèi)入口溫度最低的PCM最終的能量最小,也就是說(shuō)其放熱量最多;在PCM釋放相同熱量時(shí),入口溫度最低的放熱時(shí)間最短,其放熱速度最快。圖3給出了當(dāng)蓄熱器中PCM蓄熱量為371.6kJ時(shí),制冷劑入口溫度和蓄熱時(shí)間關(guān)系曲線圖。圖中,隨著制冷劑入口溫度的升高,曲線漸漸趨緩。這是由于當(dāng)入口溫度增大到一定值以后,制冷劑在管內(nèi)只有單相流態(tài),而不出現(xiàn)兩相流態(tài),這樣換熱系數(shù)減小,換熱量就減少了,從而出現(xiàn)了圖中所示曲線緩慢下降。另外,入口溫度還受到系統(tǒng)其他方面的影響,只有綜合考慮才能知道蓄熱時(shí)合適的制冷劑入口溫度。基于本文的模擬條件,認(rèn)為PCM蓄熱時(shí)制冷劑Tin=61℃左右較為理想。圖4給出了當(dāng)PCM釋熱量為405kJ時(shí),制冷劑入口溫度和放熱時(shí)間關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出,隨著制冷劑入口溫度的不斷減小,PCM放熱時(shí)間曲線不斷下降,當(dāng)制冷劑入口溫度減小到大約10℃以后,繼續(xù)減小入口溫度,放熱時(shí)間會(huì)明顯的縮短,曲線曲率下降緩慢,這是由于隨著入口溫度降到一定值后,盡管傳熱溫差會(huì)繼續(xù)增大,但是制冷劑兩相流態(tài)流程不斷變少,單相流態(tài)流程不斷變長(zhǎng),這樣換熱系數(shù)變小,單位時(shí)間換熱量就減小,從而出現(xiàn)圖中所示曲線緩慢下降。所以在確定放熱時(shí)最佳的制冷劑入口溫度時(shí),并不是越低越好,此外,較低的溫度會(huì)使熱泵系統(tǒng)的COP值變小。所以應(yīng)綜合考慮因素各種因素才能給出放熱時(shí)最佳制冷劑入口溫度,基于本文的模擬條件,認(rèn)為PCM放熱時(shí)制冷劑Tin=10℃左右較為理想。3.2不同流速對(duì)質(zhì)構(gòu)的影響圖5表明當(dāng)PCM蓄得同一熱量時(shí),制冷劑流速大的PCM蓄熱時(shí)間短,制冷劑流速小的PCM蓄熱時(shí)間長(zhǎng)。此外,當(dāng)PCM釋放相同能量時(shí),制冷流速大的PCM放熱時(shí)間短,低的制冷劑流速不能達(dá)到縮短PCM放熱時(shí)間的目的。圖6給出了制冷劑流速和蓄、放熱時(shí)間的變化曲線圖。從圖中可以清楚地看出,隨著制冷劑流速的增大,蓄放熱時(shí)間曲線下降,最后變化緩慢,趨于穩(wěn)定。這是由于當(dāng)制冷劑流速增大時(shí),PCM與制冷劑間的對(duì)流換熱系數(shù)隨之增大,二者間的換熱熱阻則減小,而PCM的導(dǎo)熱熱阻沒(méi)變,所以總的換熱熱阻減小了,顯然,制冷劑與PCM間的換熱加強(qiáng)了,其結(jié)果就是蓄熱時(shí)間縮短了。但當(dāng)制冷劑增大到一定數(shù)值后,制冷劑與PCM間的換熱熱阻占總換熱熱阻的比例已趨于一定值,此時(shí)繼續(xù)增大流速,仍會(huì)增大換熱系數(shù),同樣會(huì)繼續(xù)減小制冷劑與PCM間換熱熱阻,但是這對(duì)總的換熱熱阻不會(huì)產(chǎn)生明顯的變化,這時(shí)再通過(guò)減小制冷劑與PCM間換熱熱阻來(lái)加強(qiáng)換熱意義不大,這樣也就出現(xiàn)了圖中所示,當(dāng)流速增大到一定數(shù)值后,流速對(duì)加強(qiáng)換熱不會(huì)產(chǎn)生大的影響,圖中的蓄放熱曲線就趨于平穩(wěn)。另外,流速過(guò)大后,制冷劑會(huì)迅速地流過(guò)蓄熱器,縮短了與PCM的接觸時(shí)間,這對(duì)制冷劑與PCM間進(jìn)行充分地?fù)Q熱會(huì)產(chǎn)生不利影響,所以過(guò)大的制冷劑流速也并不是最佳的?；诒疚牡哪M條件,認(rèn)為PCM蓄熱時(shí)制冷劑u=2.4m/s,放熱時(shí)u=0.6m/s左右較為理想。3.3pcm和花園氣調(diào)試驗(yàn)時(shí)放熱速率如圖7、8所示分別為不同制冷劑入口干度PCM放熱時(shí)能量隨時(shí)間變化圖、不同制冷劑入口干度和放熱時(shí)間變化曲線。從7圖中可知,制冷劑Xin=0.4時(shí),PCM放熱速率最快,放熱時(shí)間最短為250秒;Xin=0.9時(shí),PCM放熱速率最慢,放熱時(shí)間最長(zhǎng)為590秒;Xin=0.1時(shí)放熱速率居中。同時(shí)我們從圖8可以看出,隨著入口干度的不斷增大,PCM放熱時(shí)間變化趨勢(shì)是:開(kāi)始迅速下降,降至最低點(diǎn)后緩慢回升,這主要是由于入口干度的變化引起對(duì)流換熱系數(shù)的變化,從而導(dǎo)致對(duì)流換熱系數(shù)變化導(dǎo)致PCM與制冷劑間的換熱量的變化,蓄熱器在放熱過(guò)程中,制冷劑流經(jīng)蓄熱器管內(nèi)流程依次為濕壁區(qū)、蒸干區(qū)、過(guò)熱區(qū),制冷劑在各區(qū)間內(nèi)的對(duì)流換熱系數(shù)都是不一樣的,因此從圖8可以看出制冷劑以Xin=0.3左右進(jìn)入管內(nèi)時(shí),平均對(duì)流換熱系數(shù)最大,放熱時(shí)間最短約為223秒,基于本文的模擬條件,認(rèn)為PCM放熱時(shí)制冷劑Xin=0.3左右較為理想。4蓄熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)通過(guò)本文模擬分析,我們可以看出:(1)制冷劑入口溫度對(duì)PCM蓄放熱時(shí)間影響較大,在蓄熱過(guò)程中,制冷劑入口溫度越高,蓄熱過(guò)程越快,同時(shí)蓄滿時(shí)蓄熱量最多。在放