封裝優(yōu)態(tài)鹽同心套管式相變儲冷換熱器性能的實驗研究

1、封裝優(yōu)態(tài)鹽同心套管式相變儲冷換熱器性能的實驗研究 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文封裝優(yōu)態(tài)鹽同心套管式相變儲冷換熱器性能的實驗研究姓名:李品利申請學(xué)位級別:碩士專業(yè):供熱、供燃氣、通風(fēng)及空調(diào)工程指導(dǎo)教師:姬長發(fā) 論文題目:封裝優(yōu)態(tài)鹽同心套管式相變儲冷換熱器性能的實驗研究 專 業(yè):供熱、供燃氣、通風(fēng)及空調(diào)工程 碩 士 生 :李品利 (簽名)指導(dǎo)教師:姬長發(fā) (簽名)摘 要 目前,我國的電力增長仍然滿足不了國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活用電急劇增長的需要,全國缺電局面仍未得到根本的改變。在這種情況下,峰谷電價政策的實施為蓄冷空調(diào)技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展前景。因此,研究蓄冷空調(diào)技術(shù)已成為解決當(dāng)今工程節(jié)能的重要手段

2、。然而,目前研究昀多的就是水蓄冷和冰蓄冷,對于共晶鹽蓄冷的研究較少。共晶鹽主要優(yōu)點在于它的相變溫度較高,可以克服冰蓄冷蒸發(fā)溫度低的弱點,并可以使用普通的空調(diào)冷水機組。本文就共晶鹽在同心套管儲冷單元中的蓄、釋冷特性進行研究。 通過實驗分析得出了 Na SO ?10H O溶液的凝固點隨 Na SO ?10H O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增2 4 2 2 4 2加而提高;NH Cl 對 Na SO ?10H O 溶液的凝固點有降低作用,這對于精確控制共晶鹽4 2 4 2溶液的凝固點使其滿足制冷系統(tǒng)的要求,提高制冷機組的 COP 有重要的意義。綜合比較,本實驗選用 Na SO 作為蓄冷材料,為了使它的各方面性能達到

3、較滿意效果加入了2 4一些添加劑:6.66%的 NaCl 和 6.16%的 NH Cl 作為降低共晶鹽的凝結(jié)點,2.6%的硼砂4作為成核劑,8.7%的 MinUGeL200 作為溶液的增稠劑,還有 0.25%的 Na P O 作為分2 3 10散劑,其它為水。其結(jié)晶溫度在 58。 設(shè)計同心套管蓄冷單元,對其進行蓄、釋冷特性研究,結(jié)果是同心套管蓄、釋冷特性良好,可以進行與制冷機組的連接實驗。搭建系統(tǒng)試驗臺,對整個系統(tǒng)的蓄、釋冷特性進行研究,其結(jié)果表明:蓄冷時,蓄冷槽入口制冷劑溫度對蓄冷特性的影響較載冷劑流量的影響顯著;釋冷時,載冷劑進口溫度對釋冷特性的影響較載冷劑的流量對其的影響顯著。通過對蓄冷

4、過程進行分析,得出蓄冷效果昀好的制冷劑進口溫度為 1,載冷3 3劑的流量為 0.241 m /h;而釋冷過程中載冷劑的進口溫度和流量分別是 1083m /h時昀佳。關(guān) 鍵 詞:峰谷電價;共晶鹽蓄冷;共晶鹽釋冷;實驗研究 研究類型:應(yīng)用研究型Subject : Performance Research of the Heat Interchanger for the Enclosed Eutectic Salt Concentric Jacketed Phase Change Materials for Cooling Storage Specialty : Heating Ventilatio

5、n and Air Conditioning Engineering Name : Li Pinli(Signature)Instructor : Ji Changfa(Signature)ABSTRACT At present, our country's electricity growth is still unable to meet the rapid development of the national economy and people's living needs of rapidly growing electricity. Power shortage

6、situation in the country have not been a fundamental change in. In this case, the peak and valley price policy implementation for the cooling storage air conditioning technology provides a broad development prospects. Therefore, research cooling storage of air conditioning technology has been an imp

7、ortant way to save energy nowadays. However, the current study is the largest water storage and ice storage, for the study of eutectic salt storage still less. Its main advantage is its relatively high phase transition temperature, ice storage can be overcome weakness of low evaporation temperature,

8、 and can use the normal air-conditioning chillers. This article is on the eutectic salt storage and release characteristics of the coldWe concluded that the Na SO ?10H O solution freezing point is increased, along with the 2 4 2Na SO ?10HO mass fraction increased. The NHCl has an decreased affect on

9、 2 4 2 4Na SO ?10H O solution freezing point, and this function for precisely control of the eutectic 2 4 2salt solutions freezing point, in order to meet the cooling system requirements, improve the chiller COP has an important significance. With the comprehensive comparison, the experimental use t

10、he Na SO ?10H O, and in order to reach the more satisfactory performance 2 4 2results in all the aspects , we add some additives: Na SO as storage material, 2.6% of borax 2 4 as nucleating agent, 6.66% NaCl and 6.16% NH Cl eutectic salt in order to reduce the 4condensation point, the other is water.

11、 The crystallization temperature is 5 8 。 Design the concentric tube thermal storage unit , study its storage and release of cold properties, the result shows that the concentric tube unit has a good characteristics on coldstorage and release. In view of this characteristics, it can be connected wit

12、h the experiment. A experimental systems was set up, the effects of the cold storage and release characteristics have been studied. The results show that: The inlet temperature of refrigerant,when entering the ice storage tank, has an larger influence on the process of cool storage than the Flow amo

13、unt o the cooling medium. It is found by analyzing the process of experiment about storage that the suitable outlet temperature of the cooling medium is 1 while the flow 3amount of the cooling medium is 0.247 m /h, and the suitable temperature of inlet is 10 3while the flow amount of the cooling med

14、ium is 0.235m /hKeywords :Peak and valley priceEutectic salt cooling storageEutectic salt coolingReleaseExperimental study Thesis :Application Research 1 緒論 1 緒論 1.1 蓄冷技術(shù)的背景和意義 現(xiàn)代暖通空調(diào)設(shè)備已成為人們生活的第一需要,無論是國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、科研、衛(wèi)生以及現(xiàn)代高科技的發(fā)展都離不開空調(diào)事業(yè)。如今空調(diào)用電量己占建筑物總能耗中的 6070%,但在當(dāng)前能源緊缺、電力緊張的形勢下,給空調(diào)事業(yè)的發(fā)展帶來了極大的不利,例如江蘇

15、、上海因電力緊缺曾規(guī)定空調(diào)不許進入家庭,有的家庭安裝了空調(diào)由于缺電無法使用。所謂蓄能就是將夜間多余的電能轉(zhuǎn)化為冰蓄能儲存起來供應(yīng)白天空調(diào)使用。當(dāng)前如何迅速發(fā)展與應(yīng)用冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)已由提倡性而發(fā)展到必然性階段了,尤其是美國在 2000年將空調(diào)蓄冷技術(shù)普及應(yīng)用到 99%,因此,深入研究“節(jié)能”,如何“蓄1能”?發(fā)展冰蓄冷空調(diào)已成為我國當(dāng)前工程技術(shù)的重要課題之一 。 隨著國家的富強,電力工業(yè)欣欣向榮,到 1994 年底全國發(fā)電裝機容量已達19900kW,年發(fā)電量達 9090 億 kWh,居世界第 4 位,但仍然滿足不了國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活用電急劇增長的需要,缺電局面仍未得到根本的改變,其矛盾

16、突出地表現(xiàn)在:電網(wǎng)負荷率偏低,電力系統(tǒng)峰谷差拉大,高峰電力顯示嚴(yán)重不足,造成電網(wǎng)經(jīng)常拉閘限制用電,這與城市電力消費迅速增長的形勢極不相適應(yīng),電網(wǎng)承受能力很差,尤其是夏天,持續(xù)高溫時用電劇增,許多大中城市都出現(xiàn)了配電設(shè)備超載運行的不利情況,為解決電力不足問題,一方面靠對電力投資,加快步伐即多裝機組,更重要的是通過國家對電力政策的調(diào)整,節(jié)省用電移峰填谷,充分利用現(xiàn)有電力資源。國家電力部門已制訂了峰谷電價差政策,使低谷電價相當(dāng)于高峰電價的 1?21?6,同時還要通過空調(diào)蓄冷技術(shù),在今后五年內(nèi)將 300500萬千瓦的高峰負荷移嫁到低谷。峰谷電價政策的實施,給蓄冷空調(diào)提供了巨大的發(fā)展前景,這標(biāo)志著在我國

17、迅速推廣發(fā)展蓄冷技術(shù)時期已經(jīng)開始。 眾所周知,很多材料都具有蓄冷(熱)的特性,并且這種特性是伴隨著溫度變化、物態(tài)變化與化學(xué)反應(yīng)過程而顯現(xiàn)出來的,冰蓄冷空調(diào)就是根據(jù)水、冰以及優(yōu)態(tài)鹽等其它物質(zhì)的蓄冷(熱)原理特性,盡可能地利用非峰值電力,使制冷機在滿負荷條件下運行, 將空調(diào)系統(tǒng)所需要的制冷量用顯熱與潛熱的形式部分或全部地儲存于水、冰或其它物質(zhì)2中,當(dāng)出現(xiàn)空調(diào)負荷時,即用這些蓄冷物質(zhì)儲存的冷量來滿足空調(diào)系統(tǒng)冷負荷的需要 。用來儲存水、冰以及優(yōu)態(tài)鹽的容器稱為蓄冷設(shè)備。蓄冷系統(tǒng)包括蓄冷設(shè)備、制冷機械、連接管路及自動控制系統(tǒng)等等。蓄冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)是蓄冷系統(tǒng)與空調(diào)常規(guī)系統(tǒng)的總稱。蓄冷系統(tǒng)的種類眾多、方法各異

18、,蓄冷設(shè)備和蓄冷介質(zhì)也各不相同。按蓄冷介質(zhì)的不同,大體可分為冰蓄冷系統(tǒng)、水蓄冷系統(tǒng)及共晶鹽蓄冷系統(tǒng)等。應(yīng)用冰蓄冷空調(diào)利國利民,1 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 已經(jīng)得到空調(diào)界和我國各級政府的高度重視,紛紛制訂有利于發(fā)展和推廣冰蓄冷空調(diào)“節(jié)省”能源的政策,并將推廣到全國。 我國自改革開放以來,綜合國力有了較大的提高,電力工業(yè)作為國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一,己取得了長足的進步。截止到 1996年底,全國發(fā)電機裝機總量達 2.36億 kW,僅次于美國,居世界第二位。但是,電力的產(chǎn)需之間仍然存在一定的缺口,全國缺電的局面仍未得到根本的改變。與此同時,隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和人民生活水平的提高,空調(diào)設(shè)備不斷普及

19、,空調(diào)能耗在國民經(jīng)濟總能耗中的比重逐漸加大,正在向發(fā)達國家的30%靠近。據(jù)有關(guān)資料分析,目前城市中空調(diào)系統(tǒng)用電量已占建筑物總用電量的 50%左右,而占城市總用電負荷的比例也在不斷增長。在夏季尖峰時刻,城市空調(diào)用電負荷在城市總用電負荷中所占的比例更是逐年升高。 在當(dāng)今世界能源消耗逐年增加、環(huán)保意識逐漸增強、大城市空調(diào)負荷又快速增長的情況下,應(yīng)用蓄冷空調(diào)技術(shù)具有很大的社會效益和經(jīng)濟效益。 從宏觀經(jīng)濟角度而言,采用蓄冷空調(diào)技術(shù)可以非常有效地轉(zhuǎn)移高峰用電至低谷用電時段,大大改善城市峰谷供電平衡,提高發(fā)電機組效率,減少輸配電損失。同時,由于削峰可以避免為滿足幾小時的尖峰負荷而新建電廠,節(jié)約投資資金。由于

20、提高了發(fā)電效率和減少了礦物燃料的消耗,進一步還可以減少煙塵和 SO 等的排放,減輕污染,保護23環(huán)境 。 從昀終用戶角度而言,如上所述,蓄冷空調(diào)系統(tǒng)可以減少制冷機組裝機容量和功率,提高設(shè)備利用率,同時可以節(jié)省運行費用。 總之,蓄冷空調(diào)技術(shù)的發(fā)展于國于民都非常有益,研究、開發(fā)及推廣蓄冷空調(diào)技術(shù)是非常必要的。 1.2 蓄冷原理和主要技術(shù) 空調(diào)耗能巨大,己成為夏季用電的主要部分,而空調(diào)大多在白天運行,爭用高峰電力,使得電力系統(tǒng)負荷特性惡化,主要表現(xiàn)在以下幾個方面: (1)夏季高峰電力嚴(yán)重不足,致使電網(wǎng)不得不經(jīng)常拉閘限電,給國民經(jīng)濟和人民生活帶來巨大的損失和不便; (2)夜間用電低谷電力過剩,無處配送

21、,電網(wǎng)只得在低負荷下低效率運轉(zhuǎn); (3)電力系統(tǒng)的昀大負荷增長率高于用電量的增長速度,結(jié)果是用電峰谷差逐年增大,電網(wǎng)平均負荷率降低,火力發(fā)電設(shè)備利用小時數(shù)逐年下降,發(fā)電成本上升 。 解決電力系統(tǒng)負荷特性惡化的昀有效方法之一就是采用蓄冷技術(shù),以平衡峰谷用電4負荷 。其原理是制冷機組將用電低谷時制取的低溫冷凍水流經(jīng)蓄冷球表面,在此進行熱量交換,使得球內(nèi)的共晶鹽相變材料凝固成冰,到達用電高峰期時,凝固的相變材料釋放出冷量提供給用戶,從而降低高峰時運行制冷機組的電費。蓄冷技術(shù)按介質(zhì)分,主2 1 緒論 要有水蓄冷、冰蓄冷、共晶鹽蓄冷及氣體水合物蓄冷四種方式。 水蓄冷就是利用水的顯熱來儲存冷量的一種蓄冷方

22、式,即利用 47的低溫水蓄冷。只要空間條件許可,水蓄冷系統(tǒng)是一種較為經(jīng)濟的儲存大冷量的方式,而且蓄冷罐體積越大,單位蓄冷量的投資越低。這種蓄冷方式系統(tǒng)簡單、投資少、技術(shù)要求低、維修方便,且可以使用常規(guī)空調(diào)制冷機組蓄冷,冬季還可蓄熱,適宜于既制冷又取暖的空調(diào)熱泵機組。水蓄冷技術(shù)也適用于現(xiàn)有常規(guī)制冷系統(tǒng)的擴容或改造,可以在不增加或少增加制冷機容量的情況下提高供冷能力。另外,水蓄冷系統(tǒng)還可利用消防水池、蓄水設(shè)施或建筑物地下室作為蓄冷容器,從而進一步降低系統(tǒng)的初投資,提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性。 冰蓄冷是利用冰的相變潛熱進行冷量儲存的一種蓄冷方式。0冰的蓄冷密度高達334kJ/kg,儲存同樣多的冷量,冰蓄冷所需

23、的體積僅為水蓄冷的幾十分之一,占用空間大大減少;并且,冰蓄冷蓄冷溫度幾乎恒定,設(shè)備容易標(biāo)準(zhǔn)化、系列化;另外,由于冷水溫度低,在相同的負荷下可以減少冷水供應(yīng)量,同樣也可以減少空調(diào)送風(fēng)量,使得供水管道和風(fēng)管尺寸也相應(yīng)減少。 冰蓄冷系統(tǒng)及其制冰方式有很多種,根據(jù)制冰方法分類,可以分為靜態(tài)制冰和動態(tài)制冰。靜態(tài)制冰是指冰的制備和融化在同一位置進行,蓄冰設(shè)備和制冰部件為一體結(jié)構(gòu)。具體形式有冰盤管式(管外蓄冰外融冰式)、完全凍結(jié)式(管外蓄冰內(nèi)融冰式)、不完全凍結(jié)式(管外蓄冰但管間冰層不搭接、內(nèi)融冰式)、密封件蓄冰(冰球式、冰板式、芯心冰球式)等。動態(tài)制冰是指冰的制備和儲存不在同一位置,制冰機和蓄冰槽相對獨立

24、。如制冰滑落式、冰晶式等。 從制冷系統(tǒng)構(gòu)成上考慮,有直接蒸發(fā)式和間接冷媒式。所謂直接蒸發(fā)式,是指制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器直接用作制冰元件,如冰盤管式、制冰滑落式等;而間接冷媒式是指利用制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器冷卻冷媒,再用冷媒來制冰。 5共晶鹽蓄冷是利用固液相變特性蓄冷的一種蓄冷方式 。蓄冷介質(zhì)主要是由無機鹽、水、成核劑和穩(wěn)定劑組成的混合物,這些蓄冷介質(zhì)大多裝在板狀、球狀或其它形狀的密封件中,將其充注在球形或長方形的高密度聚乙烯塑料容器中。共晶鹽蓄冷能力比冰蓄冷小,比水蓄冷大,所以共晶鹽蓄冷槽的體積比冰蓄冷槽大,比水蓄冷槽小。但是,共晶鹽蓄冷在蓄、放冷過程中換熱性能較差,設(shè)備投資也較高,在實際應(yīng)用中的層化問題

25、、過冷問題及穩(wěn)定性問題都面臨著高技術(shù)的挑戰(zhàn),阻礙了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。 前面已對各種蓄冷方式作了一些簡要闡述,它們各有特點,現(xiàn)對這幾種蓄冷方式的性能作一下比較,列于表 1.1中。 氣體水合物蓄冷,氣體水合物蓄冷在 20世紀(jì) 80年代由美國橡樹嶺國家實驗室開始研究,以 R11、R12等為工質(zhì)。在一定溫度和壓力下,水能在某些氣體分子周圍形成堅實的網(wǎng)狀結(jié)晶體,在水合物結(jié)晶時釋放出固化相變熱,反應(yīng)方程式如下: R(氣體)+mH O液體R?mH O固+H(反應(yīng)熱) (1.1) 2 23 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 氣體水合物蓄冷是一種新興的蓄冷空調(diào)技術(shù),它不僅蓄冷溫度與空調(diào)工況吻合,蓄冷密度高,而且蓄、釋冷

26、時傳熱效率高,特別是直接接觸式釋冷系統(tǒng)。但該方法還有一系列問題有待解決,如制冷劑蒸汽夾帶水分的清除,防止水合物膨脹堵塞等。目前該蓄冷系統(tǒng)仍在實驗階段。 6表 1.1 不同空調(diào)蓄冷系統(tǒng)比較 Table1.1 Comparison of some thermal storage system蓄冷方式性能 水需冷 靜態(tài)冰蓄冷 動態(tài)冰蓄冷 共晶鹽蓄冷 蓄冷槽尺寸 810 1* 1 23 蓄冷溫度() 7 0 0 812 機組效率比較 1* 0.60.7 0.60.7 0.920.95 熱交換性能 好 一般 好 差 小 冷量損失 一般 大 大 泵?風(fēng)機能耗 1* 0.7 0.70.9 1.05 投資比較

27、 0.6 1* 1.31.8 1.32.0 *為進行比較的基準(zhǔn)。 1.3 蓄冷技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 20 世紀(jì) 70 年代以來, 世界范圍的能源危機促使蓄冷技術(shù)迅速發(fā)展。美國、加拿大和歐洲一些國家重新將冰蓄冷技術(shù)引入建筑物空調(diào), 積極開發(fā)蓄冷設(shè)備和系統(tǒng), 實施的工程項目也逐年增多。截至 1994 年底 ,美國約有 4000 多個蓄冷空調(diào)用于不同建筑, 其中水蓄冷占 10%, 共晶鹽占 3.3%, 冰蓄冷占 86.7%。美國不僅冰蓄冷工程數(shù)量占多數(shù),而且在蓄冰設(shè)備方面也有所發(fā)展: FAFCO 蓄冰槽、Calmac 蓄冰筒等日趨完善, 同時BAC 外融冰蓄冰槽也向內(nèi)融冰蓄冰槽方面擴展。美國 Mu

28、eller 公司動態(tài)制冰設(shè)備在美國、日本、韓國、中國等國的 100 多個工程所應(yīng)用。日本在冰蓄冷開發(fā)研制階段, 約有30 多家公司的 40 余種不同的裝置和系統(tǒng)進入市場,有些技術(shù)是從美國 BAC, FAFCO, CALMAC, TRANSPHASE, 法國 CRISTOPIASTL, 加拿大 SUNWELL 引進的。發(fā)展到 72002年共有水蓄冷 2548 項, 集中式冰蓄冷 2039項, 分散式冰蓄冷 14813項 。 我國從 90年代初, 開始建造水蓄冷和冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng), 至今已建成投入運行和正在施工的工程共有 300多個,分布在 3 個直轄市和 17個省, 其中水蓄冷 28項、冰蓄冷 2

29、90 項,浙江 52項、北京 47 項、江蘇 38項、山東 20項、四川 19項、廣東和廣西各 16 項、湖北 15項。我國的冰蓄冷空調(diào)工程不僅采用美國 BAC, FAFCO, CALMAC, MUELLER和法國 CIAT 的先進蓄冰設(shè)備, 清華同方、浙江華源也開發(fā)有自己特色的蓄冷設(shè)備。我4 1 緒論 國臺灣省自 1984 年建成第一個冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)以來,蓄冷空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展很快,從 1992年 33 個蓄冷空調(diào)系統(tǒng)增加到 1993 年的 142 個,到 1994 年底就已建成的達 225 個蓄冷6×10 kWh;移嫁高峰用電超過 5.2 萬 kW,用戶每年節(jié)省臺5×10 萬

30、元。到了 90年代,我國大陸地區(qū)蓄冷技術(shù)也得到了發(fā)展,首先中電深圳工貿(mào)公司在辦公樓中應(yīng)用了法國的冰球式蓄冷系統(tǒng),使裝機容量降低 45 千瓦以上,北京西冷工程公司開發(fā)研制的有壓式齒球蓄冷器已獲國家專利并用在北京日報社綜合樓和廣州市某辦公樓的空調(diào)系統(tǒng)中,取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益,同時浙江國祥制冷工業(yè)公司推出了完全結(jié)凍式冰蓄冷系統(tǒng),在浙江諸暨百貨大樓實行了國產(chǎn)大型冰蓄冷首例中央空調(diào)系統(tǒng),僅用一年不到的時間就完成了設(shè)計和施工,并于 1995年 8月 10日調(diào)試成功投入運行,儲冰蓄冷國產(chǎn)化的成功,克服了冰蓄冷中央空調(diào)投資大的缺點,對推廣冰蓄冷空調(diào)事業(yè)起到很好的積極作用。福州大學(xué)黃飛教授專題研究了化

31、學(xué)蓄冷,造價低廉,很有發(fā)展前途。美國提出將在 1997 年將空調(diào)蓄冷技術(shù)普及應(yīng)用到 99%的宏偉目標(biāo)。 國家計委、國家經(jīng)貿(mào)委和電力工業(yè)部聯(lián)合提出到 2000年轉(zhuǎn)移 10001200萬 kW的高峰負荷到低谷使用,這為國家節(jié)省 150250 億元的資金,這是節(jié)能節(jié)電中一項利國利民的重大壯舉。據(jù)統(tǒng)計,就北京市目前擁有集中空調(diào)的賓館寫字樓約 250座,商場約 50 家,空調(diào)負荷約 3040 萬 kW,這些負荷有巨大的冰蓄冷空調(diào)前景,即具有很大8的削峰填谷的潛力,全國冰蓄冷空調(diào)的前景更是宏偉壯觀 。 1.4 優(yōu)態(tài)鹽在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 優(yōu)態(tài)鹽蓄冷也稱共晶鹽蓄冷,是利用固液相變特性蓄冷的一種蓄冷方式。目前應(yīng)

32、用較廣泛的相變溫度約 59,相變潛熱為 100kJ/kg 左右,此相變溫度可以使用普通的空調(diào)冷水機組,克服了冰蓄冷要求很低的蒸發(fā)溫度的弱點。共晶鹽(eutectic)相變蓄冷其相變溫度在 0以上,相對冰系統(tǒng)制冷機效率高達 30%,雖然相變潛熱比冰小但蓄冷能力比水大,也易與常規(guī)制冷系統(tǒng)結(jié)合,兼有水和冰蓄冷兩種系統(tǒng)的優(yōu)點,因此國內(nèi)外研究者都著力研究開發(fā)相變點在 48的空調(diào)蓄冷材料、相變傳熱及對蓄冷系統(tǒng)的蓄放冷特性分析,美國、日本發(fā)表了很多研究論文以及專利,并著手開始實用性的實驗。 19959 年中國建筑科學(xué)院空調(diào)所和臺佳機構(gòu)聯(lián)合設(shè)計了國內(nèi)首例 7相變蓄冷工程 。 相變蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵是相變材料,

33、選擇合適的相變材料以及配制是非常重要也是不容易的工作,共晶鹽主要是由無機鹽、水、促凝劑、穩(wěn)定劑和增稠劑組成的混合物,性能要求如下: 1 材料要有適當(dāng)?shù)南嘧儨囟?對于空調(diào)蓄冷能夠在 7左右比較合適; 2 具有較高的相變潛熱; 3 較高的密度,而且相變前后體積變化小; 4 與傳熱相關(guān)的熱物理性質(zhì)比,如比熱、黏度等良好; 5 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,能與相變?nèi)萜鞑牧霞嫒? 6 不產(chǎn)生相分離以及大的過冷現(xiàn)象,結(jié)晶速率較高; 7 要求材料來源廣泛、便宜。 )2 4 2和 T-47 型(轉(zhuǎn)熔點 5)是目前做得比較成功的;瑞典 Climator 公司研究了一種名為C7的相變潛熱為 288

34、.5kJ?kg的相變材料;日本九州電力公司研究實驗室(Kyusyu Electric Power Department Mitdubishi Chemical Engineering Co.)聯(lián)合研制一種以十水硫酸鈉為主10要成分的“高溫”相變蓄冷材料?優(yōu)態(tài)鹽蓄冷材料,并測試了它的熱物性和蓄冷性能 。這種材料的組成如下:在 Na SO ?10H O中混入少量 NH Cl、 NH Br和 NaCl,并加入 3wt%2 4 2 4 4的 Na BO ?10H O作為成核劑,2wt%羧甲基纖維素作為增稠劑。其性能如下:第一次相2 4 2變過程的融解熱為 179kJ/kg,100次相變循環(huán)后為 122

35、kJ/kg;融點為 9.510;凝固點;密度為 1.47kg/L;導(dǎo)熱系數(shù)為 0.075W/m.K。而在國內(nèi),方貴銀采用 DSC 法對空調(diào)蓄冷材料熱性能作了實驗研究,張華等人對高溫相變共晶鹽介質(zhì)的配制與測試也作了初步的實驗。目前廣泛采用的無機水合鹽類主要有 Na SO ?10H O、Na CO ?10H O、2 4 2 2 3 2CaCl ?10H O等,而有機化合物有(C H ) ,26;C H COCH ,20。由于單一材料2 2 6 5 2 6 5 3其熔點比較高,很難滿足空調(diào)蓄冷的要求,因此為了降低其熔點,以鹽水化合物為主體的共晶鹽系列潛熱蓄冷介質(zhì)已成為高溫相變蓄冷工程中主要介質(zhì)。 常

36、用以降低凝固點的鹽主要有 NH Cl、NaCl、KCl 和 NH Br 等。根據(jù)化學(xué)中的相似4 4相容的原理,鹽離子易削弱水分子之間氫鍵的吸引力,使水的凝固點下降,這些鹽離子11與水合鹽混合也削弱水合鹽中水分子和鹽的吸引力,從而降低了水合鹽的共晶溫度 。 1.5 蓄冰設(shè)備的現(xiàn)狀 國外冰蓄冷空調(diào)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用多年,也已取得了一定的成績。美國、歐洲、日本、韓國等國家以及我國的臺灣地區(qū)都已經(jīng)廣泛地應(yīng)用冰蓄冷空調(diào),而且其勢頭有增無減。借鑒國外冰蓄冷空調(diào)技術(shù)研究中心的成果,開發(fā)我國特有的蓄冰設(shè)備,實行蓄冷產(chǎn)品的國產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化,從而減少外匯流失,是當(dāng)務(wù)之急。按照一般的分類,蓄冰設(shè)備包括冰球式、完全凍結(jié)式、直接蒸

37、發(fā)式、制冰滑落式、冰晶或冰泥式、優(yōu)態(tài)鹽式等幾種方式。 1 冰球式蓄冷設(shè)備 冰球式蓄冷設(shè)備由冰球和蓄冰槽組成。冰球置于蓄冰槽中,當(dāng)蓄冰槽中通以從制冷機出來的較低溫度的二次冷媒時,冰球結(jié)冰蓄冷;當(dāng)冰球融冰放冷時,通過二次冷媒帶走冷量而去冷卻空調(diào)負荷。 冰球的形式多種多樣,較早研制冰球并且比較成功的是法國的西亞特公司,其外型為光滑的球體,由高密度聚乙烯材料制成的,球內(nèi)可裝不同種類的有機鹽溶液,這種鹽12溶液有不同的凍結(jié)點,以適應(yīng)不同的溫度需要 。日本的三菱公司因為購買了西亞特的6 1 緒論 冰球?qū)＠谌毡镜靡陨a(chǎn)并銷售。臺灣為了避免花費過多外幣用以購買冰球因而自行研制了一些冰球,在某些方面也有所改

38、變。如臺灣冰寶實業(yè)公司的蕊心冰球。該裝置于殼體內(nèi)部設(shè)有一蕊心以利結(jié)冰時作為結(jié)冰的結(jié)晶核心,具有由內(nèi)外雙向結(jié)冰及融冰的效果,其特征是加大金屬蕊心,金屬蕊心外圍設(shè)有片狀螺紋式鋁?片,以提高制冰凝結(jié)溫度,節(jié)省時間。另一種臺灣已申請專利的冰球其外型為光滑球體,但其內(nèi)部設(shè)有伸縮氣囊,伸縮氣囊中可依冰泡容器比重與凍結(jié)液比重之差而加設(shè)配重體,使伸縮氣囊任何時候皆位于冰泡容器中心,并使冰泡容器置于凍結(jié)液池中能達到完全浸泡于液中的效果,以提高凍結(jié)效果。還有另外一種冰球,它是在冰泡殼外部設(shè)置條紋溝槽,而殼內(nèi)設(shè)有可有效擴大范圍的導(dǎo)熱體,促進熱傳導(dǎo)效果,于結(jié)冰時由外向內(nèi)的凍結(jié)過程中,其因殼內(nèi)13液體膨脹時對殼體產(chǎn)生的

39、膨脹可由條紋溝槽變化提供加大空間 。 對冰球式蓄冰系統(tǒng),有幾點討論: 水結(jié)冰時其體積膨脹,冰球內(nèi)的水凍結(jié)是從外周向內(nèi),凍結(jié)后期冰球中間部分的水凍結(jié)時會產(chǎn)生體積外向膨脹的情況,而引起壓力或相對的空氣壓縮壓力,從而使冰球球殼趨于擴展的趨向;在融冰時體積復(fù)行收縮,如此反復(fù)。因而,蓄冰槽中的冰球不能放置的過于擁擠,需留有一定的活動空間。 如蕊心冰球一類,金屬蕊心端口開于球體外殼,其功能有二:加強傳熱;作為配重件,使冰球的總比重大于球外液體的比重。但存在的問題是金屬蕊心與塑料球殼之間的密封度要求比較高,尤其是因為金屬蕊心與塑料兩者間的熱脹冷縮系數(shù)不同,相應(yīng)的增加了加工的要求。 因冰球會膨脹而不能緊密地定

40、位,而冰球一般是隨意堆放的,加之二次冷媒對之的沖擊以及冰球自身的浮動,易導(dǎo)致冰球外二次冷媒的流量不均,形成熱傳導(dǎo)的不穩(wěn)定性,即各個冰球的結(jié)冰與融冰速度均不相同,造成熱傳導(dǎo)不平均,結(jié)果是有些冰球不能結(jié)冰或融冰,影響蓄冰槽的蓄冰容量及凍結(jié)品質(zhì)。另外,冰球平均比重往往或高或低于二次冷媒的比重,易造成冰球的擠集,而引起流體的旁通(bypass)。 當(dāng)不同的冰球蓄冰槽并聯(lián)時,由于流通水力阻力的不同,會引起蓄冰槽之間的流量不均,而影響蓄冰及融冰。因而,壓差平衡是設(shè)計二次冷媒管網(wǎng)中需考慮的一個問題。 冰球系統(tǒng),其優(yōu)點是簡單、方便、蓄冰及融冰速度都較快,易于運輸及施工。另外,即使偶有冰球泄漏,對蓄冰系統(tǒng)也不會

41、造成致命的影響,只要對二次冷媒(如乙14二醇溶液)的濃度進行適當(dāng)監(jiān)控即可 。 2 完全凍結(jié)式 完全凍結(jié)式是指 PVC 塑料管內(nèi)走二次冷媒,而管外為水或凍結(jié)液,當(dāng)管內(nèi)走零度以下溫度的二次冷媒時,管外的水結(jié)冰蓄冷;當(dāng)管內(nèi)的二次冷媒溫度為零度以上時,管外的冰溶解而放冷。這類產(chǎn)品中比較有影響的是美國特靈公司的蓄冷筒,美國 FAFCO7 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 的冰槽,以及臺灣的冰桶。對于完全凍結(jié)式: 為了使蓄冰槽的水能夠均勻結(jié)冰,其內(nèi)部的塑料管應(yīng)盡量均勻密布布置。這給制造增加了難度。另外,過多的管結(jié)頭又易于引起管內(nèi)二次冷媒的泄漏。而蓄冰槽內(nèi)二次冷媒泄漏于水中會造成水的冰點的降低,嚴(yán)重時可能造成蓄冰的

42、失敗。 其塑料管在蓄冷時外壁因先結(jié)冰而使傳熱溫差有所增加,故而蓄冰時間需加長,另外,由于塑料管其傳熱面相比而言較小,融冰速度及蓄冰速度都比較慢。在蓄冰空調(diào)工程設(shè)計中,一方面需考慮蓄冷總量需達到設(shè)計要求,另一方面,蓄冰槽的放冷速度與建筑熱負荷瞬時功率之間能否匹配也值得考慮。 完全凍結(jié)式蓄冰系統(tǒng)其優(yōu)點是整個結(jié)構(gòu),蓄冷及放冷過程比較穩(wěn)定,易于水力管網(wǎng)的平衡。 3 其它蓄冷設(shè)備 直接蒸發(fā)式、制冰滑落式、冰晶或冰泥式、優(yōu)態(tài)鹽式等蓄冷技術(shù)雖然各有著一定的15優(yōu)點,但是都存在著各自的缺陷 。直接蒸發(fā)式是指金屬盤管內(nèi)的制冷劑直接在管內(nèi)蒸發(fā)而水在管外面凍結(jié)的方式。其存在的缺點是金屬耗量大,金屬盤管長久處于水中易

43、被腐蝕,泄漏問題也值得考慮;另外,由于管外的融冰方式屬于外融冰式,因而其傳熱溫差較大,傳熱效果差。制冰滑落式其制冰效率較高,但工藝比較復(fù)雜,比較適用于漁業(yè)冷藏等場合。冰晶或冰泥其制冷能力較小。優(yōu)態(tài)鹽式其優(yōu)點是凍結(jié)溫度較高,蓄冷主機可以在較高的效率下運行,但是其單位蓄冷量較小,空調(diào)出水溫度較高,因而在使用上受到一定的限制。直接蒸發(fā)式、制冰滑落式、冰晶或冰泥式、優(yōu)態(tài)鹽式在目前的情況下大量推廣使用可能有著一定的困難。 1.6 本課題的提出及主要研究內(nèi)容 1.6.1 本課題的提出 水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的主要缺點是蓄冷槽容積大、蓄冷溫差較小,所蓄負荷不宜太大等。為了提高蓄冷槽的蓄冷能力并滿足供冷要求,提高蓄冷

44、效率,應(yīng)當(dāng)維持盡可能大的蓄冷溫差并防止儲存冷水與回流熱水的混合。冰蓄冷系統(tǒng)也存在缺點:由于冰蓄冷的制冷主機要求冷媒出口端的溫度低于 -5,與常規(guī)空調(diào)冷水機組出水溫度 7相比,冰蓄冷制冷機組制冷劑的蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)壓力大大降低,制冷量約降低 30%40%,性能系數(shù)(COP)也有所下降,耗電量約增加 20%左右;由于制冰槽及冷媒管路溫度常低于 0,還需增加保溫層厚度,以避免外部結(jié)露,減少冷損失;冰蓄冷系統(tǒng)的技術(shù)水平要求較高,16而且系統(tǒng)的設(shè)計和控制比水蓄冷系統(tǒng)復(fù)雜得多 。 一般來講,共晶鹽蓄冷槽的體積比冰蓄冷槽大,比水蓄冷槽小。其主要優(yōu)點在于它的相變溫度較高,可以克服冰蓄冷蒸發(fā)溫度低的弱點,并可以使

45、用普通的空調(diào)冷水機組。8 1 緒論 同心套管式的換熱器換熱過程中,同心套管兩側(cè)的載冷劑同時融解優(yōu)態(tài)鹽,使得溶解速率加快,這個融解速率是重要的釋冷參數(shù),這種方式與單管相比,IPF有所增大(5%10%)。目前人們對封裝優(yōu)態(tài)鹽同心套管式相變儲冷換熱器的性能研究甚少,所以,本文將以此為主要研究內(nèi)容。 1.6.2 本文的主要研究內(nèi)容 1 根據(jù)家用空調(diào)對出口溫度的要求,在此基礎(chǔ)上通過分析甄選出蓄冷材料,并對蓄冷材料的相變溫度,過冷度,穩(wěn)定性等進行測試。 2 設(shè)計和搭建合理的蓄冷實驗臺。確定實驗方案,繪出基本流程,選用合適的設(shè)備,測試手段和儀表。根據(jù)需要獲取實驗數(shù)據(jù),為分析實驗結(jié)果做好準(zhǔn)備。 3 對實驗裝置

46、分別采用不同的工況進行蓄冷和釋冷實驗:在蓄冷過程中通過改變制冷劑蒸發(fā)溫度的變化來選擇合適的載冷劑流量,同時在釋冷中根據(jù)載冷劑的進口溫度選擇合適的流量,獲得各樣數(shù)據(jù),分析實驗現(xiàn)象。通過實驗進一步分析制冷劑的蒸發(fā)溫度和載冷劑流量對蓄冷的影響,分析載冷劑流量和載冷劑進口溫度對釋冷的影響,為蓄冷系統(tǒng)的進一步改善和優(yōu)化提供參考。 9 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 蓄冷相變材料的特性及甄選 2.1 相變蓄冷機理物質(zhì)從液相轉(zhuǎn)變氣相狀態(tài)時,要吸收大量的熱量(放出冷量),即物質(zhì)的氣化熱;而物質(zhì)從固相轉(zhuǎn)變到液相狀態(tài)時,也要吸收大量的熱量(放出冷量),即物質(zhì)的融化熱;物質(zhì)從固相轉(zhuǎn)變到氣相時,也要吸收大量的熱量(放出

47、冷量),即物質(zhì)的升華熱。在物質(zhì)進行相變時所吸收的這三種熱量,稱作物質(zhì)的潛熱。這種在相變時將冷量儲存起來,而在需要時又能將冷量釋放出來的方法,就是相變蓄冷。只要事先通過某種辦法將冷量傳給某種物質(zhì),將其從氣相變成液相進行冷凝,或?qū)⑵鋸囊合嘧兂晒滔噙M行凝固,就可以說,已經(jīng)將冷量儲存到這種物質(zhì)中了。待需要使用冷量時,就可以通過某種方式,將其從液相轉(zhuǎn)變成氣相,或從固相直接轉(zhuǎn)變成氣相(如干冰的升華),在這個相變過程中,就可以把已施給這種物質(zhì)而儲存起來的冷量釋放出來,此即相變蓄冷的應(yīng)用過程。在理論上,同樣條件下,同一物質(zhì)的氣化熱與冷凝熱,其數(shù)值相等,過程相反;而同一物質(zhì)的融化熱與凝固熱,其數(shù)值相等,過程相反

48、。 例如水,就是一種相變潛熱值很大,使用昀為方便的蓄冷介質(zhì)。圖 2.l 為水的相變及顯熱潛熱變化圖,它表明了水的相態(tài)變化過程顯熱、潛熱的變化。圖 2.1 水的相變及顯熱潛熱變化圖 AB 段:固相冰溫度變化時顯熱焓量變化,冰的熱焓量的變化為:Q C t -t 冰1 0 1( kJ/kg) ,其中 C 2.09 kJ/kg為冰每變化 1時,熱焓量變化。 冰BC 段:固相冰融化成液相水的潛熱階段,每公斤冰變成水的潛熱為Q 335kJ/kg。 210 2 蓄冷相變材料的特性及甄選 CD 段:液相水溫度變化時顯熱焓量變化,水的熱焓量變化為:Q C t -t 3 水 2 0( kJ/kg) ,其中 C 4

49、.187 kJ/kg 為水每變化 1時,熱焓量變化。 水DE 段:液相水汽化成氣相蒸汽的潛熱段,每公斤水變成蒸汽的潛熱為Q 2257 4kJ/kg。 EF 段:氣相水溫度變化時顯熱焓變化,蒸汽熱焓量變化為:Q C t -t ,其5 汽 3 k中 C 為蒸汽每變化 1時的熱焓量變化。 汽由上述水的相態(tài)變化可以看到,液-固相變、液-氣相變和固-氣相變,都包含著巨大的潛熱變化。利用這個潛熱,就可以進行熱量的儲存和釋放。 但是,由于在液-氣相變時體積變化非常之大,用來進行冷量的儲存操作起來很不方便。因此,在相變蓄冷操作中,大多采用液態(tài)-固態(tài)的相變轉(zhuǎn)化來儲存冷量。例如,利用冰來儲存冷量,實際上就是利用圖

50、 2.1 中 BC 這一段潛熱來進行冷量的儲存。值得指出的是,在實際操作中,除了利用 BC段潛熱外,還可以利用一部分固相和液相的顯17熱來更多的儲存冷量即圖 2.1的 BA和 CD 段 。 圖中是以水為例所繪制的熱焓與溫度變化曲線。實際上所有物質(zhì)在進行三態(tài)變化時,其曲線變化趨勢都與此圖相似,這樣對于任何一種蓄冷介質(zhì),當(dāng)利用其進行相變蓄冷時,當(dāng)系統(tǒng)從 t 液相降溫儲冷至熔化點 t 再降溫至 t 固相時,其儲冷總量為: 2 0 1Q Q +Q +Q , C t -t + 3 2 1 液 2 0 2 固 0 1 式中, C 為蓄冷介質(zhì)的液態(tài)比熱(kJ/kg); C 為蓄冷介質(zhì)的固態(tài)比熱(kJ/kg)

51、;Q液 固 2為蓄冷介質(zhì)的凝固潛熱(kJ/kg)。 2.2 對相變蓄冷材料的要求 (1) 熱力學(xué)方面的要求 蓄冷材料的相變溫度必須在空調(diào)工作溫度范圍內(nèi),否則,冷量既無法儲存,也無法取用。相變溫度昀好在 58范圍內(nèi),這樣,對常規(guī)空調(diào)機組既無需更換,又能在較高效率下運行。 較高的相變潛熱。如果單位質(zhì)量相變介質(zhì)的凝固潛熱大,就可以減少蓄冷材料的數(shù)量和體積,降低成本。 密度較大,以便使用體積較小的容器裝蓄冷材料。 比熱較大,能較多地儲存額外的顯熱。 導(dǎo)熱系數(shù)較大,以使蓄冷和釋冷過程的溫度梯度較小,減少傳熱不可逆損失。 融化一致,相變蓄冷材料應(yīng)融化安全,以使固相和液相組分相同,否則會改變材料的化學(xué)組成。 18相變過程中體積變化小,可簡化蓄冷單體和換熱器的幾何構(gòu)成 。 (2)相變動力學(xué)方面的要求 11 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 凝固過程中過冷度很小或基本沒有,融化后結(jié)晶應(yīng)在它的凝固點溫度,這決定于高成核速率和晶體生成速率。在材料中添加成核劑或保持一點“冷指”可減小過冷。 要有很好的相平衡性質(zhì),不會產(chǎn)生相分離。 要有較高的固化結(jié)晶速率。 (3)化學(xué)性質(zhì)方面的要求 化學(xué)穩(wěn)定性要好,無化學(xué)分解,以