相變蓄熱材料在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

相變蓄熱材料在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1壓縮冷凝器排熱熱回收系統(tǒng)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀節(jié)約能源，提高效率，是國(guó)家供電公司和所有能源公司在新世紀(jì)承擔(dān)的一項(xiàng)重要任務(wù)。節(jié)能措施等一系列政策的出臺(tái)為促進(jìn)我國(guó)蓄能空調(diào)的發(fā)展和應(yīng)用創(chuàng)造了良好的外部經(jīng)濟(jì)環(huán)境。暖通空調(diào)工程作為主要用能技術(shù)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(jī)組的運(yùn)行工況、充分利用壓縮冷凝機(jī)組的排熱來(lái)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(jīng)濟(jì)也合理。目前對(duì)于壓縮冷凝機(jī)組冷凝排熱熱回收系統(tǒng)缺乏實(shí)際、深入的研究。從國(guó)內(nèi)的研究狀況來(lái)看,其回收方式主要是考慮直接加熱自來(lái)水或者是采用儲(chǔ)水槽的顯熱回收,前者存在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)段與熱水使用時(shí)段的時(shí)間差問(wèn)題以及生活熱水的用量與冷凝熱量之間不同步的問(wèn)題,而后者也存在蓄熱水池較大的問(wèn)題,且供水量溫度或者供水量不夠穩(wěn)定。此熱回收空調(diào)系統(tǒng)克服了上述熱回收方式的不足,利用蓄熱材料的相變過(guò)程將冷凝熱回收并制取熱水,降低了熱水制取費(fèi)用,提高了系統(tǒng)能源利用率,供水溫度也更穩(wěn)定。2實(shí)驗(yàn)裝置及方法熱回收空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。該系統(tǒng)主要設(shè)備包括常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備(包括壓縮機(jī)、風(fēng)冷冷凝器、儲(chǔ)液器、電磁膨脹閥、風(fēng)冷蒸發(fā)器)、熱回收裝置(蓄熱器)以及輔助設(shè)備(如閥門(mén)、水箱、溫控裝置、水泵、配電箱)等。系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是蓄熱器,用來(lái)回收壓縮機(jī)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(chǔ)存介質(zhì))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(guò)優(yōu)化蓄能裝置的結(jié)構(gòu)來(lái)改善其蓄能和放能特性。在換熱系數(shù)小的流體一側(cè)加上翅片,可擴(kuò)大換熱面表面積、并促進(jìn)流體的擾動(dòng)減小傳熱熱阻,有效地增大傳熱系數(shù),從而增加傳熱量。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所用蓄熱器是自行設(shè)計(jì)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(chǔ)存,冷、熱流體分別在管內(nèi)流動(dòng)。該蓄熱器既具有管殼式換熱器的特點(diǎn),又具有翅片管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量參數(shù)包括溫度、壓力以及流量。溫度由數(shù)字顯示溫度計(jì)測(cè)量,測(cè)量范圍-50~+70℃,測(cè)量精度1%;壓力包括制冷劑高、低壓側(cè)壓力,由壓力表測(cè)量。所用流量計(jì)有兩種,一種是氟利昂用累積式流量計(jì),用來(lái)測(cè)量制冷劑的質(zhì)量流量,數(shù)字顯示式;另一種是玻璃轉(zhuǎn)子式流量計(jì),用來(lái)測(cè)量供水管路水的體積流量,測(cè)量范圍16~160l/h,精度等級(jí)2.5。實(shí)驗(yàn)管材為鍍鋅銅管焊接而成。閥門(mén)選用閘閥,主要用來(lái)斷開(kāi)管路。蓄熱器(包括上部的開(kāi)口和活動(dòng)蓋)、管道等都外加保溫層,所選用的保溫材料為硬質(zhì)聚氯乙稀泡沫塑料,厚30mm。實(shí)驗(yàn)采用文獻(xiàn)開(kāi)發(fā)出的改性石蠟作為相變材料進(jìn)行熱量?jī)?chǔ)存。固體石蠟和液體石蠟的質(zhì)量比為30:70。3空調(diào)冷卻器+制冷劑冷卻通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)V1-V8的開(kāi)閉可以控制系統(tǒng)在多個(gè)工況下運(yùn)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(diào)系統(tǒng)工作原理相同,閥1、3、6、7、8關(guān)閉,閥2、4、5打開(kāi)。在蓄熱工況,制冷機(jī)向空調(diào)用戶供冷,同時(shí)冷凝熱量被蓄熱器中相變材料儲(chǔ)存起來(lái)。開(kāi)始時(shí)蓄熱器內(nèi)相變材料溫度較低,即蓄熱器出口溫度較低,因此制冷劑無(wú)需流入常規(guī)風(fēng)冷冷凝器而直接進(jìn)入儲(chǔ)液器,此時(shí)閥1、3、6打開(kāi),閥2、4、5、7、8關(guān)閉;隨著蓄熱器內(nèi)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(diào)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)工況下的冷凝溫度,制冷劑則需進(jìn)入冷凝器進(jìn)一步冷卻,此時(shí)閥1、3、4、5打開(kāi),閥2、6、7、8打開(kāi)。當(dāng)需要生活熱水的時(shí)候,打開(kāi)閥門(mén)使自來(lái)水管或者高位水箱的水進(jìn)入蓄熱器與其中的相變材料進(jìn)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(jìn)一步加熱(輔助加熱器可以控制水溫在某一固定范圍內(nèi))。4供熱工況的監(jiān)控分別對(duì)蓄熱工況、單一供熱工況及蓄熱加供熱工況進(jìn)行了試驗(yàn)研究,監(jiān)視空調(diào)機(jī)組的運(yùn)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(dá)到預(yù)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(shù)隨時(shí)間的變化曲線。開(kāi)始一段時(shí)間系統(tǒng)還不穩(wěn)定。25分鐘后,系統(tǒng)運(yùn)行基本穩(wěn)定。蓄熱器進(jìn)口溫度trin在54℃左右,蓄熱器出口溫度trout與冷凝器進(jìn)口溫度tcin基本相同,在26℃左右,蒸發(fā)器進(jìn)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(shí)間的變化曲線。相變材料測(cè)點(diǎn)靠近蓄熱器進(jìn)口一側(cè)。從圖中可以看出,在38℃以下,相變材料的溫度上升很快,在開(kāi)始的35分鐘內(nèi),其溫度就從26.5℃上升到38.4℃,在隨后的近兩個(gè)小時(shí)相變材料的溫度上升很慢,該段為相變材料的熔解過(guò)程。從制冷劑流量隨時(shí)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(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行。4.2熱水溫度和熱水供應(yīng)時(shí)間的確定單一釋熱工況為空調(diào)機(jī)組不開(kāi)放或者是空調(diào)機(jī)組開(kāi)放但不進(jìn)行冷凝熱回收時(shí)打開(kāi)自來(lái)水供應(yīng)生活熱水的工況。實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容是研究水的進(jìn)出口溫度的變化、流量對(duì)進(jìn)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(shí)相變材料溫度、冷水進(jìn)口溫度、熱水出口溫度以及冷熱水進(jìn)出口溫差隨時(shí)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(dá)到設(shè)計(jì)要求,且進(jìn)出水溫差在18℃左右。由于目前蓄熱時(shí)間較短,加上冬季溫度較低,冷凝溫度也相對(duì)較低,最高也只有35℃,蓄熱器進(jìn)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(shù)量有限,熱水溫度供應(yīng)時(shí)間較短。若在夏季,冷凝溫度可達(dá)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(chǔ)存的熱量就多,相應(yīng)的熱水供應(yīng)時(shí)間也就增長(zhǎng),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(shì)與流量139l/h時(shí)相同,只是由于開(kāi)始時(shí)相變材料的溫度較低,因此出水溫度相對(duì)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(jìn)口溫度也相同),流量越大,水的進(jìn)出口溫差也就越小,流量越小,水的進(jìn)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(jìn)口溫度有關(guān),還與相變材料的初溫度有關(guān)。一般來(lái)說(shuō),相變材料初溫度越高,出水溫度也就越高。熱水供應(yīng)時(shí)間主要與相變材料所儲(chǔ)存的熱量的多少有關(guān),儲(chǔ)存的熱量越多供應(yīng)熱水的時(shí)間越長(zhǎng),儲(chǔ)存的熱量越少供應(yīng)相同溫度熱水的時(shí)間就越短。因此應(yīng)有足夠的相變材料熔解以保證熱水用量。4.3溫度波動(dòng)蓄熱加供熱工況是指空調(diào)制冷的同時(shí)回收冷凝排熱,同時(shí)需求側(cè)也打開(kāi)水龍頭使用熱水。圖6給出了此種工況下冷水進(jìn)口溫度、熱水出口溫度、蓄熱器中相變材料的溫度以及進(jìn)出口水溫差隨時(shí)間的變化曲線,水側(cè)流量為100l/h。從圖中可以看出,整個(gè)用熱過(guò)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(dòng)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(guò)程中空調(diào)系統(tǒng)基本穩(wěn)定在一個(gè)工況,蓄熱器進(jìn)口溫度在56℃,蓄熱器出口溫度34℃,蒸發(fā)器進(jìn)口溫度-2℃左右,出口溫度在10℃,壓縮機(jī)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(duì)熱回收空調(diào)系統(tǒng)在蓄熱工況、單釋熱工況及蓄熱加供熱工況的實(shí)驗(yàn)研究表明,該系統(tǒng)可以提供35~40℃左右的生活熱水。由于實(shí)驗(yàn)時(shí)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(tǒng)的冷凝溫度相應(yīng)提高,如在50~55℃,冷凝熱回收效果更佳。熱回收空調(diào)系統(tǒng)的供熱可與制冷、蓄熱同時(shí)運(yùn)行而不會(huì)互相影響或者互相干涉,即只要蓄熱器中相變材料儲(chǔ)有足夠的熱量即可滿足熱需求側(cè)的熱水需要,而與空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行工況或是否運(yùn)行無(wú)關(guān),這是