相變蓄熱冷凝熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

相變蓄熱冷凝熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

1實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)圖1顯示了一種關(guān)于可變蓄熱回收的系統(tǒng)原理。在空調(diào)裝置的風(fēng)扇前，有一個(gè)附著著一個(gè)可變蓄熱裝置。首先，將含有高溫高壓的制劑蓄熱裝置的熱量轉(zhuǎn)移到蓄熱裝置中，使冰箱中的高溫高壓制劑中的低溫高壓加熱知識(shí)以潛熱的形式儲(chǔ)存在相互補(bǔ)償?shù)牟牧现?，然后通過(guò)磁力矩陣將多余的熱量轉(zhuǎn)移到外部環(huán)境。當(dāng)需要生活熱水時(shí),常溫水流經(jīng)相變材料蓄熱器吸熱升溫。實(shí)驗(yàn)裝置包括空調(diào)室外機(jī)、量熱器、相變蓄熱器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。實(shí)驗(yàn)裝置的核心是相變蓄熱器,其內(nèi)相變材料采用石蠟,熔點(diǎn)范圍在45～48℃,相變潛熱為191kJ·kg-1。相變蓄熱器的尺寸按回收1h額定制冷量7500W的空調(diào)器的冷凝顯熱設(shè)計(jì),選為540mm×230mm×250mm,采用2mm不銹鋼板,外部采用厚度30mm的聚氨酯保溫。其內(nèi)盤管采用?9.52mm銅管,主管采用?12mm銅管,如圖2所示,氟利昂從主管進(jìn)入換熱盤管,分為4路,各自經(jīng)過(guò)2200mm長(zhǎng)的盤管后匯合到另一主管。水換熱盤管結(jié)構(gòu)與之相同,高度方向相互交錯(cuò),使水換熱盤管插入氟利昂換熱盤管中間。兩套換熱盤管在兩側(cè)用銅條固定。為增強(qiáng)相變材料的傳熱性能,在相變材料中添加了骨架材料金屬網(wǎng)絲。金屬絲可以起到導(dǎo)熱通道和成核作用,本實(shí)驗(yàn)中采用直徑為2mm的鋁絲編織成網(wǎng)格,網(wǎng)格大小為15mm×15mm,置于相變蓄熱器內(nèi)。空調(diào)室外機(jī)采用斯圖華納SWC-KF(Rd)-75W型,制冷量7500W;量熱器的功率調(diào)節(jié)范圍為5000～8000W。冷水的流量計(jì)的精度0.0001m3。壓力表精度為0.02MPa。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括熱電偶、熱電阻、功率變送器、組態(tài)王軟件等。2實(shí)驗(yàn)評(píng)估和分析通過(guò)對(duì)相變蓄熱熱回收空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究,分析了相變蓄熱器的蓄放熱狀況、空調(diào)運(yùn)行狀況及制取生活熱水等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2.1蓄熱器蓄熱實(shí)驗(yàn)2.1.1蓄熱器內(nèi)橫向溫度變化實(shí)驗(yàn)條件:量熱器內(nèi)溫度27℃,環(huán)境溫度22℃。溫度測(cè)試:相變蓄熱器內(nèi)布置了6個(gè)熱電阻測(cè)點(diǎn),A、B、C測(cè)的是相變蓄熱器中部橫切面的石蠟溫度[如圖3(a),圖中箭頭為制冷劑流動(dòng)方向];D、E、F測(cè)的是相變蓄熱器右側(cè)縱向的溫度變化[如圖3(b)],其中D點(diǎn)位于上部且與換熱盤管較近。在蓄熱過(guò)程中相變蓄熱器內(nèi)橫向溫度變化如圖3(c)曲線A、B、C所示。開(kāi)始時(shí)刻,由盤管傳給石蠟的熱量以顯熱形式儲(chǔ)存起來(lái),溫度不斷升高直至達(dá)到熔點(diǎn),當(dāng)石蠟溫度達(dá)到熔點(diǎn)45℃時(shí),融化過(guò)程開(kāi)始。在融化開(kāi)始前的一段時(shí)間內(nèi)傳熱方式為純導(dǎo)熱,由于石蠟熱導(dǎo)率很低,熱量傳遞速度較慢,溫度上升比較平緩。在融化過(guò)程中固液界面吸收的熱量等于其自身吸收的潛熱加上沿徑向往外層界面導(dǎo)出的熱量,不同測(cè)點(diǎn)吸收熱量的不同,導(dǎo)致各點(diǎn)溫度不盡相同。在圖3(c)中可以看出,在石蠟完全融化后對(duì)流換熱強(qiáng)烈,溫度有一個(gè)較快速的升高,而后由于傳熱溫差的減小,溫度升高減緩。在蓄熱器的橫截面上,A、B、C三個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度相差不大,說(shuō)明蓄熱器在水平方向上溫度分布均勻。但在蓄熱器縱向的D、E、F三個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度相差較大,蓄熱器上部溫度明顯高于中部,中部溫度高于底部。D點(diǎn)溫度明顯高出另外兩點(diǎn),主要是由于蓄熱盤管為異程式,導(dǎo)致流經(jīng)上部盤管的制冷劑較多所致。當(dāng)石蠟完全融化后,對(duì)流換熱加強(qiáng),石蠟縱向的溫差逐漸減小,最后趨于同一溫度。2.1.2空調(diào)石蠟和制冷蓄熱器運(yùn)行情況對(duì)比,見(jiàn)表1。根據(jù)2經(jīng)過(guò)對(duì)空調(diào)運(yùn)行的測(cè)試,如圖4(a),實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后相變蓄熱器氟利昂進(jìn)口溫度(即壓縮機(jī)出口溫度)迅速提高,并維持在72℃左右。相變蓄熱器的出口溫度開(kāi)始階段維持在47℃左右,60min后溫度逐漸升高。高溫高壓的氟利昂氣體通過(guò)相變蓄熱器盤管與石蠟進(jìn)行換熱,實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段,制冷劑在蓄熱器的進(jìn)出口溫差約25℃,隨著石蠟的融化,蓄熱器內(nèi)對(duì)流換熱增強(qiáng),但是石蠟與制冷劑之間的溫差較開(kāi)始時(shí)小,加上石蠟潛熱較大,所以制冷劑進(jìn)出口溫差與石蠟處于固態(tài)時(shí)相差不大。60min后,石蠟完全處于熔化狀態(tài),其顯熱很小,進(jìn)出口溫差隨之減小,即石蠟完全融化后,蓄熱器蓄熱能力明顯下降。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中空調(diào)的蒸發(fā)溫度和壓縮機(jī)的吸氣溫度保持平穩(wěn),空調(diào)運(yùn)行正常。在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件下采集了空調(diào)有無(wú)蓄熱器的運(yùn)行參數(shù),如圖4(b)～(d)所示,結(jié)果表明,增加相變蓄熱器后壓縮機(jī)的功率有所增加,空調(diào)冷凝溫度降低,制冷量有所增加。原空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機(jī)輸入功率平均為2200W,制冷量平均為7130W,COP為3.24;增加相變蓄熱器后,壓縮機(jī)輸入功率平均為2245W,制冷量平均為7310W,COP為3.25。在增加蓄熱器的情況下,壓縮機(jī)出口壓力略有增加,約增大0.07MPa,說(shuō)明空調(diào)增加相變蓄熱器后,阻力有所增加,使壓縮機(jī)背壓有所增加。壓縮機(jī)輸入功率相應(yīng)增加,出口溫度比無(wú)蓄熱器時(shí)約升高2～3℃。但由于增加蓄熱器后空調(diào)的冷凝溫度降低,所以制冷量有所增加。經(jīng)計(jì)算COP由3.24升為3.25。2.2蓄熱器加熱實(shí)驗(yàn)2.2.1石蠟的凝固過(guò)程蓄熱完畢后關(guān)閉空調(diào),往相變蓄熱器內(nèi)通入溫度25℃,流量485L·h-1的冷水。如圖5所示,相變蓄熱器向冷水放熱95min后,石蠟的溫度已從65℃降到45℃,冷凝潛熱被轉(zhuǎn)移到水中。實(shí)驗(yàn)測(cè)得水進(jìn)出口溫差為2.15℃。放熱開(kāi)始后,石蠟的降溫曲線斜率非常大,并且徑向各點(diǎn)的溫降速率也很接近,此時(shí)石蠟還處于完全熔化狀態(tài),向水傳遞顯熱部分的熱量,此時(shí)自然對(duì)流作用非常強(qiáng)烈,再加上石蠟與管外冷卻水溫差較大,使得此時(shí)熱流量很高,熱量極易由石蠟傳遞給冷卻水,石蠟的溫度下降很快。隨后由于靠近管壁一側(cè)的石蠟開(kāi)始凝固,放出潛熱,此時(shí)外側(cè)石蠟的熱量要傳遞給冷卻水,必須以導(dǎo)熱形式通過(guò)這一層越來(lái)越厚的固態(tài)石蠟,隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,自然對(duì)流越來(lái)越弱,傳熱溫差不斷降低,導(dǎo)致降溫過(guò)程趨于平緩,降溫曲線隨時(shí)間變化的斜率越來(lái)越小。凝固過(guò)程從達(dá)到相變范圍時(shí)開(kāi)始直到下降至相變溫度范圍以下結(jié)束,在這個(gè)過(guò)程中,傳熱很復(fù)雜,包括導(dǎo)熱和對(duì)流兩種傳熱方式。凝固過(guò)程開(kāi)始,對(duì)流占主導(dǎo)地位,隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,對(duì)流作用逐漸下降,傳導(dǎo)作用慢慢上升,在相變過(guò)程中,兩者不斷變化,在相變發(fā)生后期,對(duì)流逐漸減少,甚至可以忽略,而傳導(dǎo)占主導(dǎo)地位。從此實(shí)驗(yàn)可以看出,石蠟的放熱即凝固過(guò)程較蓄熱過(guò)程熱阻更大,水流量在較大的情況下溫升較小,基本不能滿足生活熱水的溫度要求。2.2.2流量對(duì)平均溫度的影響冷水溫度為25℃,分別測(cè)試了流量為100、150、260、350、485L·h-1時(shí)的平均溫度升高情況。如圖6所示,水的溫升隨著流量的提高而減小。在水流量較小的情況下,例如100L·h-1,溫度提高約8.2℃,在水流量較大的情況下溫升較小。2.3空調(diào)機(jī)組開(kāi)啟運(yùn)行溫度空調(diào)首先運(yùn)行110min(蓄熱工況),然后在開(kāi)機(jī)的情況下通入相變蓄熱器20℃的冷水80min,流量150L·h-1,最后關(guān)閉空調(diào)繼續(xù)冷卻。此次測(cè)試對(duì)溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了重新布置,測(cè)點(diǎn)位置如圖7(a)所示,其中A、B、C、D、E、F為熱電阻測(cè)點(diǎn)位置,圖中箭頭指示的是制冷劑的流動(dòng)方向。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7(b)所示,空調(diào)蓄熱110min后,相變蓄熱器內(nèi)石蠟溫度已達(dá)60℃左右,然后在開(kāi)機(jī)的情況下通入冷水約80min,石蠟溫度開(kāi)始有一個(gè)明顯的下降,而后達(dá)到一個(gè)溫度平衡點(diǎn)(55℃左右),說(shuō)明此時(shí)對(duì)于相變蓄熱器而言,石蠟吸收的冷凝熱與對(duì)水放出的熱量相等。關(guān)閉空調(diào)機(jī)組后繼續(xù)通入冷水,開(kāi)始階段水吸收石蠟的顯熱,此時(shí)石蠟處于液態(tài),對(duì)流換熱強(qiáng)烈,石蠟溫度降低較快,進(jìn)而隨著溫度的不斷降低,變化速率慢慢減小。在空調(diào)機(jī)組開(kāi)啟通冷水的情況下,測(cè)得出水溫度約31.5℃,溫度提高11.5℃。與空調(diào)關(guān)閉情況相比,水溫升高幅度有較大改善。3空調(diào)冷凝器熱回收技術(shù)經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn),可以得出以下結(jié)論。(1)利用在空調(diào)系統(tǒng)中增加相變蓄熱器的方法可以有效地回收空調(diào)機(jī)組的冷凝顯熱。(2)空調(diào)系統(tǒng)在增加蓄熱裝置后,運(yùn)行平穩(wěn)正常,壓縮機(jī)背壓略微有所提高。(3)相變蓄熱器放熱過(guò)程中,大流量情況下冷水的溫升較小,要想達(dá)到生活熱水所需要的溫度,只能在較小流量下運(yùn)行或添加輔助加熱措施。(4)放熱過(guò)程進(jìn)行時(shí),空調(diào)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行,可以相應(yīng)提高冷水的出口溫度。中國(guó)是能源生產(chǎn)大國(guó),也是能源消費(fèi)大國(guó)。當(dāng)今的能源問(wèn)題引起人們?cè)絹?lái)越多的重視?？照{(diào)系統(tǒng)作為用能大戶之一,其夏季制冷運(yùn)行所產(chǎn)生的冷凝熱量非常龐大。如果直接排入大氣,不僅造成極大的能源浪費(fèi),而且使環(huán)境溫度升高,產(chǎn)生熱污染。事實(shí)上,即使在夏季很多建筑物也有生活熱水的需求,考慮將冷凝熱的全部或部分回收用于加熱生活熱水,可以有效地節(jié)約能源。早在1965年,Healy等首先提出了居住建筑空調(diào)冷凝熱作為免費(fèi)的熱源進(jìn)行熱水供應(yīng)的可行性;隨后在1977年Mason等對(duì)一個(gè)有代表性的家庭進(jìn)行了熱回收系統(tǒng)的研究,結(jié)果顯示其可行性。以