復(fù)合相變蓄熱器的應(yīng)用

復(fù)合相變蓄熱器的應(yīng)用

0冷凝器熱回收技術(shù)隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，使用空調(diào)的使用變得越來(lái)越受歡迎。空調(diào)作為能源消耗的大戶(hù),在整個(gè)能源的合理利用和有效節(jié)能中應(yīng)起到帶頭的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì),上海市近年來(lái)空調(diào)用電負(fù)荷約占夏季用電高峰負(fù)荷的50%。由壓縮式制冷的工作原理可以得到機(jī)組在制冷工況下運(yùn)行時(shí)要向大氣環(huán)境排放大量的冷凝熱,其值可達(dá)制冷量的1.1～1.3倍。采用熱回收裝置可充分利用空調(diào)系統(tǒng)的廢熱,減少大氣環(huán)境污染,同時(shí)提供免費(fèi)的生活用水,是一條變廢為寶的節(jié)能途徑。從國(guó)內(nèi)的研究狀況來(lái)看,冷凝熱的回收方式主要是考慮直接加熱自來(lái)水或者是采用蓄水槽的顯熱回收。直接加熱自來(lái)水的問(wèn)題很明顯,就是空調(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)題和冷凝熱量不能與生活熱水用量同步。因此,設(shè)置蓄熱裝置就顯得很必要,它可以存儲(chǔ)中午空調(diào)滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的熱水用以補(bǔ)充晚上空調(diào)低負(fù)荷時(shí)產(chǎn)水量的不足。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在研究集中在蓄水槽的顯熱回收,主要缺點(diǎn)就是占用面積太大,而且換熱效率低。劉紅娟等提出了用相變材料蓄熱來(lái)解決此難題。在此基礎(chǔ)上本文提出了把蓄熱水池與相變材料相結(jié)合的裝置回收空調(diào)冷凝熱。1驗(yàn)機(jī)組的組成熱回收空調(diào)系統(tǒng)由常規(guī)空調(diào)機(jī)組、熱回收蓄熱器、水箱及相應(yīng)的管路與閥門(mén)組成。系統(tǒng)的裝置如圖1:該實(shí)驗(yàn)機(jī)組由壓縮機(jī)、風(fēng)冷冷凝器、蓄熱器、儲(chǔ)液器、電子膨脹閥、風(fēng)冷蒸發(fā)器、電加熱器以及輔助設(shè)備(如閥門(mén)、水箱、溫控裝置、水泵、配電箱等)組成。其特征在于:在空調(diào)機(jī)組回路的冷凝器上串聯(lián)一個(gè)相變蓄熱器和一個(gè)水蓄熱器,壓縮機(jī)出口出來(lái)的制冷劑依次通過(guò)它們。蓄熱器回收壓縮機(jī)的冷凝排熱,是該系統(tǒng)的重心。1.1空調(diào)系統(tǒng)的冷卻法2.熱回收空調(diào)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)三種運(yùn)行模式:單一制冷、制冷加蓄熱(熱回收)以及釋熱模式。1)單一制冷工況單一制冷工況的工作原理與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相同,此工況下三通閥2通往蓄熱器的一路關(guān)閉,制冷劑直接流向冷凝器(四通閥10上下口關(guān)閉,左右口開(kāi)啟),空調(diào)系統(tǒng)的冷凝排熱直接排出,未加利用。2)制冷加蓄熱(熱回收)工況制冷機(jī)向空調(diào)用戶(hù)供冷,同時(shí)所釋放的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)冷式冷凝器而直接進(jìn)入儲(chǔ)液器。隨著蓄熱器內(nèi)相變材料和水的溫度升高,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。制冷機(jī)組的制冷能力,隨蒸發(fā)溫度的降低而減少,隨冷凝溫度的升高而減少。一般來(lái)說(shuō),空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行蓄熱時(shí)它的冷凝溫度也會(huì)相應(yīng)的提高一些,對(duì)空調(diào)的正常運(yùn)行影響不大,因此空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)均可同時(shí)對(duì)冷凝排熱進(jìn)行回收(蓄熱)。3)釋熱工況當(dāng)需要熱水的時(shí)候,打開(kāi)閥門(mén)8,使儲(chǔ)水箱里的自來(lái)水依次進(jìn)入水蓄熱池和相變蓄熱器進(jìn)行熱交換,可使這些水由原來(lái)的常溫20℃加熱到40℃左右。如果實(shí)際中需要更高溫度的熱水,可用電加熱器3輔助加熱,進(jìn)一步提高熱水的溫度,達(dá)到需要的要求。由前面的分析看出,熱回收空調(diào)系統(tǒng)的釋熱可與制冷、蓄熱同時(shí)運(yùn)行而不會(huì)互相影響、互相干涉。1.2石蠟蓄熱器的簡(jiǎn)介空調(diào)用蓄熱材料屬于低溫蓄熱材料。對(duì)蓄熱材料的主要要求是:相變溫度合適,相變潛熱大,體積變化小,材料安全無(wú)毒且環(huán)境負(fù)荷小,熱導(dǎo)性、耐久性、流動(dòng)性好、成本低,制作簡(jiǎn)單。本文相變蓄熱器采用的材料為改性石蠟。石蠟作為相變蓄熱材料,其熔解溫度要和空調(diào)系統(tǒng)的冷凝溫度相匹配。目前市場(chǎng)上供應(yīng)的石蠟,其熔點(diǎn)一般在50℃左右,而中央空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)工況冷凝溫度為54.4℃左右,要直接利用石蠟作為蓄熱材料需要降低其熔點(diǎn)。由于溶劑中加入溶質(zhì)會(huì)降低溶劑熔點(diǎn),故在石蠟中加入一種添加劑使其熔點(diǎn)降低。文中采用添加重量比為10%的食品添加劑,食品添加劑為月桂酸、草莓香精。1.3管殼式蓄熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前所研究設(shè)計(jì)的相變潛熱儲(chǔ)能系統(tǒng)大多由相變材料和傳熱流體兩部分組成,通過(guò)傳熱流體與相變材料間能量的交換來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存與釋放。與普通換熱器相比,相變儲(chǔ)能換熱器的特點(diǎn)是換熱器中需同時(shí)布置流體管道和相變材料,并且在相變傳熱過(guò)程中相變界面的移動(dòng)使相變材料的傳熱熱阻逐漸變化。壓縮冷凝機(jī)組冷凝熱回收系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)是蓄熱器,它與普通的蓄熱器有些不同,由三部分組成,即相變材料(石蠟基相變材料),熱流體(制冷劑流體)和冷流體(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。當(dāng)換熱器兩側(cè)流體的換熱系數(shù)相差較大時(shí),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?；诖嗽?將管殼式換熱器與翅片管式換熱器結(jié)合,設(shè)計(jì)出套片式大翅片管殼式蓄熱器。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)。1.4蓄熱過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)蓄熱水槽的體形可根據(jù)工程的具體情況確定,通常情況下為了提高蓄熱熱水槽的利用率蓄熱水槽多是圓形和矩形,平底圓桶形的水槽外表面積與體積之比小于同樣容積的矩形槽,前者的熱量損失就小于后者,所以工程中宜采用圓形水槽。蓄熱水槽要做好保溫,盡量減少熱量的損失,工作溫度為40～95℃,要求表面熱損失不大于47W/m2。在保溫層外要求做保護(hù)層,可采用鋁板或不銹鋼作保護(hù)層。2蓄熱式熱交換器利用相變材料作為蓄熱介質(zhì),屬于潛熱蓄能,其蓄熱密度與相變材料的相變潛熱有很大關(guān)系,隨著相變潛熱的增大而增大。水作為顯熱蓄熱介質(zhì),其蓄熱量的多少與水的顯熱吸收有很大的關(guān)系,隨著顯熱的增大而增大。同時(shí),在相變材料全部熔解以后還可以繼續(xù)利用水的顯熱吸熱對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的冷凝排熱進(jìn)行熱回收以吸收更多的冷凝排熱。采用相變蓄熱材料與水作為蓄熱介質(zhì)的蓄熱器可把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)。從量的角度考慮,一般來(lái)說(shuō),系統(tǒng)的排氣顯熱部分只占全部熱量的15%～20%,即使全部顯熱被水蓄熱吸收也是很有限的,而且溫度也不會(huì)太高,進(jìn)而生產(chǎn)出的熱水溫度也不高,不能滿(mǎn)足熱用戶(hù)的溫度需求,還需用輔助電加熱器進(jìn)一步加熱,又將消耗一部分能量。而采用復(fù)合相變蓄熱器不但可以吸收水的顯熱,而且還可以吸收部分相變潛熱,回收的熱量大。在實(shí)驗(yàn)中,蓄熱式熱交換器是按照空調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)工況(54.4℃/7.2℃)名義制冷量為7kW,輸入功率為100W等參數(shù)來(lái)定的,因此其總的蓄熱量約為8.75kW(按名義制冷量的1.25倍計(jì)算),其中該系統(tǒng)所產(chǎn)生的冷凝熱中冷凝潛熱有7.437kW(約為冷凝熱的85%),顯熱部分占1.312kW(約為冷凝熱的15%)。冷凝潛熱即過(guò)熱部分則全部由相變蓄熱器吸收,而顯熱部分則有大約一半即0.656kW被蓄熱水箱吸收。蓄熱器設(shè)計(jì)中,熱交換器按照雙鹿空調(diào)器三匹機(jī)名義制冷量7kW設(shè)計(jì)的。每m3石蠟的潛熱量為47.5kWh/m3,現(xiàn)總蓄熱量Qk=7.437kW(冷凝溫度50℃),則需用石蠟量V=0.157m3,質(zhì)量為141.3kg(假定蓄熱時(shí)間為1小時(shí))。3制冷裝置的設(shè)計(jì)1)目前,蓄熱器在國(guó)外已廣泛應(yīng)用,在我國(guó)也逐漸發(fā)展起來(lái)。余熱和太陽(yáng)能等資源的有效利用,迫切需要設(shè)計(jì)和發(fā)展高效率、低成本的相變蓄熱器,但對(duì)蓄熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算尚無(wú)統(tǒng)一的方法。因此,對(duì)蓄熱器的設(shè)計(jì)也處于摸索階段。2)對(duì)蓄熱介質(zhì)的要求是:熱容量大、蓄熱能力強(qiáng),化學(xué)穩(wěn)定性好,熔點(diǎn)低,對(duì)人體、動(dòng)植物無(wú)害、價(jià)格低廉,制作簡(jiǎn)單。我國(guó)對(duì)蓄熱材料的開(kāi)發(fā)有待進(jìn)一步加強(qiáng)。3)應(yīng)盡可能使制冷裝置在較低的冷凝溫度下運(yùn)行。在設(shè)計(jì)中選取的冷凝溫度是定值,而實(shí)際運(yùn)行中的冷凝溫度是變化的。冷凝溫度與環(huán)境溫度有關(guān),不僅隨季節(jié)變化,而且每天晝夜也在不斷變化,因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮各種不利因素,選擇適當(dāng)?shù)睦淠郎囟?保證制冷裝置在高效率下節(jié)能運(yùn)行。4)換熱器除了保證有與所改造機(jī)頭的功率相適應(yīng)的換熱面積外,還必須有較低的阻力不會(huì)影響制冷機(jī)原有工況,否則會(huì)降低出力。4回收水處理系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益分析本文中采用獨(dú)特的復(fù)合型蓄熱器回收空調(diào)的冷凝熱,解決了常規(guī)蓄熱水器水箱過(guò)大或熱需求側(cè)與供應(yīng)側(cè)量與時(shí)間不平衡的問(wèn)題。采用相變材料蓄熱效果好,貯熱時(shí)間長(zhǎng)。通過(guò)分析可看出,該系統(tǒng)不但可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求,減少對(duì)環(huán)境的污染,節(jié)省了