相变蓄热冷凝热回收系统的设计与实验研究

相变蓄热冷凝热回收系统的设计与实验研究

1实验装置的设计图1显示了一种关于可变蓄热回收的系统原理。在空调装置的风扇前，有一个附着着一个可变蓄热装置。首先，将含有高温高压的制剂蓄热装置的热量转移到蓄热装置中，使冰箱中的高温高压制剂中的低温高压加热知识以潜热的形式储存在相互补偿的材料中，然后通过磁力矩阵将多余的热量转移到外部环境。当需要生活热水时,常温水流经相变材料蓄热器吸热升温。实验装置包括空调室外机、量热器、相变蓄热器、数据采集系统等。实验装置的核心是相变蓄热器,其内相变材料采用石蜡,熔点范围在45～48℃,相变潜热为191kJ·kg-1。相变蓄热器的尺寸按回收1h额定制冷量7500W的空调器的冷凝显热设计,选为540mm×230mm×250mm,采用2mm不锈钢板,外部采用厚度30mm的聚氨酯保温。其内盘管采用ϕ9.52mm铜管,主管采用ϕ12mm铜管,如图2所示,氟利昂从主管进入换热盘管,分为4路,各自经过2200mm长的盘管后汇合到另一主管。水换热盘管结构与之相同,高度方向相互交错,使水换热盘管插入氟利昂换热盘管中间。两套换热盘管在两侧用铜条固定。为增强相变材料的传热性能,在相变材料中添加了骨架材料金属网丝。金属丝可以起到导热通道和成核作用,本实验中采用直径为2mm的铝丝编织成网格,网格大小为15mm×15mm,置于相变蓄热器内。空调室外机采用斯图华纳SWC-KF(Rd)-75W型,制冷量7500W;量热器的功率调节范围为5000～8000W。冷水的流量计的精度0.0001m3。压力表精度为0.02MPa。数据采集系统包括热电偶、热电阻、功率变送器、组态王软件等。2实验评估和分析通过对相变蓄热热回收空调系统的实验研究,分析了相变蓄热器的蓄放热状况、空调运行状况及制取生活热水等实验数据。2.1蓄热器蓄热实验2.1.1蓄热器内横向温度变化实验条件:量热器内温度27℃,环境温度22℃。温度测试:相变蓄热器内布置了6个热电阻测点,A、B、C测的是相变蓄热器中部横切面的石蜡温度[如图3(a),图中箭头为制冷剂流动方向];D、E、F测的是相变蓄热器右侧纵向的温度变化[如图3(b)],其中D点位于上部且与换热盘管较近。在蓄热过程中相变蓄热器内横向温度变化如图3(c)曲线A、B、C所示。开始时刻,由盘管传给石蜡的热量以显热形式储存起来,温度不断升高直至达到熔点,当石蜡温度达到熔点45℃时,融化过程开始。在融化开始前的一段时间内传热方式为纯导热,由于石蜡热导率很低,热量传递速度较慢,温度上升比较平缓。在融化过程中固液界面吸收的热量等于其自身吸收的潜热加上沿径向往外层界面导出的热量,不同测点吸收热量的不同,导致各点温度不尽相同。在图3(c)中可以看出,在石蜡完全融化后对流换热强烈,温度有一个较快速的升高,而后由于传热温差的减小,温度升高减缓。在蓄热器的横截面上,A、B、C三个测点温度相差不大,说明蓄热器在水平方向上温度分布均匀。但在蓄热器纵向的D、E、F三个测点温度相差较大,蓄热器上部温度明显高于中部,中部温度高于底部。D点温度明显高出另外两点,主要是由于蓄热盘管为异程式,导致流经上部盘管的制冷剂较多所致。当石蜡完全融化后,对流换热加强,石蜡纵向的温差逐渐减小,最后趋于同一温度。2.1.2空调石蜡和制冷蓄热器运行情况对比,见表1。根据2经过对空调运行的测试,如图4(a),实验开始后相变蓄热器氟利昂进口温度(即压缩机出口温度)迅速提高,并维持在72℃左右。相变蓄热器的出口温度开始阶段维持在47℃左右,60min后温度逐渐升高。高温高压的氟利昂气体通过相变蓄热器盘管与石蜡进行换热,实验开始阶段,制冷剂在蓄热器的进出口温差约25℃,随着石蜡的融化,蓄热器内对流换热增强,但是石蜡与制冷剂之间的温差较开始时小,加上石蜡潜热较大,所以制冷剂进出口温差与石蜡处于固态时相差不大。60min后,石蜡完全处于熔化状态,其显热很小,进出口温差随之减小,即石蜡完全融化后,蓄热器蓄热能力明显下降。整个实验过程中空调的蒸发温度和压缩机的吸气温度保持平稳,空调运行正常。在相同的实验环境条件下采集了空调有无蓄热器的运行参数,如图4(b)～(d)所示,结果表明,增加相变蓄热器后压缩机的功率有所增加,空调冷凝温度降低,制冷量有所增加。原空调系统的压缩机输入功率平均为2200W,制冷量平均为7130W,COP为3.24;增加相变蓄热器后,压缩机输入功率平均为2245W,制冷量平均为7310W,COP为3.25。在增加蓄热器的情况下,压缩机出口压力略有增加,约增大0.07MPa,说明空调增加相变蓄热器后,阻力有所增加,使压缩机背压有所增加。压缩机输入功率相应增加,出口温度比无蓄热器时约升高2～3℃。但由于增加蓄热器后空调的冷凝温度降低,所以制冷量有所增加。经计算COP由3.24升为3.25。2.2蓄热器加热实验2.2.1石蜡的凝固过程蓄热完毕后关闭空调,往相变蓄热器内通入温度25℃,流量485L·h-1的冷水。如图5所示,相变蓄热器向冷水放热95min后,石蜡的温度已从65℃降到45℃,冷凝潜热被转移到水中。实验测得水进出口温差为2.15℃。放热开始后,石蜡的降温曲线斜率非常大,并且径向各点的温降速率也很接近,此时石蜡还处于完全熔化状态,向水传递显热部分的热量,此时自然对流作用非常强烈,再加上石蜡与管外冷却水温差较大,使得此时热流量很高,热量极易由石蜡传递给冷却水,石蜡的温度下降很快。随后由于靠近管壁一侧的石蜡开始凝固,放出潜热,此时外侧石蜡的热量要传递给冷却水,必须以导热形式通过这一层越来越厚的固态石蜡,随着实验的进行,自然对流越来越弱,传热温差不断降低,导致降温过程趋于平缓,降温曲线随时间变化的斜率越来越小。凝固过程从达到相变范围时开始直到下降至相变温度范围以下结束,在这个过程中,传热很复杂,包括导热和对流两种传热方式。凝固过程开始,对流占主导地位,随着实验的进行,对流作用逐渐下降,传导作用慢慢上升,在相变过程中,两者不断变化,在相变发生后期,对流逐渐减少,甚至可以忽略,而传导占主导地位。从此实验可以看出,石蜡的放热即凝固过程较蓄热过程热阻更大,水流量在较大的情况下温升较小,基本不能满足生活热水的温度要求。2.2.2流量对平均温度的影响冷水温度为25℃,分别测试了流量为100、150、260、350、485L·h-1时的平均温度升高情况。如图6所示,水的温升随着流量的提高而减小。在水流量较小的情况下,例如100L·h-1,温度提高约8.2℃,在水流量较大的情况下温升较小。2.3空调机组开启运行温度空调首先运行110min(蓄热工况),然后在开机的情况下通入相变蓄热器20℃的冷水80min,流量150L·h-1,最后关闭空调继续冷却。此次测试对温度测点进行了重新布置,测点位置如图7(a)所示,其中A、B、C、D、E、F为热电阻测点位置,图中箭头指示的是制冷剂的流动方向。实验结果如图7(b)所示,空调蓄热110min后,相变蓄热器内石蜡温度已达60℃左右,然后在开机的情况下通入冷水约80min,石蜡温度开始有一个明显的下降,而后达到一个温度平衡点(55℃左右),说明此时对于相变蓄热器而言,石蜡吸收的冷凝热与对水放出的热量相等。关闭空调机组后继续通入冷水,开始阶段水吸收石蜡的显热,此时石蜡处于液态,对流换热强烈,石蜡温度降低较快,进而随着温度的不断降低,变化速率慢慢减小。在空调机组开启通冷水的情况下,测得出水温度约31.5℃,温度提高11.5℃。与空调关闭情况相比,水温升高幅度有较大改善。3空调冷凝器热回收技术经过大量的实验,可以得出以下结论。(1)利用在空调系统中增加相变蓄热器的方法可以有效地回收空调机组的冷凝显热。(2)空调系统在增加蓄热装置后,运行平稳正常,压缩机背压略微有所提高。(3)相变蓄热器放热过程中,大流量情况下冷水的温升较小,要想达到生活热水所需要的温度,只能在较小流量下运行或添加辅助加热措施。(4)放热过程进行时,空调机组同时运行,可以相应提高冷水的出口温度。中国是能源生产大国,也是能源消费大国。当今的能源问题引起人们越来越多的重视。空调系统作为用能大户之一,其夏季制冷运行所产生的冷凝热量非常庞大。如果直接排入大气,不仅造成极大的能源浪费,而且使环境温度升高,产生热污染。事实上,即使在夏季很多建筑物也有生活热水的需求,考虑将冷凝热的全部或部分回收用于加热生活热水,可以有效地节约能源。早在1965年,Healy等首先提出了居住建筑空调冷凝热作为免费的热源进行热水供应的可行性;随后在1977年Mason等对一个有代表性的家庭进行了热回收系统的研究,结果显示其可行性。以