能量梯级复合蓄热回收空调系统的研究

能量梯级复合蓄热回收空调系统的研究

家用空调冷凝器热回收系统在我国的应用研究由于夏季寒冷的运行，空调系统产生的冷热量非常大，通常是冷负荷的1.25倍左右。冷凝热直接排入大气,不仅造成极大的能源浪费,而且使环境温度升高,产生严重热污染。事实上在夏季,很多建筑物都有生活热水的需求,考虑将冷凝热的全部或部分回收用于加热生活热水,可以达到节约能源,满足生活热水需求一举两得的目的。本研究将在相变蓄热冷凝热回收的基础上,进行改良,给出设计系统的原理、结构和设计方法,并进行了系列实验研究。结果表明,采用复合蓄热的方法可以使得冷凝热回收率得到很大的提高,空调蓄热完毕后继续运行,冷水通过水蓄热器预热、相变蓄热器加热后可持续制得符合生活需要的热水。近年来,国外各大空调制造商为了很好地解决冷凝热的回收以达到节能目的,纷纷推出新一代的节能产品。但国外研究机构和企业把大部分注意力放在大型空调制冷机组方面,而小型的家用空调冷凝热的回收产品并不多见。我国对于冷凝排热热回收系统的研究相对国外少些,还没有将热回收理论与家用空调相结合,解决实际生活中存在的问题,致使国内家用空调冷凝热的回收研究很少,更不用说是有相关的产品。但与此同时,随着我国国民经济的发展,家用空调器的普及率迅猛上升,夏季空调冷凝热的大量排放势必造成能源的大量浪费和环境污染的日益严重,严重阻碍了我国经济的可持续发展。所以开发出相关家用空调器冷凝热回收技术,前景广阔。1复合蓄热回收空调系统原理热水的使用时间和空调系统运行时间往往存在着不同步性,晚上是热水的使用高峰期,而空调的高峰期往往在中午及下午。此外,冷凝热的排放不是持续性的、其排放的热量也具有波动性,而蓄热器恰恰能解决这些问题,解决两者之间的不同步与不平衡。水蓄热器结构简单、导热性好、热交换效率高,但其蓄热能力较差,造成水蓄热器体积较大。而相变材料相变潜热大,占用体积小,但其导热性较差。基于上述问题,依据能量梯级利用原理,本研究采用一种将相变蓄热与水蓄热结合在一起的复合蓄热热回收空调系统,即在空调机组回路的冷凝器上串联一个相变蓄热器和一个水蓄热器。压缩机排出的高温高压制冷剂过热蒸汽先经过相变材料蓄热器,与相变材料进行热量交换,使得冷凝过程中品位较高的过热热以潜热的形式存于相变材料中,再经过水蓄热器,将制冷剂中部分温度较低的相变热储存于水中。热回收用复合蓄热器与常规风冷冷凝器(或冷却塔)采用串联连接,以减少冷凝器的工作负荷,减少能量消耗,增强节能效果。在放热过程中,冷水分别流经水蓄热器和相变蓄热器,增加水蓄热器后,水蓄热器中热水预先对冷水进行加热,起到预热作用,使制取的热水在一定的时间内达到生活热水所需的温度,但毕竟水蓄热器蓄热能力较小,在空调关机的情况下不可能保证长时间的预热作用;如果在空调开机情况下,蓄热和放热可以同时进行,实现持续制取满足生活需要的热水。2充填蓄热器设计复合蓄热热回收空调系统原理如图1所示,包括制冷空调机组、量热器、相变蓄热器、水蓄热器、数据采集系统等(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)。从图1可以清楚地看到,高温高压的制冷剂过热蒸汽由压缩机出来后,分别流经相变蓄热器、水蓄热器,然后又通过冷凝器回到制冷机组中。相变蓄热器按回收1h额定制冷量7500W的空调器设计的,内填充蓄热材料为石蜡;相变蓄热器槽体选为540mm×230mm×250mm,采用2mm不锈钢板,外部采用厚度30mm的聚氨酯保温。蓄热器内盘管采用ϕ9.52铜管,主管采用ϕ12铜管,如图2所示,制冷剂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。水蓄热器如图3所示,其形状为圆柱形,直径300mm、长400mm,从相变蓄热器出来的制冷剂从进液口进入水蓄热器,通过分流器分为5路与水蓄热器内的水换热。当需要热水时,冷水从进水口进入水蓄热器被预热后进入相变蓄热器吸收热量。从理论上讲,制冷剂在相变蓄热器内已将其冷凝显热释放,在水蓄热器内会发生液化,为减小其阻力,以免增大压缩机背压,水蓄热器换热管采用横置。整个装置在设计计算时,只考虑了在实验室环境温度,因而选取的冷凝温度是恒量,选取与之匹配的相变材料石蜡,但在实际应用中,由于环境温度不断变化,冷凝温度也不可能恒定,故在应用到实际生产中时,应充分考虑实际状况,选取合适的冷凝温度并及时调整相变材料的种类,保证蓄热高效运行;同时两个蓄热器在安装时,同样只考虑了实验室环境,实际应用中也必须考虑实际条件,做到安装合理,保证设备的运行效率。3实验与结果分析3.1热水加热作用实验环境:环境温度15℃,量热器内温度24℃由于水蓄热器内换热盘管较少,所以水的温度升高稍慢,但足可以起到预热作用。如图3曲线所示,水蓄热器内水温从13℃经80min被加热到45℃。由于实验是在冬季做的,室内气温偏低,水箱内起始水温也偏低。根据实验数据对复合蓄热热回收空调系统进行了热力分析,得到复合蓄热器回收热量占总冷凝热的比例为19.6%,远高于相变蓄热热回收空调系统的13.2%。3.2水蓄热器系统放热实验一:蓄热完毕后,在空调关机的情况下通入水蓄热器温度20℃、流量100L·h-1的冷水。在水蓄热器的预热作用下,相变蓄热器进口冷水温度在30min内可达30℃以上。由于相变蓄热器进水温度的提高,且开始石蜡温度达60℃以上,制取的生活热水温度约45℃。随着水蓄热器内温度的逐渐降低,制取的热水温度也逐渐降低,相变蓄热器进出口水温变化如图5所示。放热实验二:通入温度为25℃、流量100L·h-1的冷水,相变蓄热器内水温变化如图6,在开始阶段由于被预热的水温较高且石蜡温度较高,制取的生活热水温度接近50℃。随着水蓄热器内温度降低及石蜡温度降到相变温度,制取的热水温度随之下降。在前40min(总流量44.7L)制取的热水温度在40℃以上,满足对生活热水的温度要求。3.3入水温度和流量空调运行50min后,相变蓄热器内温度达到55℃以上,水蓄热器内温度已达到44℃左右。通入温度为25℃、流量300L·h-1的冷水后,石蜡的温升明显放缓,趋于平坦,说明此时石蜡的吸收的热量与石蜡传给水的热量基本相等。冷水经水蓄热器预热后被相变蓄热器加热,温度达40℃以上。3.4相变温度温度在环境温度16～20℃的情况下,对相变蓄热器及水蓄热器做了24h的保温实验。在开始时刻石蜡温度下降较快,因为此时石蜡处于液态,且与外界环境温差较大,对流换热强烈。不到100min,石蜡温度即已降到相变温度,开始向外界释放相变潜热。由于相变潜热相对很大且传热温差减小,温降明显放缓。24h后相变蓄热器内石蜡温度大部分已低于40℃。位于相变蓄热器中心的温度24h后仍45℃左右,因为四周已经凝固的石蜡可以为此点起到保温作用。4空调系统变渗透膜200.经过对复合蓄热器的蓄放热状况、空调运行状况等的一系列研究,可以得到以下结论:(1)空调系统在增加蓄热装置后,空调机组正常运行,没有受到蓄热器的干扰;(2)在放热过程中,水蓄热器起到有效预热作用,使通入的冷水有充分的时间进行加热,达到生活热水所需的40℃以上温度;(3)由于水的蓄热容量有限,所以不能长时间的起到预热作用;(4)复合蓄热器可以有效回收冷凝热的19.6%以上,提高了传统冷凝热回收空调的回收率;(5)空调蓄热完毕后继续运行,冷水分别通过水蓄热器、相变蓄热器后温度可持续制取温度在40℃以上的生活热水,而且水流量较大。我国是一个能源供应十分紧张的国家,改革开放以来,政府虽用了大量的财力建设电厂,仍满足不了每年用电以5%～7%增长的需要。空调作为能源