生活热水冷凝回收技术的应用

生活热水冷凝回收技术的应用

0热水的一次性能源消耗增加如今，节能是一个重要的话题之一。人们出于对高品质生活的渴望,使得生活热水需求量越来越大,这导致用于加热热水的一次性能源消耗大大增加。据统计,在发达国家,用于加热热水的能量消耗仅次于室内供暖空调的能量消耗,并且近几年还有逐渐上升的趋势。随着空调的普及,在夏季排放到大气中的冷凝热增加,这不但浪费了大量可利用能源,而且造成了环境的热污染。由此可见,将空调的冷凝热回收并加以利用非常重要,这不仅可以避免能源的浪费,还能变废为宝。1冷凝器热的回收空调房间的冷负荷通过蒸发器吸热,进入制冷循环,再通过冷凝热排放到环境中。对于常规的制冷空调来说,其主要作用是调节空气的温度和湿度,系统排放的冷凝热被直接排放到环境中没有加以利用。空调在夏季制冷时向环境排放的冷凝热通常可达制冷量的1.15~1.3倍。同时,空调在制冷工况下产生的冷凝热都是通过风冷式冷凝器排放的,这种方式在运行期间排放的冷凝热较为集中,而且其排放状况在较长时间内也基本稳定。这恰好和家庭生活热水的品位大致相同。虽然冷凝热的排放与使用在时间上或许会存在不一致的情况,但这一矛盾可以通过增设相变蓄热箱来加以解决。科研人员在验证回收冷凝热用于加热生活用水的可行性时,做了如下实验:在普通空调系统中增设一个容积式水加热器作为冷凝热回收的设备,如图1所示,并通过冷水机组、电加热器等设备使室外环境温度维持在25℃。同时,在相关设备内设置温度采集器来测试温度;并且在冷却水出口和容积式水加热器出口均设有转子流量计来测量水量。最终得出了在不同的热水出水温度tw下,热水供水量随环境温度ts的变化关系曲线。通过对图2的分析可以发现,装有冷凝热回收系统的家用空调可以为用户提供大量的45~55℃的生活热水。如果室外温度为35℃,可以为用户提供91.40L/h的45℃热水,或提供52.12L/h的55℃热水。根据冷凝热的排放具有排放集中、数量较大、在较长的时间内较为稳定等特点,不难发现冷凝热确实具有一定的回收价值。而且实验表明装有冷凝热回收系统的家用空调提供的生活热水基本可以满足人们的日常生活需要,故冷凝热回收是可行的。2与传统的储存方式相比2.1热泵供热系统相比常规的空调系统,带有冷凝热回收系统的空调增设了热回收装置。热回收装置主要有热回收器和蓄热装置两类。该系统是热泵空调器与热泵热水器技术有机结合的产物。系统的原理如图3所示,主要由涡旋式压缩机、四通换向阀、壳管式换热器、蓄热水箱、室外侧换热器、室内侧换热器、热力膨胀阀等主要设备组成。2.2蓄热水泵系统在空调或热泵系统中增设蓄热水箱,能使系统更加节能、高效。传统蓄热水箱,是直接将冷凝热排放到水中,它由进水单向阀、水箱体等组成,水箱体的外层设有外壳,并将保温体加在外壳与水箱体外层之间,同时,在热水箱的底部设数个支承体,在底部前端设副管换向阀、热水主导出管、出水接口,在底部后端设有进水控制阀、进水分配管、进水单向阀、上水接口;在热水箱的前端面设能源接入口;在热水箱的上部前端设自动进气阀、温度压力安全阀,在后端设自动排气阀。相变蓄热水箱能进行储热、预热两个过程,为实现能源高效利用提供了可能。它主要包括液位计、补水阀、箱体、热电阻,其特征是需要在蓄热水箱的箱体中上部以及热区设置蓄热管组用来加装蓄热材料,蓄热管组中的蓄热管应水平排列,并与水流方向垂直,且管间相互均有间隔,从而使水与蓄热管组可以快速地进行热交换。这样的设置不但增加了蓄热量,减少了水箱体积,还大量减少了水箱的死区,从而达到增加水箱利用率、使水温分布均匀、改善水箱水体分层问题的目的。2.3石蜡的蒸发利用传统蓄热水箱受本身材料的限制,难免会存在很多缺陷:由于制冷排放的冷凝热与生活热水的需求在时间、地点、强度上不匹配是一个最大的缺陷;为了满足使用需求,必须增大水箱体积,这导致水箱将占用很大的室内空间;同时,还会造成一些污染,如废水、废热的排放等。而相变储热水箱是根据相变材料在发生相变时所产生的能量吸收与释放效应来储存、释放能量,所以,在很大程度上缓解了这些问题。在相变材料加热器内,逆流升温换热作用会把其中水的升温过程和水升温所需能量各分为两个部分,所以在实际应用中使用较小功率的压缩机就能满足要求,同时可以缩小与压缩机相匹配部件的体积。而普通的空气源热泵热水器对热负荷的变化需要很长的响应时间,从而导致机组从开始运行到开始提供符合温度要求的热水所需要的时间过长,所以,当用完蓄水箱中的所有热水后,需要继续使用热水就必须等很长时间。然而,利用相变蓄热的热水器在储水箱中加入了一定量的蓄热材料,当热水器内的水用完后,可以通过相变蓄热材料的相变放热来直接加热热水,这在很大程度上缩短了二次出水所需的时间。传统热泵的热水器在使用周期内,储水箱内的温度需要长期保持在一定温度,当使用55℃热水时,冷水就会进入蓄水箱中,将热水挤出,同时,压缩机启动,使储水箱内水温保持不变(见图4)。利用相变蓄热的热水器在一个用热周期内,石蜡作为储热装置内的储热材料,在压缩机工作后,被加热直至熔化,当使用热水时,冷水就会先通过储热装置,经过换热器换热,被加热至一个中间温度35℃,然后中温水再进入加热换热器,和压缩机排出的高温高压气体发生逆流换热,从而加热到使用温度后排出(见图5)。图4表示第一种情况下水的升温过程,虚线表示水加热过程中制冷剂的平均冷凝温度,为保持出水的温度为55℃,所以系统的冷凝温度必须始终不低于55℃,此时热泵理想循环时的效率为:式中:Tc1为第一种情况的冷凝温度,Tc1>55℃;Te为第一种情况的蒸发温度。根据图6可知,在石蜡的相变储热过程中,设石蜡的熔点是45℃,正在此温度下,固态的石蜡吸收工质的冷凝热熔化,图中虚线指石蜡在熔化过程中的冷凝温度,系统冷凝温度可控在45~55℃的范围内。则热泵理想循环的效率:图5表示水在带相变蓄热的热水器中的升温过程,该过程分为在取热换热器内预热与在加热换热器内加热这两部分:在预热过程中,石蜡在凝固时放出热量,把水预热至35℃,在此过程中虚线为石蜡凝固时的相变温度。在加热过程里,预热之后的水遇到高温、高压工质在套管式加热器中发生逆流换热作用,被加热后排出以供使用,此过程中有两段虚线和一段水平线,是加热器内平均冷凝温度Tc22,而另一段斜线则表示气态工质的显热温度,因为55℃的热水是通过工质的高温湿热加热达到的,所以冷凝温度Tc22必须严格控制在Tc22<55℃的范围内,此时热泵理想循环效率是:由于始终有Tc1>Tc21,Tc1>Tc22,所以,η1<η22,η1<η21。通过对比分析,在能效比方面,传统热泵热水器要比装有相变储热装置的热泵热水器低,即在相同的外界环境条件下,供应相同量的热水时,后者的耗能更少。另外,传统热泵热水器和带相变蓄热的热水器相比,前者水的保温温度会低于后者。综上,使用相变蓄热水箱热泵系统将比使用传统蓄热水箱的热泵系统有更大的优势。3低材料选择3.1相变蓄热材料物质在发生相变过程中会吸收或放出热量,因此,可以把这部分能量储存起来,运用在各种需要使用的场所,这样就能够解决能量在空间上、时间上产生的供求不匹配矛盾。蓄热主要有3种方式,分别为:显热蓄热、相变蓄热、化学反应热蓄热。相变蓄热就是利用相变材料特有的物相转化特性,将一部分显热暂时存储起来,具有温度波动范围小、蓄热密度较高、过程易于控制等显著优点。一般来讲,相变过程较为常见的分为4种,目前只有固-液相变、固-固相变这两种常被使用;由于固-气相变和液-气相变过程中,气体占有的体积过大,致使相变蓄热体系增大,蓄热设备复杂,故这种方式在生产生活中不常被使用。固-液相变蓄热过程是将相变材料在熔化过程中产生的热量储存起来,并通过凝固放热;固-固相变不同,是发生在相变材料固体分子的晶体结构由有序到无序的转变过程中,可逆地进行储热、放热。因为固-固相变的设备很复杂且难以制备,价格不菲,故在制冷系统中一般使用固-液相变蓄热方式。迄今为止,国内外对于相变蓄热材料的组成成分、热物理性质、制备方法等都分别进行了大量的理论分析研究和实验研究,相变蓄热材料是蓄热器储能的载体,应根据不同的应用场合,相应地选择适宜的相变材料,这也是蓄热器设计成功的关键。一般来说,相变蓄热材料应该具有熔点符合工作温度要求,安全、无毒、无腐蚀性,具有较大的密度、比热、热导率,性能稳定、廉价易得等特点。然而在现实中找到完美符合以上要求的相变材料是一件很困难的事情,所以,一般的做法是根据具体场合的使用需求,选择最符合要求的相变蓄热材料。3.2石蜡类有机物按相变材料的化学组成不同来看,主要分为无机相变材料和有机相变材料两种。已经使用的无机相变材料有熔融盐、结晶水合盐等。无机相变材料普遍存在过冷和相分离现象,有毒,其中一些还具有很强的腐蚀性,不利于用容器盛装,这些缺点无疑限制了无机化合物在相变蓄热系统中进一步应用。相较于无机类相变储热材料,有机类相变储热材料具有一些显著的优点:无过冷及析出,性能稳定,无毒,无腐蚀性。其中石蜡类有机物还兼备了相变潜热量大、温度范围广、价格低,几乎没有过冷,相变稳定、容易控制等其他优点,故石蜡类有机物常被选为最合适的相变蓄热材料使用。一般来讲工业和民用建筑中所能用到的蓄热温度在50~60℃范围内,石蜡作为相变材料可以很好地满足相应需求。但是,石蜡也存在着传热系数较小的不足,这影响了石蜡作为蓄热材料的可靠性,需加以改善。综上,石蜡加以改良是最为合适的相变蓄热材料。3.3不同蓄热器内温度分布不均匀常常使用多层螺旋盘管来增加换热面积,提高蓄热器的放热性能;在石蜡中添加铜粉、硅粉、不锈钢丝等方法来解决石蜡热导率小的问题,强化石蜡的导热性能,提高蓄热器的蓄热和放热能力。实验发现:在蓄热过程中,随着加热时间的增加,蓄热器内温度分布并不会均匀地逐渐增大。石蜡添加铜粉、硅粉、不锈钢丝对蓄热器的蓄热放热性能有不同的影响。纯石蜡蓄热器内温度分布不均匀性最为严重;通过添加铜粉石蜡导热性能得到强化,温度分布趋于均匀;硅粉的密度较铜粉更接近石蜡,所以添加硅粉的石蜡蓄热器,温度分布更为均匀,分层问题也得到缓解;鉴于不锈钢丝具有连续性结构、形状定形等特点,它能在一定范围内大大强化石蜡的导热性能,蓄热器内的温度分布也最为均匀。最后发现:出口水温下降最快的是纯石蜡蓄热器,其次是添加铜粉的蓄热器、添加硅粉的蓄热器,石蜡中添加不锈钢丝的蓄热器出口水温最高。因此,通过在石蜡中添加不锈钢丝能够更好地解决石蜡热导率小的问题。4关于石蜡蓄热箱一个的设计相变蓄热材料不仅可以有效地改善能源紧张的状况,还能保护环境并且为人们营造出一个舒适健康的环境。但是其优越性并不能使相变蓄热材料大规模地应用到实际中。以石蜡为例,主要是存在如下两个方面的问题:(1)石蜡的热导率低;(2)石蜡的密度太小。在石蜡热导率提高的同时,还必须增加其密度,使得石蜡的换热物性有所改善,这样才能把石蜡蓄热和放热的速度加快,从而使得蓄热箱的换热量在单位时间内有大幅度的上升,进而使得热水出水率上升。对于相变蓄热箱的部分,也有一些问题需要解决。由于其体积不容忽视,其空间的占用使得相变蓄热箱在工程应用上受到很大的限制。所以本课题所涉及实验的成功与否,很大程度上取决于蓄热箱内部的结构设计。针对传统水箱,在计算上,实验台的冷凝负荷取压缩机的名义制冷量的1.15倍,蓄热量取冷凝热负荷的85%,根据公式Q=cmΔt计算出水箱的体积。此外,还要考虑传统水箱预留空间为20%。可以估算出,传统水箱的体积是很大的。而相变蓄热箱还要考虑其融化后存在的12%左右的体积膨胀率,这要求相变蓄热箱在满足要求的情况下,内部结构必须尽量紧凑。最后是关于系统的控制问题。在蓄热过程中,通过观察压缩机吸排气压力变化对系统制冷剂流经节流装置流量的控制等实验工况,必须时时观测压缩机吸排气压力的变化对节流装置中工质流量的控制,务必坚持系统始终在稳定的状态下运行,这样才能有效地提高相变蓄