封装优态盐同心套管式相变储冷换热器性能的实验研究（可编辑）

封装优态盐同心套管式相变储冷换热器性能的实验研究（可编辑） 封装优态盐同心套管式相变储冷换热器性能的实验研 究 西安科技大学 硕士学位论文 封装优态盐同心套管式相变储冷换热器性能的实验研究 姓名:李品利 申请学位级别:硕士 专业:供热、供燃气、通风及空调工程 指导教师:姬长发 @ 论文 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目:封装优态盐同心套管式相变储冷换热器性能的实验研究 专 业:供热、供燃气、通风及空调工程 硕 士 生 :李品利 (签名)指导教师:姬长发 (签名)摘 要 目前,我国的电力增长仍然满足不了国民经济的快速发展和人民生活用电急 剧增长 的需要,全国缺电局面仍未得到根本的改变。在这种情况下,峰谷电价政策的 实施为蓄 冷空调技术提供了广阔的发展前景。因此,研究蓄冷空调技术已成为解决当 今工程节能 的重要手段。然而,目前研究昀多的就是水蓄冷和冰蓄冷,对于共晶盐蓄冷的 研究较少。 共晶盐主要优点在于它的相变温度较高,可以克服冰蓄冷蒸发温度低的弱点,并可以使 用普通的空调冷水机组。本文就共晶盐在同心套管储冷单元中的蓄、释冷特性进行研究。 通过实验 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 得出了 Na SO ?10H O溶液的凝固点随 Na SO ?10H O的质量分数的增 2 4 2 2 4 2 加而提高;NH Cl 对 Na SO ?10H O 溶液的凝固点有降低作用,这对于精确控制共晶盐 4 2 4 2 溶液的凝固点使其满足制冷系统的要求,提高制冷机组的 COP 有重要的意义。综合比 较,本实验选用 Na SO 作为蓄冷材料,为了使它的各方面性能达到较满意效果加入了 2 4 一些添加剂:6.66%的 NaCl 和 6.16%的 NH Cl 作为降低共晶盐的凝结点,2.6%的硼砂 4 作为成核剂,8.7%的 MinUGeL200 作为溶液的增稠剂,还有 0.25%的 Na P O 作为分 2 3 10 散剂,其它为水。其结晶温度在 5~8?。 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 同心套管蓄冷单元,对其进行蓄、释冷特性研究,结果是同心套管蓄、释 冷特 性良好,可以进行与制冷机组的连接实验。搭建系统试验台,对整个系统的 蓄、释冷特 性进行研究,其结果表明:蓄冷时,蓄冷槽入口制冷剂温度对蓄冷特性的影响 较载冷剂 流量的影响显著;释冷时,载冷剂进口温度对释冷特性的影响较载冷剂的流 量对其的影 响显著。通过对蓄冷过程进行分析,得出蓄冷效果昀好的制冷剂进口温度为 1?,载冷 3 3 剂的流量为 0.241 m /h;而释冷过程中载冷剂的进口温度和流量分别是 10?和 0.283m /h 时昀佳。 关 键 词:峰谷电价;共晶盐蓄冷;共晶盐释冷;实验研究 研究类型:应用研究型Subject : Performance Research of the Heat Interchanger for the Enclosed Eutectic Salt Concentric Jacketed Phase Change Materials for Cooling Storage Specialty : Heating Ventilation and Air Conditioning Engineering Name : Li Pinli(Signature)Instructor : Ji Changfa(Signature)ABSTRACT At present, our country's electricity growth is still unable to meet the rapid development of the national economy and people's living needs of rapidly growing electricity. Power shortage situation in the country have not been a fundamental change in. In this case, the peak and valley price policy implementation for the cooling storage air conditioning technology provides a broad development prospects. Therefore, research cooling storage of air conditioning technology has been an important way to save energy nowadays. However, the current study is the largest water storage and ice storage, for the study of eutectic salt storage still less. Its main advantage is its relatively high phase transition temperature, ice storage can be overcome weakness of low evaporation temperature, and can use the normal air-conditioning chillers. This article is on the eutectic salt storage and release characteristics of the coldWe concluded that the Na SO ?10H O solution freezing point is increased, along with the 2 4 2 Na SO ?10HO mass fraction increased. The NHCl has an decreased affect on 2 4 2 4 Na SO ?10H O solution freezing point, and this function for precisely control of the eutectic 2 4 2 salt solution’s freezing point, in order to meet the cooling system requirements, improve the chiller COP has an important significance. With the comprehensive comparison, the experimental use the Na SO ?10H O, and in order to reach the more satisfactory performance 2 4 2 results in all the aspects , we add some additives: Na SO as storage material, 2.6% of borax 2 4 as nucleating agent, 6.66% NaCl and 6.16% NH Cl eutectic salt in order to reduce the 4 condensation point, the other is water. The crystallization temperature is 5 ~ 8 ?。 Design the concentric tube thermal storage unit , study its storage and release of cold properties, the result shows that the concentric tube unit has a good characteristics on coldstorage and release. In view of this characteristics, it can be connected with the experiment. A experimental systems was set up, the effects of the cold storage and release characteristics have been studied. The results show that: The inlet temperature of refrigerant,when entering the ice storage tank, has an larger influence on the process of cool storage than the Flow amount o the cooling medium. It is found by analyzing the process of experiment about storage that the suitable outlet temperature of the cooling medium is 1? while the flow 3 amount of the cooling medium is 0.247 m /h, and the suitable temperature of inlet is 10? 3 while the flow amount of the cooling medium is 0.235m /hKeywords :Peak and valley priceEutectic salt cooling storageEutectic salt coolingReleaseExperimental study Thesis :Application Research 1 绪论 1 绪论 1.1 蓄冷技术的背景和意义 现代暖通空调设备已成为人们生活的第一需要,无论是国防、工业、农业、医药、 科研、卫生以及现代高科技的发展都离不开空调事业。如今空调用电量己占建筑物总能 耗中的 60~70%,但在当前能源紧缺、电力紧张的形势下,给空调事业的发展带来了极 大的不利,例如江苏、上海因电力紧缺曾规定空调不许进入家庭,有的家庭安装了空调 由于缺电无法使用。所谓蓄能就是将夜间多余的电能转化为冰蓄能储存起来供应白天空 调使用。当前如何迅速发展与应用冰蓄冷空调系统已由提倡性而发展到必然性阶段了, 尤其是美国在 2000年将空调蓄冷技术普及应用到 99%,因此,深入研究“节能”,如何“蓄 [1] 能”??发展冰蓄冷空调已成为我国当前工程技术的重要课题之一 。 随着国家的富强,电力工业欣欣向荣,到 1994 年底全国发电装机容量已达 19900kW,年发电量达 9090 亿 kWh,居世界第 4 位,但仍然满足不了国民经济的快速 发展和人民生活用电急剧增长的需要,缺电局面仍未得到根本的改变,其矛盾突出地表 现在:电网负荷率偏低,电力系统峰谷差拉大,高峰电力显示严重不足,造成电网经常 拉闸限制用电,这与城市电力消费迅速增长的形势极不相适应,电网承受能力很差,尤 其是夏天,持续高温时用电剧增,许多大中城市都出现了配电设备超载运行的不利情况, 为解决电力不足问题,一方面靠对电力投资,加快步伐即多装机组,更重要的是通过国 家对电力政策的调整,节省用电移峰填谷,充分利用现有电力资源。国家电力部门已制 订了峰谷电价差政策,使低谷电价相当于高峰电价的 1?2~1?6,同时还要通过空调蓄冷 技术,在今后五年内将 300~500万千瓦的高峰负荷移嫁到低谷。峰谷电价政策的实施, 给蓄冷空调提供了巨大的发展前景,这标志着在我国迅速推广发展蓄冷技术时期已经开 始。 众所周知,很多材料都具有蓄冷(热)的特性,并且这种特性是伴随着温度变化、 物态变化与化学反应过程而显现出来的,冰蓄冷空调就是根据水、冰以及优 态盐等其它 物质的蓄冷(热)原理特性,尽可能地利用非峰值电力,使制冷机在满负荷条件下运行, 将空调系统所需要的制冷量用显热与潜热的形式部分或全部地储存于水、冰或其它物质 [2] 中,当出现空调负荷时,即用这些蓄冷物质储存的冷量来满足空调系统冷负荷的需要 。 用来储存水、冰以及优态盐的容器称为蓄冷设备。蓄冷系统包括蓄冷设备、制冷机械、 连接管路及自动控制系统等等。蓄冰蓄冷空调系统是蓄冷系统与空调常规系统的总称。 蓄冷系统的种类众多、方法各异,蓄冷设备和蓄冷介质也各不相同。按蓄冷介质的不同, 大体可分为冰蓄冷系统、水蓄冷系统及共晶盐蓄冷系统等。应用冰蓄冷空调利国利民, 1 西安科技大学硕士学位论文 已经得到空调界和我国各级政府的高度重视,纷纷制订有利于发展和推广冰蓄冷空调 “节省”能源的政策,并将推广到全国。 我国自改革开放以来,综合国力有了较大的提高,电力工业作为国民经济的基础产 业之一,己取得了长足的进步。截止到 1996年底,全国发电机装机总量达 2.36亿 kW, 仅次于美国,居世界第二位。但是,电力的产需之间仍然存在一定的缺口,全国缺电的 局面仍未得到根本的改变。与此同时,随着我国产业结构的调整和人民生活水平的提高, 空调设备不断普及,空调能耗在国民经济总能耗中的比重逐渐加大,正在向发达国家的 30%靠近。据有关资料分析,目前城市中空调系统用电量已占建筑物总用电量的 50%左 右,而占城市总用电负荷的比例也在不断增长。在夏季尖峰时刻,城市空调用电负荷在 城市总用电负荷中所占的比例更是逐年升高。 在当今世界能源消耗逐年增加、环保意识逐渐增强、大城市空调负荷又快速增长的 情况下,应用蓄冷空调技术具有很大的社会效益和经济效益。 从宏观经济角度而言,采用蓄冷空调技术可以非常有效地转移高峰用电至低谷用电 时段,大大改善城市峰谷供电平衡,提高发电机组效率,减少输配电损失。同时,由于 削峰可以避免为满足几小时的尖峰负荷而新建电厂,节约投资资金。由于提高了发电效 率和减少了矿物燃料的消耗,进一步还可以减少烟尘和 SO 等的排放,减轻污染,保护 2 [3] 环境 。 从昀终用户角度而言,如上所述,蓄冷空调系统可以减少制冷机组装机容量和功率, 提高设备利用率,同时可以节省运行费用。 总之,蓄冷空调技术的发展于国于民都非常有益,研究、开发及推广蓄冷空调技术 是非常必要的。 1.2 蓄冷原理和主要技术 空调耗能巨大,己成为夏季用电的主要部分,而空调大多在白天运行,争用高峰电 力,使得电力系统负荷特性恶化,主要表现在以下几个方面: (1)夏季高峰电力严重不足,致使电网不得不经常拉闸限电,给国民经济和人民 生活带来巨大的损失和不便; (2)夜间用电低谷电力过剩,无处配送,电网只得在低负荷下低效率运转; (3)电力系统的昀大负荷增长率高于用电量的增长速度,结果是用电峰谷差逐年 增大,电网平均负荷率降低,火力发电设备利用小时数逐年下降,发电成本上 升 。 解决电力系统负荷特性恶化的昀有效方法之一就是采用蓄冷技术,以平衡峰谷用电 [4] 负荷 。其原理是制冷机组将用电低谷时制取的低温冷冻水流经蓄冷球表面,在此进行 热量交换,使得球内的共晶盐相变材料凝固成冰,到达用电高峰期时,凝固的相变材料 释放出冷量提供给用户,从而降低高峰时运行制冷机组的电费。蓄冷技术按介质分,主 2 1 绪论 要有水蓄冷、冰蓄冷、共晶盐蓄冷及气体水合物蓄冷四种方式。 水蓄冷就是利用水的显热来储存冷量的一种蓄冷方式,即利用 4?~7?的低温水蓄 冷。只要空间条件许可,水蓄冷系统是一种较为经济的储存大冷量的方式,而且蓄冷罐 体积越大,单位蓄冷量的投资越低。这种蓄冷方式系统简单、投资少、技术要求低、维 修方便,且可以使用常规空调制冷机组蓄冷,冬季还可蓄热,适宜于既制冷又取暖的空 调热泵机组。水蓄冷技术也适用于现有常规制冷系统的扩容或改造,可以在不增加或少 增加制冷机容量的情况下提高供冷能力。另外,水蓄冷系统还可利用消防水池、蓄水设 施或建筑物地下室作为蓄冷容器,从而进一步降低系统的初投资,提高系统的经济性。 冰蓄冷是利用冰的相变潜热进行冷量储存的一种蓄冷方式。0?冰的蓄冷密度高达 334kJ/kg,储存同样多的冷量,冰蓄冷所需的体积仅为水蓄冷的几十分之一,占用空间 大大减少;并且,冰蓄冷蓄冷温度几乎恒定,设备容易 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化、系列化;另外,由于冷 水温度低,在相同的负荷下可以减少冷水供应量,同样也可以减少空调送风量,使得供 水管道和风管尺寸也相应减少。 冰蓄冷系统及其制冰方式有很多种,根据制冰方法分类,可以分为静态制冰和动态 制冰。静态制冰是指冰的制备和融化在同一位置进行,蓄冰设备和制冰部件为一体结构。 具体形式有冰盘管式(管外蓄冰外融冰式)、完全冻结式(管外蓄冰内融冰式)、不完全 冻结式(管外蓄冰但管间冰层不搭接、内融冰式)、密封件蓄冰(冰球式、冰板式、芯 心冰球式)等。动态制冰是指冰的制备和储存不在同一位置,制冰机和蓄冰槽 相对独立。 如制冰滑落式、冰晶式等。 从制冷系统构成上考虑,有直接蒸发式和间接冷媒式。所谓直接蒸发式,是指制冷 系统的蒸发器直接用作制冰元件,如冰盘管式、制冰滑落式等;而间接冷媒式是指利用 制冷系统的蒸发器冷却冷媒,再用冷媒来制冰。 [5] 共晶盐蓄冷是利用固液相变特性蓄冷的一种蓄冷方式 。蓄冷介质主要是由无机盐、 水、成核剂和稳定剂组成的混合物,这些蓄冷介质大多装在板状、球状或其它形状的密 封件中,将其充注在球形或长方形的高密度聚乙烯塑料容器中。共晶盐蓄冷能力比冰蓄 冷小,比水蓄冷大,所以共晶盐蓄冷槽的体积比冰蓄冷槽大,比水蓄冷槽小。但是,共 晶盐蓄冷在蓄、放冷过程中换热性能较差,设备投资也较高,在实际应用中的层化问题、 过冷问题及稳定性问题都面临着高技术的挑战,阻碍了该技术的推广应用。 前面已对各种蓄冷方式作了一些简要阐述,它们各有特点,现对这几种蓄冷方式的 性能作一下比较,列于表 1.1中。 气体水合物蓄冷,气体水合物蓄冷在 20世纪 80年代由美国橡树岭国家实验室开始 研究,以 R11、R12等为工质。在一定温度和压力下,水能在某些气体分子周围形成坚 实的网状结晶体,在水合物结晶时释放出固化相变热,反应方程式如下: R(气体)+mH O液体R?mH O固+H(反应热) (1.1) 2 2 3 西安科技大学硕士学位论文 气体水合物蓄冷是一种新兴的蓄冷空调技术,它不仅蓄冷温度与空调工况吻合,蓄 冷密度高,而且蓄、释冷时传热效率高,特别是直接接触式释冷系统。但该方法还有一 系列问题有待解决,如制冷剂蒸汽夹带水分的清除,防止水合物膨胀堵塞等。目前该蓄 冷系统仍在实验阶段。 [6] 表 1.1 不同空调蓄冷系统比较 Table1.1 Comparison of some thermal storage system蓄冷方式 性能 水需冷 静态冰蓄冷 动态冰蓄冷 共晶盐蓄冷 蓄冷槽尺寸 8~10 1* ~1 2~3 蓄冷温度(?) ~7 0 0 8~12 机组效率比较 1* 0.6~0.7 0.6~0.7 0.92~0.95 热交换性能 好 一般 好 差 小 冷量损失 一般 大 大 泵?风机能耗 1* 0.7 0.7~0.9 1.05 投资比较 ~0.6 1* 1.3~1.8 1.3~2.0 *为进行比较的基准。 1.3 蓄冷技术在国内外的发展现状 20 世纪 70 年代以来, 世界范围的能源危机促使蓄冷技术迅速发展。美国、加拿大 和欧洲一些国家重新将冰蓄冷技术引入建筑物空调, 积极开发蓄冷设备和系统, 实施的 工程项目也逐年增多。截至 1994 年底 ,美国约有 4000 多个蓄冷空调用于不同建筑, 其 中水蓄冷占 10%, 共晶盐占 3.3%, 冰蓄冷占 86.7%。美国不仅冰蓄冷工程数量占多数, 而且在蓄冰设备方面也有所发展: FAFCO 蓄冰槽、Calmac 蓄冰筒等日趋完善, 同时 BAC 外融冰蓄冰槽也向内融冰蓄冰槽方面扩展。美国 Mueller 公司动态制冰设备在美 国、日本、韩国、中国等国的 100 多个工程所应用。日本在冰蓄冷开发研制阶段, 约有 30 多家公司的 40 余种不同的装置和系统进入市场,有些技术是从美国 BAC, FAFCO, CALMAC, TRANSPHASE, 法国 CRISTOPIASTL, 加拿大 SUNWELL 引进的。发展到 [7] 2002年共有水蓄冷 2548 项, 集中式冰蓄冷 2039项, 分散式冰蓄冷 14813项 。 我国从 90年代初, 开始建造水蓄冷和冰蓄冷空调系统, 至今已建成投入运行和正在 施工的工程共有 300多个,分布在 3 个直辖市和 17个省, 其中水蓄冷 28项、冰蓄冷 290 项,浙江 52项、北京 47 项、江苏 38项、山东 20项、四川 19项、广东和广西各 16 项、 湖北 15项。我国的冰蓄冷空调工程不仅采用美国 BAC, FAFCO, CALMAC, MUELLER 和法国 CIAT 的先进蓄冰设备, 清华同方、浙江华源也开发有自己特色的蓄冷设备。我 4 1 绪论 国台湾省自 1984 年建成第一个冰蓄冷空调系统以来,蓄冷空调系统发展很快,从 1992 年 33 个蓄冷空调系统增加到 1993 年的 142 个,到 1994 年底就已建成的达 225 个蓄冷 6 空调系统,总冷量高达 2.009×10 kWh;移嫁高峰用电超过 5.2 万 kW,用户每年节省台 5 币达 3.1×10 万元。到了 90年代,我国大陆地区蓄冷技术也得到了发展,首先中电深圳 工贸公司在办公楼中应用了法国的冰球式蓄冷系统,使装机容量降低 45 千瓦以上,北 京西冷工程公司开发研制的有压式齿球蓄冷器已获国家专利并用在北京日报社综合楼 和广州市某办公楼的空调系统中,取得了良好的社会效益和经济效益,同时浙江国祥制 冷工业公司推出了完全结冻式冰蓄冷系统,在浙江诸暨百货大楼实行了国产大型冰蓄冷 首例中央空调系统,仅用一年不到的时间就完成了设计和施工,并于 1995年 8月 10日 调试成功投入运行,储冰蓄冷国产化的成功,克服了冰蓄冷中央空调投资大的缺点,对 推广冰蓄冷空调事业起到很好的积极作用。福州大学黄飞教授专题研究了化学蓄冷,造 价低廉,很有发展前途。美国提出将在 1997 年将空调蓄冷技术普及应用到 99%的宏伟 目标。 国家计委、国家经贸委和电力工业部联合提出到 2000年转移 1000~1200万 kW 的高峰负荷到低谷使用,这为国家节省 150~250 亿元的资金,这是节能节电中一项利 国利民的重大壮举。据统计,就北京市目前拥有集中空调的宾馆写字楼约 250座,商场 约 50 家,空调负荷约 30~40 万 kW,这些负荷有巨大的冰蓄冷空调前景,即具有很大 [8] 的削峰填谷的潜力,全国冰蓄冷空调的前景更是宏伟壮观 。 1.4 优态盐在国内外的发展现状 优态盐蓄冷也称共晶盐蓄冷,是利用固液相变特性蓄冷的一种蓄冷方式。目前应用 较广泛的相变温度约 5~9?,相变潜热为 100kJ/kg 左右,此相变温度可以使用普通的 空调冷水机组,克服了冰蓄冷要求很低的蒸发温度的弱点。共晶盐(eutectic)相变蓄冷 其相变温度在 0?以上,相对冰系统制冷机效率高达 30%,虽然相变潜热比冰小但蓄冷 能力比水大,也易与常规制冷系统结合,兼有水和冰蓄冷两种系统的优点,因此国内外 研究者都着力研究开发相变点在 4~8?的空调蓄冷材料、相变传热及对蓄冷 系统的蓄放 冷特性分析,美国、日本发表了很多研究论文以及专利,并着手开始实用性的实验。 1995 [9] 年中国建筑科学院空调所和台佳机构联合设计了国内首例 7?相变蓄冷工程 。 相变蓄冷空调系统的关键是相变材料,选择合适的相变材料以及配制是非常重要也 是不容易的工作,共晶盐主要是由无机盐、水、促凝剂、稳定剂和增稠剂组成的混合物, 性能要求如下: 1 材料要有适当的相变温度,对于空调蓄冷能够在 7?左右比较合适; 2 具有较高的相变潜热; 3 较高的密度,而且相变前后体积变化小; 4 与传热相关的热物理性质比,如比热、黏度等良好; 5 西安科技大学硕士学位论文 5 化学性质稳定,能与相变容器材料兼容; 6 不产生相分离以及大的过冷现象,结晶速率较高; 7 要求材料来源广泛、便宜。 美国 Transphase公司开发的以 Na SO ?10H O为主相变材料的 T-41型(转熔点 8.3?) 2 4 2 和 T-47 型(转熔点 5?)是目前做得比较成功的;瑞典 Climator 公司研究了一种名为 C7的相变潜热为 288.5kJ?kg的相变材料;日本九州电力公司研究实验室(Kyusyu Electric Power Department Mitdubishi Chemical Engineering Co.)联合研制一种以十水硫酸钠为主 [10] 要成分的“高温”相变蓄冷材料?优态盐蓄冷材料,并测试了它的热物性和蓄冷性能 。 这种材料的组成如下:在 Na SO ?10H O中混入少量 NH Cl、 NH Br和 NaCl,并加入 3wt% 2 4 2 4 4 的 Na BO ?10H O作为成核剂,2wt%羧甲基纤维素作为增稠剂。其性能如下:第一次相 2 4 2 变过程的融解热为 179kJ/kg,100次相变循环后为 122kJ/kg;融点为 9.5~10?;凝固点 为 8.0?;密度为 1.47kg/L;导热系数为 0.075W/m.K。而在国内,方贵银采用 DSC 法 对空调蓄冷材料热性能作了实验研究,张华等人对高温相变共晶盐介质的配制与测试也 作了初步的实验。目前广泛采用的无机水合盐类主要有 Na SO ?10H O、Na CO ?10H O、 2 4 2 2 3 2 CaCl ?10H O等,而有机化合物有(C H ) ,26?;C H COCH ,20?。由于单一材料 2 2 6 5 2 6 5 3 其熔点比较高,很难满足空调蓄冷的要求,因此为了降低其熔点,以盐水化合物为主体 的共晶盐系列潜热蓄冷介质已成为高温相变蓄冷工程中主要介质。 常用以降低凝固点的盐主要有 NH Cl、NaCl、KCl 和 NH Br 等。根据化学中的相似 4 4 相容的原理,盐离子易削弱水分子之间氢键的吸引力,使水的凝固点下降,这些盐离子 [11] 与水合盐混合也削弱水合盐中水分子和盐的吸引力,从而降低了水合盐的共晶温度 。 1.5 蓄冰设备的现状 国外冰蓄冷空调技术已经应用多年,也已取得了一定的成绩。美国、欧洲、日本、 韩国等国家以及我国的台湾地区都已经广泛地应用冰蓄冷空调,而且其势头有增无减。 借鉴国外冰蓄冷空调技术研究中心的成果,开发我国特有的蓄冰设备,实行 蓄冷产品的 国产产业化,从而减少外汇流失,是当务之急。按照一般的分类,蓄冰设备包括冰球式、 完全冻结式、直接蒸发式、制冰滑落式、冰晶或冰泥式、优态盐式等几种方式。 1 冰球式蓄冷设备 冰球式蓄冷设备由冰球和蓄冰槽组成。冰球置于蓄冰槽中,当蓄冰槽中通以从制冷 机出来的较低温度的二次冷媒时,冰球结冰蓄冷;当冰球融冰放冷时,通过二次冷媒带 走冷量而去冷却空调负荷。 冰球的形式多种多样,较早研制冰球并且比较成功的是法国的西亚特公司,其外型 为光滑的球体,由高密度聚乙烯材料制成的,球内可装不同种类的有机盐溶液,这种盐 [12] 溶液有不同的冻结点,以适应不同的温度需要 。日本的三菱公司因为购买了西亚特的 6 1 绪论 冰球专利而在日本得以生产并销售。台湾为了避免花费过多外币用以购买冰球因而自行 研制了一些冰球,在某些方面也有所改变。如台湾冰宝实业公司的蕊心冰球。 该装置于 壳体内部设有一蕊心以利结冰时作为结冰的结晶核心,具有由内外双向结冰及融冰的效 果,其特征是加大金属蕊心,金属蕊心外围设有片状螺纹式铝?片,以提高制冰凝结温 度,节省时间。另一种台湾已申请专利的冰球其外型为光滑球体,但其内部设有伸缩气 囊,伸缩气囊中可依冰泡容器比重与冻结液比重之差而加设配重体,使伸缩气囊任何时 候皆位于冰泡容器中心,并使冰泡容器置于冻结液池中能达到完全浸泡于液中的效果, 以提高冻结效果。还有另外一种冰球,它是在冰泡壳外部设置条纹沟槽,而壳内设有可 有效扩大范围的导热体,促进热传导效果,于结冰时由外向内的冻结过程中,其因壳内 [13] 液体膨胀时对壳体产生的膨胀可由条纹沟槽变化提供加大空间 。 对冰球式蓄冰系统,有几点讨论: ? 水结冰时其体积膨胀,冰球内的水冻结是从外周向内,冻结后期冰球中间部分 的水冻结时会产生体积外向膨胀的情况,而引起压力或相对的空气压缩压力,从而使冰 球球壳趋于扩展的趋向;在融冰时体积复行收缩,如此反复。因而,蓄冰槽中的冰球不 能放置的过于拥挤,需留有一定的活动空间。 ? 如蕊心冰球一类,金属蕊心端口开于球体外壳,其功能有二:加强传热;作为 配重件,使冰球的总比重大于球外液体的比重。但存在的问题是金属蕊心与塑料球壳之 间的密封度要求比较高,尤其是因为金属蕊心与塑料两者间的热胀冷缩系数不同,相应 的增加了加工的要求。 ? 因冰球会膨胀而不能紧密地定位,而冰球一般是随意堆放的,加之二次冷媒对 之的冲击以及冰球自身的浮动,易导致冰球外二次冷媒的流量不均,形成热传导的不稳 定性,即各个冰球的结冰与融冰速度均不相同,造成热传导不平均,结果是有些冰球不 能结冰或融冰,影响蓄冰槽的蓄冰容量及冻结品质。另外,冰球平均比重往往或高或低 于二次冷媒的比重,易造成冰球的挤集,而引起流体的旁通(bypass)。 ? 当不同的冰球蓄冰槽并联时,由于流通水力阻力的不同,会引起蓄冰槽之间的 流量不均,而影响蓄冰及融冰。因而,压差平衡是设计二次冷媒管网中需考虑 的一个问 题。 ? 冰球系统,其优点是简单、方便、蓄冰及融冰速度都较快,易于运输及施工。 另外,即使偶有冰球泄漏,对蓄冰系统也不会造成致命的影响,只要对二次冷媒(如乙 [14] 二醇溶液)的浓度进行适当监控即可 。 2 完全冻结式 完全冻结式是指 PVC 塑料管内走二次冷媒,而管外为水或冻结液,当管内走零度 以下温度的二次冷媒时,管外的水结冰蓄冷;当管内的二次冷媒温度为零度以上时,管 外的冰溶解而放冷。这类产品中比较有影响的是美国特灵公司的蓄冷筒,美国 FAFCO 7 西安科技大学硕士学位论文 的冰槽,以及台湾的冰桶。对于完全冻结式: ? 为了使蓄冰槽的水能够均匀结冰,其内部的塑料管应尽量均匀密布布置。这给 制造增加了难度。另外,过多的管结头又易于引起管内二次冷媒的泄漏。而蓄冰槽内二 次冷媒泄漏于水中会造成水的冰点的降低,严重时可能造成蓄冰的失败。 ? 其塑料管在蓄冷时外壁因先结冰而使传热温差有所增加,故而蓄冰时间需加长, 另外,由于塑料管其传热面相比而言较小,融冰速度及蓄冰速度都比较慢。在蓄冰空调 工程设计中,一方面需考虑蓄冷总量需达到设计要求,另一方面,蓄冰槽的放冷速度与 建筑热负荷瞬时功率之间能否匹配也值得考虑。 ? 完全冻结式蓄冰系统其优点是整个结构,蓄冷及放冷过程比较稳定,易于水力 管网的平衡。 3 其它蓄冷设备 直接蒸发式、制冰滑落式、冰晶或冰泥式、优态盐式等蓄冷技术虽然各有着一定的 [15] 优点,但是都存在着各自的缺陷 。直接蒸发式是指金属盘管内的制冷剂直接在管内蒸 发而水在管外面冻结的方式。其存在的缺点是金属耗量大,金属盘管长久处于水中易被 腐蚀,泄漏问题也值得考虑;另外,由于管外的融冰方式属于外融冰式,因而其传热温 差较大,传热效果差。制冰滑落式其制冰效率较高,但工艺比较复杂,比较适用于渔业 冷藏等场合。冰晶或冰泥其制冷能力较小。优态盐式其优点是冻结温度较高,蓄冷主机 可以在较高的效率下运行,但是其单位蓄冷量较小,空调出水温度较高,因而在使用上 受到一定的限制。直接蒸发式、制冰滑落式、冰晶或冰泥式、优态盐式在目前的情况下 大量推广使用可能有着一定的困难。 1.6 本课题的提出及主要研究内容 1.6.1 本课题的提出 水蓄冷空调系统的主要缺点是蓄冷槽容积大、蓄冷温差较小,所蓄负荷不宜太大等。 为了提高蓄冷槽的蓄冷能力并满足供冷要求,提高蓄冷效率,应当维持尽可能大的蓄冷 温差并防止储存冷水与回流热水的混合。冰蓄冷系统也存在缺点:由于冰蓄冷的制冷主 机要求冷媒出口端的温度低于 -5?,与常规空调冷水机组出水温度 7?相比,冰蓄冷制 冷机组制冷剂的蒸发温度、蒸发压力大大降低,制冷量约降低 30%~40%,性能系数 (COP)也有所下降,耗电量约增加 20%左右;由于制冰槽及冷媒管路温度常低于 0?, 还需增加保温层厚度,以避免外部结露,减少冷损失;冰蓄冷系统的技术水平 要求较高, [16] 而且系统的设计和控制比水蓄冷系统复杂得多 。 一般来讲,共晶盐蓄冷槽的体积比冰蓄冷槽大,比水蓄冷槽小。其主要优点在于它 的相变温度较高,可以克服冰蓄冷蒸发温度低的弱点,并可以使用普通的空调冷水机组。 8 1 绪论 同心套管式的换热器换热过程中,同心套管两侧的载冷剂同时融解优态盐,使得溶解速 率加快,这个融解速率是重要的释冷参数,这种方式与单管相比,IPF有所增大(5%~ 10%)。目前人们对封装优态盐同心套管式相变储冷换热器的性能研究甚少,所以,本 文将以此为主要研究内容。 1.6.2 本文的主要研究内容 1 根据家用空调对出口温度的要求,在此基础上通过分析甄选出蓄冷材料,并对 蓄冷材料的相变温度,过冷度,稳定性等进行测试。 2 设计和搭建合理的蓄冷实验台。确定实验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,绘出基本流程,选用合适的设 备,测试手段和仪表。根据需要获取实验数据,为分析实验结果做好准备。 3 对实验装置分别采用不同的工况进行蓄冷和释冷实验:在蓄冷过程中通过改变 制冷剂蒸发温度的变化来选择合适的载冷剂流量,同时在释冷中根据载冷剂的进口温度 选择合适的流量,获得各样数据,分析实验现象。通过实验进一步分析制冷剂的蒸发温 度和载冷剂流量对蓄冷的影响,分析载冷剂流量和载冷剂进口温度对释冷的影响,为蓄 冷系统的进一步改善和优化提供参考。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 蓄冷相变材料的特性及甄选 2.1 相变蓄冷机理物质从液相转变气相状态时,要吸收大量的热量(放出冷量),即物质的气化热; 而物质从固相转变到液相状态时,也要吸收大量的热量(放出冷量),即物质的融化热; 物质从固相转变到气相时,也要吸收大量的热量(放出冷量),即物质的升华热。在物 质进行相变时所吸收的这三种热量,称作物质的潜热。这种在相变时将冷量储存起来, 而在需要时又能将冷量释放出来的方法,就是相变蓄冷。只要事先通过某种办法将冷量传给某种物质,将其从气相变成液相进行冷凝,或将 其从液相变成固相进行凝固,就可以说,已经将冷量储存到这种物质中了。待 需要使用 冷量时,就可以通过某种方式,将其从液相转变成气相,或从固相直接转变成气相(如 干冰的升华),在这个相变过程中,就可以把已施给这种物质而储存起来的冷量释放出 来,此即相变蓄冷的应用过程。在理论上,同样条件下,同一物质的气化热与冷凝热, 其数值相等,过程相反;而同一物质的融化热与凝固热,其数值相等,过程相反。 例如水,就是一种相变潜热值很大,使用昀为方便的蓄冷介质。图 2.l 为水的相变 及显热潜热变化图,它表明了水的相态变化过程显热、潜热的变化。 图 2.1 水的相变及显热潜热变化图 AB 段:固相冰温度变化时显热焓量变化,冰的热焓量的变化为:?Q C t -t 冰 1 0 1 ( kJ/kg) ,其中 C 2.09 kJ/kg?为冰每变化 1?时,热焓量变化。 冰 BC 段:固相冰融化成液相水的潜热阶段,每公斤冰变成水的潜热为?Q 335kJ/kg。 2 10 2 蓄冷相变材料的特性及甄选 CD 段:液相水温度变化时显热焓量变化,水的热焓量变化为:?Q C t -t 3 水 2 0 ( kJ/kg) ,其中 C 4.187 kJ/kg 为水每变化 1?时,热焓量变化。 水 DE 段:液相水汽化成气相蒸汽的潜热段,每公斤水变成蒸汽的潜热为?Q 2257 4 kJ/kg。 EF 段:气相水温度变化时显热焓变化,蒸汽热焓量变化为:?Q C t -t ,其 5 汽 3 k 中 C 为蒸汽每变化 1?时的热焓量变化。 汽 由上述水的相态变化可以看到,液-固相变、液-气相变和固-气相变,都包含着巨大 的潜热变化。利用这个潜热,就可以进行热量的储存和释放。 但是,由于在液-气相变时体积变化非常之大,用来进行冷量的储存操作起来很不 方便。因此,在相变蓄冷操作中,大多采用液态-固态的相变转化来储存冷量。例如, 利用冰来储存冷量,实际上就是利用图 2.1 中 BC 这一段潜热来进行冷量的储存。值得 指出的是,在实际操作中,除了利用 BC段潜热外,还可以利用一部分固相和 液相的显 [17] 热来更多的储存冷量即图 2.1的 BA和 CD 段 。 图中是以水为例所绘制的热焓与温度变化曲线。实际上所有物质在进行三态变化 时,其曲线变化趋势都与此图相似,这样对于任何一种蓄冷介质,当利用其进行相变蓄 冷时,当系统从 t ?液相降温储冷至熔化点 t ?再降温至 t ?固相时,其储冷总量为: 2 0 1 ?Q ?Q +?Q +?Q , C t -t + ?Q +C t -t 2.1 3 2 1 液 2 0 2 固 0 1 式中, C 为蓄冷介质的液态比热(kJ/kg?); C 为蓄冷介质的固态比热(kJ/kg?);?Q 液 固 2 为蓄冷介质的凝固潜热(kJ/kg)。 2.2 对相变蓄冷材料的要求 (1) 热力学方面的要求 ?蓄冷材料的相变温度必须在空调工作温度范围内,否则,冷量既无法储存,也无 法取用。相变温度昀好在 5~8?范围内,这样,对常规空调机组既无需更换,又能在较 高效率下运行。 ?较高的相变潜热。如果单位质量相变介质的凝固潜热大,就可以减少蓄冷材料的 数量和体积,降低成本。 ?密度较大,以便使用体积较小的容器装蓄冷材料。 ?比热较大,能较多地储存额外的显热。 ?导热系数较大,以使蓄冷和释冷过程的温度梯度较小,减少传热不可逆损失。 ?融化一致,相变蓄冷材料应融化安全,以使固相和液相组分相同,否则会改变材 料的化学组成。 [18] ?相变过程中体积变化小,可简化蓄冷单体和换热器的几何构成 。 (2)相变动力学方面的要求 11 西安科技大学硕士学位论文 ?凝固过程中过冷度很小或基本没有,融化后结晶应在它的凝固点温度,这决定于 高成核速率和晶体生成速率。在材料中添加成核剂或保持一点“冷指”可减小过冷。 ?要有很好的相平衡性质,不会产生相分离。 ?要有较高的固化结晶速率。 (3)化学性质方面的要求 ?化学稳定性要好,无化学分解,以保证蓄冷介质有一个较长的寿命周期。 ?对容器材料无腐蚀性。 ?不燃烧,不爆炸,无毒,对环境无污染。 (4)经济性方面的要求 大量易得,价格便宜。 2.3 常用蓄冷材料性能 目前用于蓄冷系统的材料主要是水、冰和共晶盐类。可选用的蓄冷材料有单纯物质、 二元溶液及多元混合物等。 2.3.1 单纯物质 水是自然界中昀常用昀理想的蓄冷单纯物质,不但其溶解潜热很大,而且比热也很 大,价格相当便宜,无毒无害,随处可取。纯水是单组分体系,其相图如图 2.2 所示, 相图上有三个区域,即水,气和冰,由三条实线分界,OC线是水蒸气和水的平衡曲线, 即水在不同温度下的蒸气压曲线,OB 线是冰和水的平衡线,OA 线是冰和水蒸气的平 衡线,也是冰的升华曲线,点 O是冰的三相点,温度为 273.16K,压力为 610.62Pa。在 一个物理气压(101.325kPa)下水的冰点是 273.15K。 7 C点式临界点(Pc2.2×10 Pa,Tc647K),在此点液体和蒸气的密度相同,液态和 气态之间的界面消失。对于温度高于临界温度 Tc 的区域,不可能用加压的方法使气体 液化,所以,通常被称为气相区。OD线是 CO的外延线,是水和水蒸气的介稳平衡线, 代表过冷水的饱和蒸气压和温度的关系。由图可见,在同一温度下过冷水的蒸气压比稳 定状态的冰的蒸气压要大,因此,过冷水处于不稳定的状态。 12 2 蓄冷相变材料的特性及甄选 图 2.2 水的相图 2.3.2 二元溶液根据溶质溶于溶剂中制成溶液时,溶液凝固点比纯溶剂降低的原理,可以配制出不 同融化温度的二元相变蓄冷物质。根据物理化学原理,稀溶液凝固点下降的度数与溶液 中溶质的重量克分子溶度成正比,而与溶质的种类无关,即: ?T K?m 2.2 式中, ?T为溶剂的凝固点与溶液的凝固点的差值;m 为溶质的质量克分子浓度;K 为凝固点下降常数(与溶剂性质有关) 。可以方便选用的二元相变蓄冷溶液有无机盐类,某些有机化合物及某些烃类氯化物 或氟化物。通常是将上述物质作为溶质,以水做溶剂,将它们按不同的比例溶于水中而 制成具有不同融化温度的相变蓄冷溶液。 无机盐类可用的有氯化钠、氯化钙、氯化镁、硝酸铵、苛性钾、硫酸钠等, 按不同 比例配制的氯化钠、氯化钙等溶液溶化温度和溶化潜热如表示: 表 2.1 NaCl、GaCl 等溶液的溶化温度和溶化潜热 2 物 质 氯化钠 氯化钙 硝酸钾 硝酸铵 氯化铵 氯化钾 硫酸镁 碳酸钠 分子式 NaCl CaCl K NO NH NO NHCl KCl MgSO Na CO 2 3 4 3 4 4 2 3 溶化温度(?) -21.2 -55.0 -3.0 -17.4 -15.8 -11.1 -3.9 -2.1 溶液中浓度? 23.1 29.9 11.2 41.2 18.7 19.3 19.0 5.8 溶化潜热(kJ/kg) 236.1 212.6 337.9 286.4 314.0 298.1 243.7 323.2 上述物质的优点是价格便宜,配制方便,但腐蚀性很大,溶液在降温凝固后, 呈多 晶体絮状固体物。 用乙二醇、丙二醇、酒精、丙三醇等有机物与水混合制成二元相变蓄冷物质, 应当 说是比较理想的选择。其优点是这类物质配制起来更加方便,而且无腐蚀性, 其降温凝 13 西安科技大学硕士学位论文 固后呈固体状。其缺点是价格较贵,而且乙二醇有微毒性,而酒精则易挥发, 丙二醇无 [19] 毒、不挥发,性能昀好,但价格又昀贵 。 2.3.3 多元混合物 利用两种以上的物质混合可以制成被称为多元混合相变的蓄冷物质。据文献报道, 现已用于溶点在 4?~8?范围内的相变材料,大多有硫酸钠+水化合物溶液并添加其它 盐类组成。 1982 年 Calor Group 公司发表了转溶温度为 7.5?凝胶化的 Na SO ?10H O/NH Cl/ KCl相变材料的性能。1990年美国 Transphase公司开发了两种空 2 4 2 4 调用蓄冷材料,它们分别被称为“41”和“47”型,对应的相变温度为 5?和 8?。 Na SO ?10H O 是单斜晶体,晶体呈短柱状,集合体呈致密块状,无色透明,有玻璃光 2 4 2 泽,有时略带浅黄色或绿色,味苦,比重为 1.4~1.5。Na SO ?10H O内含 45.91%的 H O 2 4 2 2 和 44.09%