蓄冷槽蓄冷及釋冷特性實驗研究

方沛明，宛 超，辛天龍

（1.廣東力優(yōu)環(huán)境系統(tǒng)股份有限公司，廣東 東莞 523917；2.中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙 410083）

1 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展、城市規(guī)模的擴大和用電結構的改變，城市以及地區(qū)電網(wǎng)晝夜電力負荷差值越來越大，高峰負荷呈現(xiàn)了明顯的快速增長趨勢。蓄冷技術就是在此背景下獲得了較大的發(fā)展[1～6]。所謂蓄冷就是在用電低谷期，制冷主機啟動制冷，利用物質的顯熱或潛熱特性，用一定的方式將冷量儲存起來，在用電高峰期，把儲存的冷量釋放出來，以滿足建筑物空調或生產(chǎn)工藝的需要[7]。這樣，制冷系統(tǒng)的大部分耗電發(fā)生在夜間用電低谷時段，而在白天用電高峰時段只有能耗較少的輔助設備在運行，能起到“移峰填谷”平衡電網(wǎng)負荷的作用。作者主要從實驗方面針對不同的蓄冷材料，對蓄冷、釋冷等性能進行了研究以及對加了硼砂的蓄冷劑的蓄冷機理進行了實驗研究。

2 實驗說明

實驗過程包括蓄冰和釋冷過程。實驗裝置如圖1所示，主要研究蓄冷槽的蓄冷及釋冷特性，系統(tǒng)流程可以簡化為：制冷部分、蓄冷部分、負荷部分（風機盤管）及數(shù)據(jù)采集部分。

圖1 實驗系統(tǒng)流程圖

蓄冷槽是實驗系統(tǒng)的核心部件，采用不銹鋼板制作，外形尺寸為1 500 mm×1 500 mm×1 300 mm，蓄冷槽外采用30 mm厚的聚乙烯泡沫塑料作為保溫材料。盤管的布置方式為：蓄冷盤管由21個模塊構成，每個模塊由40根U形管并聯(lián)組成，管束順排，載冷劑采用質量分數(shù)25%的乙二醇溶液，載冷劑出入總管與各模塊支管采用分液器相連，以盡量保證各模塊分配均勻；U形管采用Φ9.52 mm×0.50 mm的銅管，高度為1 100 mm，相鄰蓄冷模塊間距40 mm，每個模塊中相鄰U形管間距40 mm。

實驗系統(tǒng)采用PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，自編程對機組運行模式進行自動控制，采集的數(shù)據(jù)可實時顯示及歷史保存。溫度是本實驗系統(tǒng)的主要測量參數(shù)。蓄冷槽中的4個測點溫度自記錄開始后間隔1 min進行數(shù)據(jù)采集，1、2、3、4分別代表了蓄冷槽中各個不同點的溫度（即蓄冷槽內溫度傳感器布置的位置），平均溫度是4個測點溫度的平均值。在實驗過程中，設置制冰時間7 h，系統(tǒng)運行后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)即自動采集記錄數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行簡單處理。

在實驗中，為了更好地研究水的蓄冷、釋冷特性，特在水中加入一定量的硼砂，形成硼砂水溶液（質量分數(shù)0.25%）。這樣做主要基于以下2個目的：1）本實驗的主要目的是研究冰蓄冷的蓄冰、釋冷特性，在水中添加一定的硼砂，可以更好地研究冰蓄冷蓄冰、釋冷過程的相變機理；2）本實驗研究的最終目的在于通過對蓄冰、釋冷特性的研究，提高冰蓄冷系統(tǒng)的性能，采用硼砂水溶液對比實驗，以改善系統(tǒng)性能。

3 蓄冷槽的蓄冷和釋冷特性實驗結果及分析

3.1 蓄冷特性

3.1.1 蓄冷槽溫度變化

在蓄冷階段，制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度為-5℃，載冷劑乙二醇的溫度保持在0～-4℃，流量為5～6 L/s,蓄冷槽中的初始溫度為平均溫度3℃。

圖2 測點溫度（水）隨時間變化圖

圖3 測點溫度（硼砂水溶液）隨時間變化圖

蓄冷過程蓄冷槽內各個測點溫度及平均溫度隨時間變化如圖2所示。蓄冰過程中，很明顯地分為2個階段，從0到120 min為顯熱蓄冷，從120 min到蓄冰結束為潛熱蓄冷。相變溫度約-2.2℃。蓄冰初期，由于傳熱溫差較大，換熱量較大，蓄冷槽內平均溫度下降速度較快，進入相變階段后，冰沿盤管逐漸產(chǎn)生，換熱熱阻逐漸增大，進入穩(wěn)定的相變階段。這個過程時間很長，蓄冷槽內溫度有小幅下降，但變化不明顯。從測點1、2、3、4的變化曲線來看，蓄冷槽內溫度分層現(xiàn)象比較明顯，但各條曲線的變化趨勢一致，測點4溫度最低，約為-3.0℃，測點2溫度最高，約為-0.9℃。這主要是因為4個測點的位置不同，在蓄冷過程中水的密度差引起的自然對流導致蓄冷槽內換熱系數(shù)的不同所致。

圖4 水和硼砂溶液的比較

圖3是在水中加入硼砂后的蓄冷槽內測點溫度隨時間變化圖，與圖2變化趨勢基本相同，蓄冷槽內硼砂水溶液的相變溫度約為-2℃。圖4是水和硼砂水溶液的對比實驗，從圖中可以看出：1）在相同的制冷工況下，硼砂水溶液（質量分數(shù)0.25%）的溫度下降的更快。主要是因為添加硼砂后增強了水的導熱，提高了傳熱效率；2）水的過冷度，減小了約0.2℃，其原因在于微量的硼砂溶解于水后，形成的微粒成為水結冰時的核，有益于促進冰晶的成核。因此，在蓄冷槽內添加一定量的硼砂，有利于減小水的過冷度，增強蓄冷槽的傳熱特性。

3.1.2 COP的變化

圖5 蓄冷介質為水時COP變化

圖6 蓄冷介質為硼砂水溶液時COP變化

圖5與圖6是2種不同蓄冷介質條件下，單位分鐘內COP隨制冷時間的變化圖，由兩圖可以看出，蓄冷初期系統(tǒng)COP較高，隨著時間的延緩而慢慢下降，最后進入穩(wěn)定期。蓄冷初期，制冷劑的蒸發(fā)溫度較高，壓縮機的功耗相對較小，蓄冷槽內的蓄冷介質溫度也較高，傳熱系數(shù)大，故蓄冷初期系統(tǒng)COP較高。蓄冰時，COP分別穩(wěn)定在約2.0和2.1。比較可以看出，在水中加入硼砂可以在相同的運行工況下提高系統(tǒng)的COP。需要說明的是，圖中COP隨時間變化趨勢明顯不同，這與理論不相符合，分析其原因可能是流量計采集的數(shù)據(jù)波動造成COP的變化，在數(shù)據(jù)處理過程中應當注意剔除一些壞值。

3.2 釋冷特性

3.2.1 蓄冷槽溫度變化

圖7 蓄冷槽內水溫度變化

圖8 蓄冷槽內硼砂水溶液溫度變化

釋冷過程蓄冷槽內各個測點溫度及平均溫度隨時間變化如圖7所示。從圖中可以看出，蓄冷槽內的溫度變化很快，平均溫度從-2.1℃升高到3.0℃，僅僅用了100 min。在釋冷過程中，也較明顯地分為2個階段，在0到70 min階段，溫度上升較慢，主要是因為釋冷初期蓄冷槽內的冰存量大，吸收的主要是潛熱；從70min到100min，溫度上升較快，其原因在于70 min后，蓄冷槽內的冰大部分已融化，吸收的大部分是顯熱。蓄冷槽內的溫度分層現(xiàn)象也比較明顯，但4個測點的溫度變化趨勢基本一致，最高溫度與最低溫度差值約保持在2℃。

圖8是硼砂水溶液（質量分數(shù)0.25%）的溫度隨時間變化圖。可以看出，圖8中曲線斜率比圖7中曲線斜率大，蓄冷槽內的溫度變化更快，釋冷初期的時間減少，由于熱負荷大，釋冷速度快，蓄冷槽內的冰來不及融化，故當蓄冷槽內的平均溫度升至1℃時，蓄冷槽內仍存在大量的冰。

通過這2個實驗，可以得出以下結論：一方面是水中添加硼砂增強了蓄冷槽的傳熱性能；第二方面是釋冷時釋冷的速率比較重要，應該把釋冷速率控制在一個合理范圍內，以保證蓄冷槽內的平均溫度穩(wěn)定在冰水混合物的溫度0℃，從而保證系統(tǒng)較低的送風溫度，但在實際中要做到這一點并不是很容易。

3.2.2 載冷劑溫度變化

圖9 載冷劑進出蓄冷槽溫度變化（水）

圖9是在釋冷階段蓄冷介質為水時，載冷劑的溫度隨時間變化圖。從圖中可以看出，與圖7蓄冷槽內的測點溫度相對應，載冷劑的溫度變化也可以分為2個階段，在釋冷初始階段，離開蓄冷槽的載冷劑的溫度上升較快，經(jīng)過約10 min后，溫度基本保持穩(wěn)定在6℃，經(jīng)過70 min后，溫度再次以較快速度上升。這主要是因為在釋冷初期，盤管外壁全部與冰層直接接觸，換熱強度大，當盤管外形成水層后，管外冰層在水的浮力作用下上浮，始終有部分與盤管直接接觸，形成一層逐漸加厚的水層，換熱逐漸減小。當冰繼續(xù)融化而破裂后，蓄冷槽內形成溫度較均勻的冰水混合物，換熱均勻，載冷劑出口溫度保持穩(wěn)定。蓄冷槽內的冰已大部分融化后，載冷劑與管外的水進行顯熱交換，因此溫度又快速升高。進入蓄冷槽的載冷劑溫度變化較離開的載冷劑溫度變化穩(wěn)定，從釋冷開始溫度基本穩(wěn)定在14℃，經(jīng)過約70 min后，溫度以較快速度上升。在一定時間內，進入蓄冷槽的載冷劑與離開蓄冷槽的載冷劑的溫差基本保持穩(wěn)定在8℃。

4 結論

結合理論分析并通過實驗對小型冰蓄冷系統(tǒng)制冰、釋冷特性進行研究，由實驗結果可以得出：

1）制冰、釋冷過程中，蓄冷槽內溫度分層現(xiàn)象比較明顯，蓄冷槽內測點溫度的變化趨勢基本一致，蓄冰時存在較大的過冷度；蓄冷槽內間距越小，中心溫度越低，四周溫度越高，蓄冷槽溫度梯度越大；

2）在水中添加一定量硼砂能夠減小水的過冷度，增大水的換熱系數(shù)，增強蓄冷槽的換熱性能，提高系統(tǒng)COP；

3）釋冷時，載冷劑進出蓄冷槽的溫度變化快慢與釋冷過程緊密相關，在一定時間內，進出蓄冷槽的載冷劑的溫差基本保持穩(wěn)定。

在制冰、釋冷過程中，蓄冷槽內溫度分層現(xiàn)象比較明顯，載冷劑溫度、蓄冷速率、取冷速率，系統(tǒng)COP在不同實驗階段存在較大區(qū)別。在水中添加一定量硼砂雖然使相變溫度有所降低，但是卻增強了換熱，在保證系統(tǒng)COP的基礎上，有利于改善系統(tǒng)性能，如制冰、釋冷特性。

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