直接接觸式蓄冷器蓄冷特性研究

李曉燕 劉家慶 杜世強(qiáng) 李 立

直接接觸式蓄冷器蓄冷特性研究

李曉燕 劉家慶 杜世強(qiáng) 李 立

哈爾濱商業(yè)大學(xué)能源與建筑工程學(xué)院

本文研究了直接接觸式蓄冷器的蓄冷特性，并建立直接接觸式蓄冷器的物理及數(shù)學(xué)模型，采用熱平衡法建立能量守恒方程，利用相變溫度為6℃～8℃的有機(jī)相變蓄冷介質(zhì)，利用水為載冷劑，使兩者在蓄冷器內(nèi)直接接觸換熱進(jìn)行蓄冷。研究直接接觸式蓄冷器的蓄冷劑進(jìn)口溫度與流量、載冷劑進(jìn)口溫度與流量的變化對(duì)蓄冷特性影響。結(jié)果表明：蓄冷時(shí)蓄冷器的總蓄冷量隨著蓄冷劑的進(jìn)口溫度的增加而增加，隨著載冷劑進(jìn)口溫度的降低而增加，載冷劑的出口溫度隨著蓄冷劑和載冷劑進(jìn)口流量的增加而增加。

蓄冷性能直接接觸換熱數(shù)值模擬蓄冷器

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，電力需求量越來(lái)越大?？照{(diào)用能占公共建筑總能耗的40%以上[1]，蓄冷空調(diào)技術(shù)已經(jīng)成為空調(diào)需求側(cè)管理的主要手段[2]。直接接觸式蓄冷器將水與有機(jī)相變蓄冷介質(zhì)直接接觸，使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積減小，節(jié)省材料，成本低，不僅避免了兩種工質(zhì)之間的傳熱過程由換熱盤管引起的熱阻，可提高傳熱效率，而且還可提高制冷性能系數(shù)。

對(duì)直接接觸式蓄冷器的研究一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[3～4]。Sideman和Gat[5]研究了戊烷-水直接接觸式系統(tǒng)的換熱特性。結(jié)果表明，水的流率對(duì)系統(tǒng)換熱的影響較小。Battya和Smith[6-8]等對(duì)直接接觸式系統(tǒng)的換熱特性進(jìn)行研究，得到一些非常有益的結(jié)果。

本文對(duì)直接接觸式蓄冷器的蓄冷特性進(jìn)行研究，以有機(jī)相變材料作為蓄冷介質(zhì)，將直接接觸式換熱應(yīng)用到常規(guī)空調(diào)工況的蓄冷系統(tǒng)當(dāng)中，既可以避免兩種工質(zhì)在傳熱過程中由換熱盤管引起的熱阻，同時(shí)能夠提高蒸發(fā)溫度和空調(diào)性能系數(shù)，大幅度地縮小蓄冷器的體積，使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省材料降低成本。本文建立直接接觸式蓄冷器的物理與數(shù)學(xué)模型，通過模擬研究直接接觸式蓄冷器蓄冷規(guī)律，獲得直接接觸式蓄冷器的蓄冷特性及性能曲線，分析影響直接接觸式蓄冷器蓄冷的因素，為直接接觸式蓄冷器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。

1 直接接觸式蓄冷器物理模型的建立

直接接觸式蓄冷器內(nèi)的換熱過程是一個(gè)復(fù)雜的兩相流動(dòng)及換熱問題且有相變發(fā)生。在載冷劑水的入口和出口處設(shè)置擋流板，入口處擋流板作用是防止水流直接沖擊蓄冷介質(zhì)射流柱造成流場(chǎng)過大的擾動(dòng)，以便讓射流自然分裂成液滴；出口處擋流板的作用是防止蓄冷介質(zhì)液滴在上升的過程中隨水流流出。直接接觸式蓄冷器蓄冷過程的物理模型如圖1所示。

圖1 直接接觸式蓄冷器蓄冷過程物理模型

為分析問題方便，在建立數(shù)學(xué)模型前，作以下假設(shè)：

①直接接觸式蓄冷器與外界不發(fā)生熱交換；

②蓄冷初始時(shí)刻，蓄冷器內(nèi)溫度分布均勻一致；

③蓄冷介質(zhì)固態(tài)與液態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱均為常數(shù)且不隨溫度的變化而改變；

④蓄冷介質(zhì)無(wú)過冷現(xiàn)象發(fā)生；

⑤由于蓄冷介質(zhì)液滴很小其內(nèi)部傳熱以導(dǎo)熱方式進(jìn)行，忽略自然對(duì)流的影響；

⑥不考慮蓄冷介質(zhì)液滴無(wú)再次聚合與分裂現(xiàn)象；

⑦載冷劑控制體內(nèi)的平均溫度為入口和出口溫度的平均溫度。

直接接觸式蓄冷器的高度為480mm，截面為200 mm×200mm，蓄冷時(shí)，蓄冷器內(nèi)水面高度為300mm，蓄冷介質(zhì)自蓄冷器底部的噴嘴噴入分散成液滴，與載冷劑水直接接觸換熱，使蓄冷介質(zhì)逐漸降溫至凝固，載冷劑水由下部的入口進(jìn)入吸收蓄冷介質(zhì)凝固放出的熱量后從出口離開。

2 直接接觸式蓄冷器數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 載冷劑側(cè)數(shù)學(xué)模型

采用熱平衡法建立載冷劑側(cè)控制節(jié)點(diǎn)的能量守恒方程，對(duì)載冷劑側(cè)一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行離散，如圖2所示。

圖2載冷劑側(cè)一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱內(nèi)部節(jié)點(diǎn)離散示意圖

載冷劑側(cè)控制節(jié)點(diǎn)的能量守恒方程：

控制微元體內(nèi)載冷劑能量增加=載冷劑帶入的能量—載冷劑帶出的能量—控制體內(nèi)蓄冷介質(zhì)液滴吸收的能量。

對(duì)節(jié)點(diǎn)P(m,n)上述表達(dá)式的一維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)描寫為：

式（1）的向前差分格式為：

式中：Tp代表控制體內(nèi)平均溫度，k和k+1為連續(xù)的時(shí)刻。根據(jù)假設(shè)⑦有：

式中：Q為蓄冷劑流量，m3/s；Qρ為載冷劑密度，kg/m3；Cρ為蓄冷器寬度，m；m為載冷劑比熱容，J/(kg·K)；m為載冷劑質(zhì)量流量，kg/s；Tin，Tout為控制體的入口與出口溫度，℃；v為單個(gè)蓄冷介質(zhì)液滴體積，m3；Φ為載冷劑控制體與單個(gè)蓄冷介質(zhì)液滴的換熱量，W。

2.2 蓄冷介質(zhì)液滴側(cè)數(shù)學(xué)模型的建立

采用元體平衡法建立傳熱控制方程，將蓄冷介質(zhì)液滴內(nèi)部離散成步長(zhǎng)為△r的m個(gè)同心球，定義球心處節(jié)點(diǎn)為0號(hào)，沿半徑方向依次遞增，最外層節(jié)點(diǎn)為m號(hào)。如圖3所示。

圖3 蓄冷介質(zhì)液滴內(nèi)空間離散圖

任一控制微元體滿足：元體能量的增加=導(dǎo)入熱量—導(dǎo)出熱量+內(nèi)熱源產(chǎn)生熱量。本文所研究的蓄冷介質(zhì)液滴無(wú)內(nèi)熱源，因此第i號(hào)控制節(jié)點(diǎn)傳熱方程為：

式中：K為蓄冷介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Fy,i-1，F(xiàn)y,i分別為第i號(hào)控制節(jié)點(diǎn)的左右邊界面積，m2；ρ為蓄冷介質(zhì)密度，kg/m3；Cρ為蓄冷介質(zhì)比熱容，J/(kg·K)；VI為第i號(hào)控制節(jié)點(diǎn)的體積，m3。

氣相色譜條件：色譜柱為Agilent SP-2560毛細(xì)管柱（100 m×0.25 mm×0.2 μm），升溫程序起始70 ℃，以50 ℃/min升至140 ℃保持1 min，4 ℃/min升至180 ℃，保持1 min，3 ℃/min升至225 ℃，保持30 min；進(jìn)樣口溫度260 ℃；進(jìn)樣量1 μL，分流比45：1，柱流量1 mL/min，載氣為氮?dú)狻?/p>

其中：

第m號(hào)節(jié)點(diǎn)的能量平衡方程式為：

整理后得m號(hào)節(jié)點(diǎn)n+1時(shí)刻溫度為：

式中：Φ為蓄冷介質(zhì)液滴與水之間的對(duì)流換熱量，數(shù)學(xué)方程為：

式中：r為蓄冷介質(zhì)液滴直徑，m；h為蓄冷介質(zhì)液滴與水之間的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Tw為載冷介質(zhì)水的溫度，℃；Tr為蓄冷介質(zhì)液滴表面溫度，℃。

3 蓄冷過程模擬結(jié)果與分析

蓄冷過程中各變量的初始參數(shù)設(shè)置如下：蓄冷劑進(jìn)口溫度為12℃，蓄冷劑進(jìn)口流量為34.29cm3/s；載冷劑進(jìn)口溫度為1℃，載冷劑進(jìn)口流量為35.32cm3/s。

研究蓄冷劑進(jìn)口溫度，進(jìn)口流量；載冷劑進(jìn)口溫度，進(jìn)口流量對(duì)直接接觸式蓄冷器蓄冷性能的影響。各蓄冷工況變量的取值如表1。

表1 蓄冷各工況變量取值

3.1 蓄冷劑對(duì)蓄冷量和出口溫度的影響

1）蓄冷劑進(jìn)口溫度對(duì)蓄冷器蓄冷量的影響。圖4是蓄冷過程蓄冷劑進(jìn)口溫度不同時(shí)載冷劑的出口溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。從圖中可以看出，載冷劑出口溫度在蓄冷開始階段上升較快，然后逐漸變緩直至到某一恒定溫度。這是因?yàn)樵谛罾溟_始時(shí)蓄冷器內(nèi)水溫分布均勻，當(dāng)大量的蓄冷劑噴入到載冷劑中進(jìn)行直接接觸換熱時(shí)，兩者之間的溫差較大熱交換較強(qiáng)，一段時(shí)間后蓄冷器內(nèi)的水溫出現(xiàn)垂直分層現(xiàn)象，熱交換減弱，出口溫度上升的趨勢(shì)變緩。當(dāng)噴入的蓄冷劑蓄冷所需冷量與載冷劑帶入的冷量相平衡時(shí)，載冷劑出口溫度維持不變。

圖4 蓄冷劑進(jìn)口溫度不同時(shí)蓄冷器蓄冷量隨時(shí)間變化

圖5 蓄冷劑進(jìn)口流量不同時(shí)載冷劑出口溫度隨時(shí)間變化

3.2 載冷劑對(duì)蓄冷量和出口溫度的影響

1）載冷劑進(jìn)口溫度對(duì)蓄冷器蓄冷量的影響。圖6是載冷劑的進(jìn)口溫度不同時(shí)出口溫度隨時(shí)間的變化。由圖可知，載冷劑出口溫度在蓄冷開始階段上升較快，然后逐漸變緩直至到某一恒定溫度。這是因?yàn)樵谛罾溟_始時(shí)蓄冷器內(nèi)水溫分布均勻，當(dāng)大量的蓄冷劑噴入到載冷劑中進(jìn)行直接接觸換熱時(shí)，兩者之間的溫差較大熱交換較強(qiáng)，所以出口溫度上升較快；一段時(shí)間后蓄冷器內(nèi)的水溫出現(xiàn)垂直分層現(xiàn)象，熱交換減弱，出口溫度上升的趨勢(shì)變緩。當(dāng)噴入的蓄冷劑蓄冷所需冷量與載冷劑帶入的冷量相平衡時(shí)，載冷劑出口溫度維持不變。

圖6 載冷劑進(jìn)口溫度不同時(shí)蓄冷器蓄冷量隨時(shí)間變化

2）載冷劑進(jìn)口流量對(duì)載冷劑出口溫度的影響。圖7是蓄冷過程載冷劑進(jìn)口溫度不同時(shí)，直接接觸式蓄冷器內(nèi)蓄冷量隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖分析可知，載冷劑的入口溫度越低在同一時(shí)刻蓄冷器內(nèi)儲(chǔ)存的冷量越多，以蓄冷過程進(jìn)行到100s為例，在載冷劑進(jìn)口溫度為1℃、2℃、3℃時(shí)，蓄冷器內(nèi)儲(chǔ)存的冷量分別為579.536kJ、495.717 kJ、417.416 kJ，與進(jìn)口溫度為1℃時(shí)相比，蓄冷量分別降低了14.46%、15.80%。

圖7 載冷劑進(jìn)口流量不同時(shí)載冷劑出口溫度隨時(shí)間變化

4 結(jié)論

本文首先建立直接接觸式蓄冷器的蓄冷模型，分別在載冷劑側(cè)和蓄冷介質(zhì)液滴側(cè)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)直接接觸式蓄冷器蓄冷過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分別研究了蓄冷劑進(jìn)口溫度與流量、載冷劑進(jìn)口溫度與流量的變化對(duì)直接接觸式蓄冷器蓄冷性能的影響。結(jié)果表明：

1）蓄冷時(shí)蓄冷劑的進(jìn)口溫度越大，蓄冷器蓄冷率越大，總蓄冷量越多。

2）蓄冷劑進(jìn)口溫度不能過度增加，否則蓄冷劑不能凝固，無(wú)法利用蓄冷劑潛熱比顯熱大得多這一特性，造成蓄冷器蓄冷密度過低。

3）蓄冷時(shí)載冷劑進(jìn)口溫度越低，總蓄冷量越多。

4）蓄冷時(shí)蓄冷器的蓄冷量隨著載冷劑入口流量的增加而增加。但載冷劑的流量增加可能會(huì)造成部分冷量的損失及泵功率的增加，從而使運(yùn)行成本增加，因此應(yīng)適當(dāng)?shù)靥岣吡髁俊?/p>

[1]王寶龍,石文星,李先庭.空調(diào)蓄冷技術(shù)在我國(guó)的研究進(jìn)展[J].暖通空調(diào),2010,40(6):6-12

[2]方貴銀.蓄能空調(diào)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006

[3]王一平,李彥博,張金利.直接接觸式環(huán)流換熱器傳熱研究[J].化學(xué)工程,2000,28(4):18-21

[4]Zhang Peng,Wang Yiping,Guo Cuili,et al.Heat transfer in gasliquid-liquid three-phase direct-contact exchanger[J].Chemical Engineering Journal,2007,84:381-388

[5]Sideman S,Gat Y.Direct contact heat transfer with change of phase[J].AICHEJ,1984,12:296-303

[6]Smith R.C,Rohsenow W M,Kazimi M S.Volumetric heat transfe -r coefficients for direct contact evaporation[J].J.Heat Transfer, 2012,104:264-303

[7]Seetharamu K N,Battya P.Direct contact evaporation between two immiscible liquids in a spray column[J].J.Heat Transfer, 2012,111:780-785

[8]Fujita Y,Hirahaya K,Matsuo S,et al.Heat transfer processes in a direct contact evaporator[J].TRANS.JSME.Ser.B.2011:452-475,1379-1386

Study on Cool Stora ge Cha ra c te ris tic of Dire c t-c onta c t Cool Stora ge De vic e

LI Xiao-yan,LIU Jia-qing,DU Shi-qiang,LI Li
School of Energy and Civil Engineering,Harbin University of Commerce

The cold storage characteristic of direct-contact cool storage device was investigated.Moreover,the physical and mathematical model of direct-contact cool storage device was established.Energy conservation equation was established using heat balance method.The phase change temperature of organic PCM is 6℃～8℃and the secondary refrigerant is water.The heat exchanges directly in direct-contact cool storage device.This article mainly studied the effect of inlet temperature and flow rate of coolant on cool storage characteristic.And the effect of inlet temperature and flow rate of secondary refrigerant on cool storage characteristic.The results show that:the cool storage capacity increases with the increasing inlet temperature of coolant and the decreasing inlet temperature of secondary refrigerant. The water-out temperature of secondary refrigerant increases with the increasing flow rate of coolant and the increasing secondary refrigerant.

cool storage performance,direct contact heat exchange,numerical simulation,cool storage device

1003-0344（2014）04-001-4

2013-5-28

李曉燕（1962～），女，博士，教授；黑龍江省哈爾濱市松北區(qū)學(xué)海街1號(hào)哈爾濱商業(yè)大學(xué)能源與建筑工程學(xué)院（150028）；E-mail:mylxy6168@sina.com

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.E200822）；國(guó)家自然科學(xué)基金（青年基金）項(xiàng)目（No.50606007）；黑龍江省研究生創(chuàng)新科研項(xiàng)目（No.YJSCX2012-144HLJ）