新型封裝冰蓄冷實(shí)驗(yàn)研究

姜 恒

(廣州大學(xué)，廣東 廣州 510000)

1 概述

城市化的擴(kuò)張，空調(diào)技術(shù)的成熟，空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行能耗在建筑能耗中所占的比重愈來(lái)愈大[1]。在2016年3月《國(guó)家十三五規(guī)劃》中提出重點(diǎn)推進(jìn)的八大重點(diǎn)工程中就有能源儲(chǔ)備設(shè)施，并且重點(diǎn)提出要實(shí)施大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，將儲(chǔ)能納入國(guó)家級(jí)規(guī)劃中[2]。自20世紀(jì)90年代中期，國(guó)內(nèi)開(kāi)始針對(duì)冰蓄冷進(jìn)行科學(xué)研究，隨著蓄冷空調(diào)技術(shù)的推廣和國(guó)家節(jié)能政策的推出，并且可以利用峰谷電價(jià)，為用戶減少費(fèi)用支出，提高設(shè)備的運(yùn)行效率等優(yōu)點(diǎn)愈發(fā)突出[1]。目前廣泛應(yīng)用于市場(chǎng)上的冰蓄冷的封裝設(shè)備主要有冰球式和冰板式。冰蓄冷封裝裝備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝、運(yùn)行方便，可針對(duì)用戶冷量要求進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前冰球蓄冷槽的代表性生產(chǎn)廠家有Cristopia,CRYOGEL,Reaction,杭州華電華源環(huán)境工程有限公司等[3]。天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)新開(kāi)發(fā)的立式封裝板冰蓄冷設(shè)備做了大量的研究[4-9]。劉震炎以減小流動(dòng)阻力的方式設(shè)計(jì)橢形單體蓄冷板，并進(jìn)行了建模分析[10]。A.Barba針對(duì)PCM在三種不同的幾何形狀下的釋冷過(guò)程的實(shí)驗(yàn)[11]。Ahmed A.Altohamy提出了一種新的冰球內(nèi)表面粗糙度對(duì)冰球式蓄冷系統(tǒng)性能影響的實(shí)驗(yàn)方法[12]。Cabeza L F提到關(guān)于將PCM封裝袋納入到建筑墻壁中實(shí)現(xiàn)被動(dòng)冷卻[13]。Resetar I等開(kāi)發(fā)一個(gè)樹(shù)枝狀封裝，并展示樹(shù)枝狀幾何結(jié)構(gòu)對(duì)PCM與周圍環(huán)境之間的傳熱情況[14]。目前市面上存在的封裝式冰蓄冷設(shè)備主要是冰球式、板式，均存在一定的缺點(diǎn)。冰球式和板式的蓄冰設(shè)備內(nèi)部均要留有一定的空氣層，為了防止膨脹變形，但是由于空氣的熱阻比之水要大，相變結(jié)冰時(shí)會(huì)影響表層的換熱[11]。同時(shí)，由于球的比表面最小，因此導(dǎo)致?lián)Q熱能力差，隨著冰球式的內(nèi)部相變材料相變，熱阻變大，導(dǎo)致蓄冷后期的傳換熱效率大大下降。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用開(kāi)式系統(tǒng)，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)由恒溫槽、蓄冷槽、流量計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、水泵和閥門等多設(shè)備組成。系統(tǒng)圖見(jiàn)圖1。實(shí)驗(yàn)采用30%乙二醇溶液作為載冷劑。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，通過(guò)PLC調(diào)整供回水的流量，以此保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中蓄冷槽部分的水位維持在同一水平面。PLC的控制流程是通過(guò)蓄冷槽側(cè)的水位感應(yīng)測(cè)點(diǎn)，依次將0 V～5 V的信號(hào)輸入水泵，因此控制水泵的流量大小來(lái)維持水位。實(shí)驗(yàn)采用的對(duì)照組的封裝模塊是球形蓄冷模塊，球形蓄冷模塊的大小直徑為4 cm，比表面積為1.5 cm2/g。實(shí)驗(yàn)組的封裝袋，其大小為15 cm×12 cm，共有三種不同的質(zhì)量，分別為100 g/袋，120 g/袋和150 g/袋。每組封裝模塊總質(zhì)量為600 g。經(jīng)過(guò)計(jì)算其球形的比表面積在1.5 cm2/g，100 g/袋的比表面積在1.8 cm2/g，120 g/袋比表面積為1.5 cm2/g，150 g/袋比表面積為1.2 cm2/g(見(jiàn)圖2)。

實(shí)驗(yàn)步驟是通過(guò)恒溫槽降溫將恒溫槽，水管和蓄冷槽內(nèi)部的載冷劑的溫度降至-8 ℃，其次將總質(zhì)量為600 g的封裝模塊組放入蓄冷槽中。當(dāng)蓄冷槽內(nèi)部溫度重新恢復(fù)-8 ℃維持不變，且觀察到封裝模塊相變時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主要利用安捷倫記錄供回水流量信號(hào)(4 mA～20 mA)、供回水溫度和槽內(nèi)溫度。因此冷量的輸入可以利用Q=CM1T1-CM2T2進(jìn)行計(jì)算。

其中，Q為時(shí)刻的冷量，即為蓄冷速率；M1為回水流量；T1為回水溫度；M2為供水流量；T2為供水溫度。

然后利用Q對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，即為輸入的總冷量與時(shí)間變化趨勢(shì)。

圖3為球形蓄冷模塊的蓄冷量隨時(shí)間變化曲線和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中槽內(nèi)溫度的變化。槽內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)位于槽內(nèi)底部，從槽內(nèi)溫度可以看出，開(kāi)式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)可以表現(xiàn)出冰蓄冷實(shí)驗(yàn)的變化，因此利用開(kāi)式系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是可行的。圖3a)為球形蓄冷設(shè)備隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，由于供回水流量的波動(dòng)導(dǎo)致其冷量產(chǎn)生波動(dòng)，因此可以看出其蓄冷量的變化曲線具有一定的波動(dòng)。由圖可知其蓄冷量和蓄冷速率的變化趨勢(shì)符合理論的研究，在實(shí)驗(yàn)初期，其槽內(nèi)溫度在-8 ℃時(shí)將球放入蓄冷槽內(nèi)，冰球內(nèi)部的水為液態(tài)，與槽內(nèi)載冷劑進(jìn)行熱交換，在相變之前為顯熱過(guò)程，而后球內(nèi)蓄冷相變結(jié)冰為潛熱交換過(guò)程，再之后，冰的溫度下降，再次變成顯熱交換。但在冰球內(nèi)部的水相變時(shí)，隨著冰量的增加，冰層厚度愈來(lái)愈大，導(dǎo)致導(dǎo)熱熱阻增大，傳換熱速率降低[15]。所以圖中的蓄冷量的變化速率由大變小直至平穩(wěn)。平緩期在100 min之后，冰球的蓄冷量不再增加，僅僅呈現(xiàn)一定的波動(dòng)，也就意味著此時(shí)冷量的輸入已經(jīng)與蓄冷槽的損失量持平,已經(jīng)無(wú)法向冰球內(nèi)輸入冷量。

100 g/袋的封裝袋的蓄冷實(shí)驗(yàn)與球形的蓄冷實(shí)驗(yàn)對(duì)比，由圖4可以看出，同為600 g總水量，封裝袋的蓄冷量和蓄冷速率比之球形蓄冷量和蓄冷速率要更大，這是由于袋體厚度較薄，且比表面積比之球形要大，100 g/袋在裝水后的最大厚度在9 mm左右，而球形的蓄冷封裝的最大厚度在40 mm，因此隨著蓄冰量的增加，導(dǎo)熱熱阻增加，傳換熱效率降低，蓄冷的速率下降，但是由于袋體比球體的厚度要小，比表面積大，因此袋體的單位時(shí)間的蓄冷速率要高于球形的蓄冷速率(見(jiàn)圖4)。100 g/袋的封裝袋總蓄冷量遠(yuǎn)超球形蓄冷設(shè)備的蓄冷量，并且蓄冷完成時(shí)間在100 min左右。從圖中可以看出，球形的蓄冷完成時(shí)間要比袋子的完成時(shí)間要短，這是由于隨著蓄冰量的增加，冰層變厚，導(dǎo)致導(dǎo)熱熱阻的增大，以至于蓄冷實(shí)驗(yàn)后期，無(wú)法將水完全完成蓄冰。這也是球形的冰蓄冷封裝設(shè)備的缺點(diǎn)所在。在實(shí)驗(yàn)初期，前20 min內(nèi)，兩者蓄冷量接近，蓄冷的速度也相近，此時(shí)由于水由常溫降至結(jié)冰時(shí)的顯熱蓄冷以及相變時(shí)冰層較薄，熱阻較低，所以兩者的傳換熱效率相近。而隨著蓄冰量愈來(lái)愈大，球形蓄冷設(shè)備內(nèi)部冰層越來(lái)越厚，導(dǎo)致熱阻增大，蓄冷量增加緩慢，趨于平穩(wěn)。

式中，Ei為農(nóng)產(chǎn)品中重金屬i的單因子指數(shù)；Ai為農(nóng)產(chǎn)品中重金屬i的實(shí)測(cè)濃度；Si為農(nóng)產(chǎn)品重金屬i的限量標(biāo)準(zhǔn)值，采用GB 2762（中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部，2012）中規(guī)定的食物中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)圖5可以看出，120 g/袋的封裝袋和球形封裝的總水量相等的情況下，球形封裝的蓄冷量小于封裝袋的蓄冷量，這也是由于實(shí)驗(yàn)后期冰層的熱阻的原因，120 g/袋的封裝袋在常溫常壓下最大厚度在10 mm左右，而球的最大直徑為40 mm，蓄冷實(shí)驗(yàn)的初期，冰球和冰袋的蓄冷量增加較快，隨著水相變成冰，冰層厚度的增加，導(dǎo)致冰球的導(dǎo)熱熱阻也在快速增加，結(jié)果導(dǎo)致冰球的蓄冷速率的下降，直至平緩，而袋體的厚度較小，因此在實(shí)驗(yàn)后期，冰層的厚度也不會(huì)導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行導(dǎo)熱，所以，整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，冰球式的蓄冷量要小于120 g/袋的封裝袋的蓄冷量。從蓄冷速度分析，在實(shí)驗(yàn)初期時(shí)兩者皆位于顯熱蓄冷過(guò)程中時(shí)，兩者的速率相近，而后球形的蓄冷速率超過(guò)封裝袋的蓄冷速率，但原因在于封裝袋時(shí)散布在蓄冷槽中，且封裝袋屬于柔性的封裝板類，因此會(huì)造成封裝袋的疊加(如圖6所示)，導(dǎo)致載冷劑不能在封裝袋之間有效的流動(dòng)，其總的有效的換熱面積大幅度減小，導(dǎo)致速率降低。而球形的冰蓄冷設(shè)備的外殼屬于硬殼，因此互相之間不會(huì)疊加，影響比表面積。在實(shí)驗(yàn)后期，160 min左右時(shí)，其120 g/袋的封裝袋的實(shí)驗(yàn)的蓄冷速度要大于100 min左右時(shí)刻的速度，這是由于封裝袋中水相變結(jié)冰，造成了一個(gè)堅(jiān)硬的外殼體，為封裝袋之間的載冷劑增加了空間，提高了換熱面積，因此使得換熱效率增加，蓄冷速度有些許提升。

150 g/袋的比表面積為1.8 cm2/g，球形比表面積為1.5 cm2/g。從圖7可以看出，150 g/袋的封裝冰蓄冷設(shè)備的蓄冰量超過(guò)了球形冰蓄冷設(shè)備的蓄冰量，這與蓄冷實(shí)驗(yàn)的換熱速率有關(guān)，這可以看出在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的后期，150 g/袋的蓄冷實(shí)驗(yàn)的蓄冷速度與球形的蓄冷速度相比要高。150 g/袋的封裝袋在常壓下的厚度在11 mm左右，比之球的直徑要小的多，這也意味著與球形的相比較，同樣的環(huán)境下，總水量相同的情況下，150 g/袋封裝袋的蓄冷量比球形的蓄冷量更高。從蓄冷速度來(lái)看，150 g/袋的封裝袋的蓄冷速度要小于球形封裝的蓄冷速度，一是由于袋形封裝設(shè)備的疊加導(dǎo)致的無(wú)載冷劑在封裝袋之間產(chǎn)生流動(dòng)，二是由于有150 g/袋的封裝袋的比表面積要比球形的比表面要大。

圖8為不同封裝袋和球形的蓄冷量隨時(shí)間變化的曲線，由圖8可以看出在總水量相同的情況下，不同的封裝袋的蓄冷量比球形的蓄冷量要大。從蓄冷的速度來(lái)看，在實(shí)驗(yàn)初期，球形的蓄冷速度是要略大于120 g/袋封裝袋和150 g/袋蓄冷速度，這也是由于在槽內(nèi)部的封裝袋之間的緊貼，載冷劑無(wú)法在封裝袋之間流動(dòng)，封裝袋的表面積無(wú)法全部發(fā)揮作用，導(dǎo)致傳換熱面積減小，傳換熱速率降低。從蓄冷完成時(shí)間來(lái)看，將蓄冷量曲線變得平緩為蓄冷完成，冰球式的最先完成蓄冷，之后是100 g/袋的封裝袋完成蓄冷，之后為150 g/袋和120 g/袋的封裝袋蓄冷設(shè)備。從表1看出，當(dāng)封裝袋比表面積越來(lái)越大，其蓄冷量也在減小，蓄冷速度也減小，由于冰的導(dǎo)熱熱阻亦阻礙了封裝內(nèi)部的水相變結(jié)冰。

表1 5種封裝式冰蓄冷實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)可以看出，根據(jù)所設(shè)計(jì)的冰蓄冷封裝袋存在一定的問(wèn)題。因此根據(jù)目前所有的實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證其冰蓄冷封裝設(shè)備的蓄冰量在同等水量的情況下，其冰蓄冷封裝袋的蓄冰量是要超過(guò)球形的封裝設(shè)備的蓄冰量的。因此從整體的蓄冷量來(lái)看，其效果是要好于球形的蓄冷封裝設(shè)備的。但是由于封裝袋的緊貼疊加，導(dǎo)致其大部分的表面積并沒(méi)有起到一定的作用，因此根據(jù)此時(shí)，可以將封裝袋結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的改變，將封裝袋中部加壓，使封裝袋的上下表面的部分貼合，一方面使得封裝袋疊在一起時(shí)會(huì)留有一定空隙，另一方面可以讓封裝袋的上下表面距離減小，當(dāng)距離減小可以使相變結(jié)冰時(shí)，使得冰層厚度減小，保證傳換熱效率，增加蓄冷量。根據(jù)所提出的想法進(jìn)行了封裝袋的設(shè)計(jì)，如圖9所示。

僅根據(jù)設(shè)計(jì)做了封裝袋的120 g/袋的設(shè)計(jì)，球形的冰蓄冷封裝設(shè)備的比表面積與封裝袋的120 g/袋的比表面積相同，以此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

對(duì)于加了壓痕的封裝袋來(lái)說(shuō)，其目的其一在于減少上下表面的距離，其二是為了使得作為載冷劑的乙二醇溶液能夠在封裝袋之間流通，加強(qiáng)換熱，其三在壓痕處存在較薄的水層，因?yàn)榇颂庉^薄，因此傳熱快，此處的水會(huì)率先相變結(jié)冰，擁有促晶的作用。從圖9可以看出，封裝袋上加壓痕的封裝袋從蓄冷量和蓄冷速率均是超過(guò)球形冰蓄冷設(shè)備和不加壓痕的封裝袋蓄冰設(shè)備。因此利用此方法可以更高效的進(jìn)行蓄冷。

因此采用此種方法進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)新型封裝袋的冰蓄冷設(shè)備是有明顯效果的，使得蓄冰量更高，蓄冷速率更高。

4 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)有的封裝式的冰蓄冷設(shè)備的缺點(diǎn)進(jìn)行新型冰蓄冷封裝設(shè)備的設(shè)計(jì)和研究，采用袋式結(jié)構(gòu)，可以解決膨脹空間的問(wèn)題，強(qiáng)化了傳熱，并且比表面積更大，也提高了傳換熱效率。從制作工藝角度來(lái)看，其制作工藝更加簡(jiǎn)單便捷。因此封裝袋的封裝式冰蓄冷設(shè)備的效果和經(jīng)濟(jì)效益來(lái)說(shuō)更加的高。

1)本文采用了開(kāi)式系統(tǒng)對(duì)冰蓄冷過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并利用PLC對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，此種系統(tǒng)更易于實(shí)驗(yàn)過(guò)程的現(xiàn)象觀察和實(shí)驗(yàn)操作。

2)通過(guò)新設(shè)計(jì)的封裝袋冰蓄冷發(fā)現(xiàn)不同比表面積的封裝袋蓄冷速率不同，同樣的流量情況下，比表面積越小，其蓄冷速度越快，蓄冷時(shí)間越短。

3)在同樣的流量和實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，球形的封裝式冰蓄冷設(shè)備的蓄冷量低于實(shí)驗(yàn)的三種不同的封裝袋式冰蓄冷設(shè)備的蓄冷量。

4)在同樣的流量和比表面積下，不加壓痕的120 g/袋的封裝設(shè)備的蓄冷速率小于球形的蓄冷速率，但加壓痕的120 g/袋的封裝設(shè)備的蓄冷速率要大于球形的封裝設(shè)備的蓄冷速率。

目前所研究的封裝袋式的冰蓄冷設(shè)備擁有一定的缺點(diǎn)，但是從效率和經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，此設(shè)備對(duì)于封裝式冰蓄冷來(lái)說(shuō)有更高的價(jià)值。此后需要針對(duì)封裝袋的冰蓄冷設(shè)備進(jìn)行更加詳細(xì)全面的研究，并針對(duì)缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)和設(shè)備的優(yōu)化。