低溫空氣源熱泵相變蓄熱除霜性能模擬研究

丁 艷 蔡 樂 袁隆基

低溫空氣源熱泵相變蓄熱除霜性能模擬研究

丁 艷1,2蔡 樂1袁隆基2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院 徐州 221116）

低溫空氣源熱泵是目前主流的節(jié)能設(shè)備之一，但其發(fā)展受到結(jié)霜問題的困擾。以相變蓄熱除霜技術(shù)為基礎(chǔ)，借助Fluent軟件對(duì)蓄熱器傳熱模型進(jìn)行了建模，模擬分析了換熱管數(shù)量、換熱流體溫度和換熱流體流速對(duì)蓄熱器傳熱效果的影響。結(jié)果表明：在結(jié)構(gòu)合理的基礎(chǔ)上，增加蓄熱器內(nèi)換熱管數(shù)量可以提高傳熱性能；隨著傳熱流體的溫度與相變材料的溫差增大，蓄熱器的傳熱效果增強(qiáng)，除霜效果增強(qiáng)；流速增大，蓄熱器的傳熱效果增強(qiáng)，除霜效果增強(qiáng)。

空氣源熱泵；除霜；相變材料；模擬

0 引言

空氣源熱泵是依靠提取空氣中的低品位熱能，以電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，將提取的空氣熱能轉(zhuǎn)換產(chǎn)生高品位熱能以供使用的一種設(shè)備。消耗一份電能，可獲得2～4倍的熱能[1-3]。隨著國家“煤改電”、“煤改清潔能源”的不斷推進(jìn)，空氣源熱泵以其高效、環(huán)保、安全、可靠的優(yōu)勢(shì)，在商用和民用空調(diào)領(lǐng)域快速發(fā)展，目前，國家已將空氣源熱泵納入可再生能源范圍，并在“十三五”規(guī)劃中設(shè)立了發(fā)展目標(biāo)[4]?？諝庠礋岜迷谖覈L江以南區(qū)域得到廣泛運(yùn)用，但冬季運(yùn)行時(shí)會(huì)受到結(jié)霜的困擾[5]，機(jī)組能效因此而降低。尤其在環(huán)境溫度低于-10℃時(shí)的北方極其寒冷地區(qū)，機(jī)組的制熱能力和效率下降明顯[6]。低溫空氣源熱泵的結(jié)霜問題以及除霜導(dǎo)致的能耗問題給空氣源熱泵高效率運(yùn)行帶來了挑戰(zhàn)，因此對(duì)于解決其除霜問題已成為未來空氣源熱泵進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵，也是目前空氣源熱泵技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。

長期以來，大量的專家學(xué)者對(duì)熱泵除霜展開研究，探尋空氣源熱泵除霜性能特性。研究涉及的傳統(tǒng)除霜方式主要包括逆循環(huán)除霜法、熱氣旁通除霜法、加熱除霜法和超聲波除霜等。其中，逆循環(huán)除霜是目前最常用的除霜方式[7,8]。白韡[9]在實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，逆循環(huán)除霜時(shí)室內(nèi)溫度下降8.1℃，導(dǎo)致舒適性較差，且四通閥切換時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備造成沖擊，影響機(jī)組性能和壽命，并伴有工作噪音。近年來，蓄熱除霜因節(jié)能、可靠、除霜效果好快速成為本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。董建鍇等[10]在蓄熱除霜實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)蓄熱除霜比傳統(tǒng)除霜輸入功率高，并且除霜時(shí)間為傳統(tǒng)除霜的1/3以上。朱穎秋等[11]建立了同心套管相變蓄熱器模型，提供了同心套管相變蓄熱的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。晉瑞芳等[12]對(duì)同心管相變蓄熱規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬并通過實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行驗(yàn)證。龍建佑等[13]研究了三重同心套管的相變蓄熱規(guī)律。本文以相變蓄熱除霜技術(shù)為基礎(chǔ)，借助Fluent軟件對(duì)蓄熱器傳熱模型進(jìn)行了建模，模擬分析了換熱管數(shù)量、換熱流體溫度和換熱流體流速對(duì)蓄熱器傳熱效果的影響。

1 相變材料

相變材料在除霜系統(tǒng)中起著關(guān)鍵性作用，而不同的相變材料相變蓄熱性能也不同。本文從相變材料的潛熱、密度、熱導(dǎo)率、溫度等其他方面進(jìn)行綜合考慮，選擇石蠟作為相變材料，其參數(shù)如表1所示。

表1 相變材料基本參數(shù)

2 模型建立

該模型以“焓法模型”為基礎(chǔ)，引用液相率來間接表征模擬流體的固化和熔化過程。液相率即液相物質(zhì)在整個(gè)系統(tǒng)中所占的比例。該參數(shù)可較好地反映物質(zhì)相變程度。融化過程，不斷增大；而凝固過程，會(huì)不斷減小。液相率用溫度表達(dá)為：

式中：為材料溫度，℃；T為材料凝固溫度，℃；T為材料熔化溫度，℃。

本文選取ANSYS-FLUENT軟件中的Solidification&Melting模型進(jìn)行相變蓄熱器傳熱性能研究，此模型貼切相變蓄熱器運(yùn)行時(shí)實(shí)際狀況。引進(jìn)的液相率能充分說明傳熱過程中相變材料的狀態(tài)，能夠反映出相變蓄熱器的傳熱性能。在相同的模擬時(shí)間內(nèi)，液相率變化越大，說明蓄熱器傳熱性能越好，越有利于提高系統(tǒng)的除霜性能。

2.1 物理模型

選取除霜套管的某一段為研究對(duì)象，物理模型如圖1所示。在保證相變材料和蓄熱體積不變的情況下，改變換熱管數(shù)量以及換熱流體的溫度和流速，研究不同參數(shù)對(duì)蓄熱器傳熱性能的影響。圖1中的（a）、（b）、（c）和（d）分別為對(duì)應(yīng)管數(shù)為1、2、3和4根。

圖1 不同管數(shù)下相變蓄熱器物理模型

模型中蓄熱器換熱管和外殼材料均采用銅材質(zhì)，外殼和內(nèi)部換熱器之間采用相變材料填充。在模擬過程中相當(dāng)于對(duì)兩種相變材料進(jìn)行傳熱研究。模擬過程比較復(fù)雜，制冷劑狀態(tài)在系統(tǒng)運(yùn)行中容易改變，即相變材料和換熱介質(zhì)狀態(tài)變化復(fù)雜。目前用制冷劑作為相變蓄熱器模擬中的載熱流體的模型較少，多采用水作為載熱流體。為保證模擬的可行性，本文選用液態(tài)水代替制冷劑R22。此外為了強(qiáng)化傳熱效果，增大換熱流體與相變材料溫差，模擬中選取熔點(diǎn)為511K的相變材料進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。通過293K的液態(tài)水冷卻熔點(diǎn)為511K的相變材料進(jìn)行相變材料的凝固過程模擬，并分析換熱管數(shù)量、換熱流體溫度和換熱流體流速對(duì)相變蓄熱器傳熱性能的影響，進(jìn)而分析相變蓄熱器對(duì)系統(tǒng)除霜性能的影響。

2.2 數(shù)學(xué)模型

相變材料存在固態(tài)、液態(tài)和固、液共存狀態(tài)，固、液共存狀態(tài)被定義為“模糊區(qū)”。本數(shù)學(xué)模型遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒，控制方程如下：

（1）連續(xù)性方程

（2）動(dòng)量方程

因?yàn)椤澳：齾^(qū)”的存在，在動(dòng)量方程中添加S和S，限制“模糊區(qū)”速度的發(fā)展。

（3）能量方程

2.3 邊界條件

傳熱模型管的外壁是絕熱的，因此邊界條件為：

換熱面條件為：

初始時(shí)刻條件為：

即換熱管溫度與相變材料溫度一致。

傳熱流體區(qū)域進(jìn)口邊界條件為：速度為0.4m/s，溫度為293K；出口邊界條件為：壓力大小設(shè)為相對(duì)壓力0Pa，其余默認(rèn)；壁面邊界：無速度滑移，耦合壁面邊界。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 管束數(shù)量對(duì)傳熱性能的影響

在保證蓄熱材料體積、蓄熱器體積和蓄熱材料種類不變，以及換熱流體進(jìn)口溫度、進(jìn)口流速和管距不變的情況下，增加管數(shù)研究相同時(shí)間點(diǎn)上相變材料的液相率變化情況，如圖2所示。

圖2 不同管數(shù)下液相率隨時(shí)間變化情況

從圖2可以看出：液相率均隨模擬時(shí)間的增加而降低，即在模擬時(shí)間增加的過程中，相變材料呈現(xiàn)逐漸凝固的現(xiàn)象，這是由于相變材料的熱量不斷傳遞給了換熱管內(nèi)的流體造成的；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)：在相同模擬時(shí)間下，管數(shù)越多，液相率變化越大，蓄熱器傳熱性能越好，除霜性能越好；此外，隨著管數(shù)的增加，管徑減小，液相率的變化率逐漸減小，而且實(shí)際上管數(shù)增多，管徑減小，流阻增加且制造工藝復(fù)雜，結(jié)合考慮傳熱、流阻、制造工藝的情況下，4管的傳熱效果最佳。

3.2 傳熱流體溫度對(duì)傳熱性能的影響

以4管（管距為75mm）為研究模型，流速為0.4m/s，分別將流體溫度設(shè)置為293K、283K和273K，模擬的結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同溫度下液相率變化

從圖3可以發(fā)現(xiàn)：蓄熱器的液相率隨著模擬時(shí)間的增加逐漸降低，當(dāng)傳熱流體溫度由293K降至273K時(shí)，相變材料的液相率逐漸降低，換熱管內(nèi)的流體與相變材料溫差增大，相變材料的傳熱效果增強(qiáng)；同時(shí)可以看出，隨著模擬時(shí)間的增加，傳熱流體溫度越低，相變材料的液相率變化率越大，這是由于傳熱流體與相變材料溫差增大從而換熱增強(qiáng)造成的。由此可見，傳熱流體與相變材料溫差增大，蓄熱器傳熱效果增強(qiáng)，除霜效果增強(qiáng)。

3.3 傳熱流體流速對(duì)傳熱性能的影響

以4管（管距為75mm）為研究模型，換熱流體溫度為293K，分別將流速設(shè)置為0.4m/s、1.6m/s和3.2m/s。通過改變流體流速進(jìn)行模擬，分析傳熱流體流速對(duì)蓄熱器傳熱效果的影響，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同流速下液相率變化情況

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著模擬時(shí)間的增加，相變材料的液相率在逐漸降低；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，三種流速下的液相率曲線幾乎重合，很難分清三者的差別，于是對(duì)三個(gè)速度做了差值分析，如圖5所示。

圖5 不同流速差值下液相率對(duì)比

從圖5可以看出：0.4m/s～1.6m/s曲線代表0.4m/s流速下的液相率與1.6m/s流速下的液相率之差，且這個(gè)差值為正，可見，0.4m/s下的液相率比1.6m/s下的液相率高；同理，發(fā)現(xiàn)1.6m/s下的液相率比3.2m/s下的液相率高，說明隨著流速的增大，相變材料液相率在降低，蓄熱器的傳熱效果增強(qiáng)，從而除霜效果增強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文基于Fluent軟件對(duì)蓄熱器傳熱模型進(jìn)行了建模，模擬分析了換熱管數(shù)量、換熱流體溫度和換熱流體流速對(duì)蓄熱器傳熱效果的影響。結(jié)果表明：在結(jié)構(gòu)合理的基礎(chǔ)上，增加蓄熱器內(nèi)換熱管數(shù)量可以提高傳熱性能；隨著傳熱流體的溫度與相變材料的溫差增大，蓄熱器的傳熱效果增強(qiáng)，除霜效果增強(qiáng)；流速增大，蓄熱器的傳熱效果增強(qiáng)，除霜效果增強(qiáng)。

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Simulation of Phase Change Heat Storage Defrosting Performance of Low Temperature Air Source Heat Pump

Ding Yan1,2Cai Le1Yuan Longji2

( 1.Xuhai College of China University of Mining and Technology, Xuzhou, 221008;2.School of Electrical and Power Engineering,China University of Mining and Technology, Xuzhou, 221116 )

Low temperature air source heat pump is one of the mainstream energy-saving equipment, but its development is plagued by frosting. In this paper, based on the phase change thermal storage defrosting technology, the heat transfer model of the regenerator is established with the help of FLUENT software. The influence of the number of heat exchange tubes, the temperature of the heat exchange fluid and the flow rate of the heat exchange fluid on the heat transfer effect of the regenerator is simulated and analyzed. The results show that: on the basis of reasonable structure, increasing the number of heat exchange tubes in the regenerator can improve the heat transfer performance; with the increase of the temperature difference between the heat transfer fluid and the phase change material, the heat transfer effect and defrosting effect of the regenerator are enhanced; with the increase of the flow rate, the heat transfer effect and defrosting effect of the regenerator are enhanced.

Air Source Heat Pump; Defrosting; Phase Change Material; Simulation

1671-6612（2021）03-342-05

TK02

A

江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目資助（19KJD480001）；2020年江蘇高?！扒嗨{(lán)工程”資助（20200415）；中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院一流專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目資助（YA2005）

丁 艷（1980-），女，博士研究生，副教授，E-mail：dingyan02@126.com

2020-09-07