三套管相變蓄能換熱器蓄釋能性能實驗研究

摘 要

摘要：介紹了三套管相變蓄能換熱器結(jié)構(gòu)，建立了實驗臺，對其蓄釋能性能進行了研究。對實驗結(jié)果進行回歸擬合，擬合結(jié)果與實驗值的相對誤差在可接受范圍。三套管相變蓄能換熱器可實現(xiàn)
摘要：介紹了三套管相變蓄能換熱器結(jié)構(gòu)，建立了實驗臺，對其蓄釋能性能進行了研究。對實驗結(jié)果進行回歸擬合，擬合結(jié)果與實驗值的相對誤差在可接受范圍。三套管相變蓄能換熱器可實現(xiàn)有效的換熱，蓄釋能性能優(yōu)良。
關(guān)鍵詞：三套管相變蓄能換熱器；相變材料；蓄釋能性能
Experimental Study on Energy Storage and Release Performance of Triple-sleeve Phase-change Energy Storage Heat Exchanger
YANG Lingyan，ZHOU Quan，NI Long，YAO Yang
Abstract：The structure of triple-sleeve phase-change energy storage heat exchanger is introduced，the experimental bench is established，and energy storage and release performance of the heat exchanger is studied.The experimental results are regressively fit，and the relative error between the fitting result and the experimental data is within acceptable range.The triple-sleeve phase-change energy storage heat exchanger can achieve effective heat exchange，with excellent energy storage and release performance.
Key words：triple-sleeve phase-change energy storage heat exchanger；phase-change material；energy storage and release performance
1 換熱器結(jié)構(gòu)及實驗臺
    三套管相變蓄能換熱器是一種新型的集成節(jié)能設(shè)備，與普通套管換熱器相比，增加了安裝在內(nèi)外管間的中間層相變材料，將普通套管換熱器換熱功能與相變材料的蓄熱功能有機地結(jié)合。三套管相變蓄能換熱器結(jié)構(gòu)見圖1，三套管具體結(jié)構(gòu)見圖2。對于三套管，制冷劑走內(nèi)管管程，水走外管殼程，相變材料填充在內(nèi)外管間的中間層內(nèi)。
    三套管相變蓄能換熱器是將蓄能與換熱集成為一體的裝置，可以將太陽能和空氣等多種可再生能源整合后，共同作為熱泵的低位熱源[1]，是彌補太陽能熱泵與空氣源熱泵不足的有效手段[2～3]。與空氣源熱泵、太陽能熱水系統(tǒng)集成，通過閥門切換可以實現(xiàn)多種運行模式[1]。
    三套管相變蓄能換熱器既是換熱器又是蓄能裝置，因此需要驗證其蓄釋能性能。本文通過實驗，驗證三套管相變蓄能換熱器的蓄釋能性能。
    三套管相變蓄能換熱器蓄釋能性能實驗臺(設(shè)備設(shè)置見圖3)由3部分組成[4]：一是由三套管相變蓄能換熱器作為蒸發(fā)器的制冷系統(tǒng)；二是由加熱水箱、電加熱器等組成的環(huán)路，為三套管相變蓄能換熱器提供熱水；三是由風(fēng)冷冷水機組、電加熱器等組成的環(huán)路，為換熱器提供冷卻水。
    在換熱器、三套管相變蓄能換熱器進出口設(shè)置溫度計，在換熱器出口、加熱水箱進口設(shè)置流量計，采用電功率表測量三套管相變蓄能換熱器所在環(huán)路壓縮機的功率。選用已經(jīng)商業(yè)化的相變材料——RT6，融化溫度為9℃，凝固溫度為6℃，相變潛熱為183kJ/kg，熱導(dǎo)率為0.4W/(m·K)。
 

2 運行模式
   三套管相變蓄能換熱器可實現(xiàn)的3種基礎(chǔ)運行模式為蓄冷模式、蓄能熱泵供熱模式、同時蓄釋熱的供熱模式。
   ① 蓄冷模式
   在蓄冷模式中，三套管相變蓄能換熱器(作為蒸發(fā)器)外管殼程的水不流動，三套管中3種介質(zhì)的初始溫度均為12℃。相變材料與制冷劑換熱，將冷量儲存在相變材料中。在換熱器(作為水冷式冷凝器)內(nèi)，制冷劑與冷卻水換熱，換熱器進水溫度由風(fēng)冷冷水機組、電加熱器控制在30℃。
    在蓄冷模式后隨即進行取冷實驗，在三套管相變蓄能換熱器中，熱水(由加熱水箱提供)與相變材料換熱，取走蓄冷量。
   ② 蓄能熱泵供熱模式
   在進行蓄能熱泵供熱前，進行蓄熱實驗。制冷劑未循環(huán)，由加熱水箱向三套管相變蓄能換熱器提供20℃的熱水，將熱量儲存在相變材料中。
    在蓄能熱泵供熱模式中，三套管相變蓄能換熱器(作為蒸發(fā)器)外管殼程的水同樣不流動，三套管中3種介質(zhì)的初始溫度均為20℃。制冷劑將相變材料中儲存的熱量取出。在換熱器(作為水冷式冷凝器)中，制冷劑與冷卻水換熱，換熱器進水溫度由風(fēng)冷冷水機組、電加熱器控制在40℃。
   ③ 同時蓄釋熱的供熱模式
   在同時蓄釋熱的供熱模式中，流經(jīng)三套管相變蓄能換熱器外管殼程的是由加熱水箱提供的熱水，相變材料在吸收熱水的熱量同時，還向制冷劑放熱。在換熱器(作為水冷式冷凝器)中，制冷劑與冷卻水換熱，換熱器進水溫度由風(fēng)冷冷水機組、電加熱器控制在40℃。
3 實驗結(jié)果及分析
3.1 實驗?zāi)康?/span>
    實驗主要針對以上3種運行模式，并對實驗結(jié)果進行擬合。擬合對象為：換熱器中制冷劑放熱流量，壓縮機的功率P(單位為W，由電功率表測得)，取冷實驗下的取冷流量，蓄熱實驗下的蓄熱流量，同時蓄釋熱供熱模式下熱水放熱流量。
換熱器中制冷劑放熱流量Φc的計算式為：
 
式中Φc——制冷劑放熱流量，W
    q——冷卻水實測流量，m3/s
    cp——水的比定壓熱容，J/(kg·K)，取4200J/(kg·K)
    p——水的密度，kg/m3，取1000kg/m3
    to、ts——換熱器的實測出水、進水溫度，℃
    η——換熱效率，考慮到換熱器較小，因此取0.95
    取冷實驗下的取冷流量Φg，蓄熱實驗下的蓄熱流量Φs，同時蓄釋熱供熱模式下熱水放熱流量Φc,w的計算式均為：
    Φg=Φs=Φc,w=qwcpρ(ts,t-to,t)
式中Φg——取冷實驗下的取冷流量，W
    Φs——蓄熱實驗下的蓄熱流量，W
    Φc,w——同時蓄釋熱供熱模式下熱水放熱流量，W
    qw——熱水實測流量，m3/s
    ts,t、to,t——進、出三套管相變蓄能換熱器的熱水溫度，℃
3.2 擬合結(jié)果及分析
   ① 蓄冷模式
   由實驗結(jié)果擬合的蓄冷模式下Φc、P回歸曲線見圖4。由圖4可知，在壓縮機開機的第1min，由于制冷循環(huán)剛開始，而且換熱過程也需要消耗時間，因此換熱器進出水溫度相差不大，Φc也很小。在運行過程中P隨著冷凝壓力、蒸發(fā)壓力的下降而逐漸降低。
 

    Φc與P之差即為相變材料蓄冷流量(回歸曲線見圖5)，由于前2min實驗數(shù)據(jù)不穩(wěn)定且存在Φc＜P的情況，因此曲線從第2min給出。隨著運行時間的推移，壓縮機逐漸穩(wěn)定運行，制冷劑與相變材料的換熱流量不斷增大，初期提取的熱量為液態(tài)相變材料的液相顯熱，當(dāng)相變材料溫度進入相變區(qū)間時，制冷劑取出的熱量為相變潛熱。
 

    在蓄冷完成后，壓縮機停機，立即開始取冷實驗。由實驗結(jié)果擬合的Φg回歸曲線見圖6。由圖6可知，取冷實驗持續(xù)時間為19min，在5～11min，Φg的變化相對前后兩個時間段要平緩，因此這一時段相變材料處于相變釋冷階段。在19min后，由于相變材料與熱水的溫差較小，因此釋冷緩慢，此時取冷量已經(jīng)達到蓄冷量的90%?？紤]到取冷時間較短，以及存在熱損失等因素影響，因此可以基本認定：三套管相變蓄能換熱器在蓄釋能過程中能量是基本守恒的。
    持續(xù)40min的蓄冷量，在19min內(nèi)即可以完成90%的提取，這是由于在設(shè)計三套管相變蓄能換熱器時，受紫銅管實際尺寸的限制，三套管的外管直徑要大于設(shè)計值，導(dǎo)致外管殼程的熱水流量較大，取冷速率較快。尤其在取冷剛開始的時刻，熱水與相變材料溫差很大，因此取冷流量也很大。隨著熱水與相變材料之間溫差的減小，取冷速率變緩。
 

   ② 蓄能熱泵供熱模式
   在進行蓄能熱泵供熱前，進行蓄熱實驗。由實驗結(jié)果擬合的相變材料Φs的回歸曲線見圖7。由圖7可知，蓄熱實驗時間為25min，在4～13min，Φs的變化相對前后兩個時間段要平緩，因此這一時段處于相變蓄熱階段。此后，由于熱水與相變材料之間的溫差越來越小，因此蓄熱也十分緩慢。當(dāng)蓄熱時間達到25min時，雖然仍然有蓄熱進行，但是由于蓄熱速率太低，故終止蓄熱實驗，進入蓄能熱泵供熱實驗階段。
    由實驗結(jié)果擬合的蓄能熱泵供熱模式下Φc、P回歸曲線見圖8。與蓄冷模式相比較，由于冷凝溫度的升高，壓縮機的功率增大。Φc的變化趨勢與蓄冷模式類似，但是由于初始溫度高于蓄冷模式，相變材料相應(yīng)可提取的液態(tài)顯熱量增加。因此，蓄能熱泵供熱模式在達到與蓄冷模式相同的蒸發(fā)壓力水平時，所用時間相應(yīng)延長。

   將圖8中的Φc與P相減，得到蓄能熱泵供熱模式下相變材料的釋熱流量，回歸曲線見圖9。由于前2min實驗數(shù)據(jù)不穩(wěn)定且存在Φc＜P的情況，因此曲線從第2min給出。與圖7比較，在蓄能熱泵供熱模式運行56min后，制冷系統(tǒng)取走了儲存在相變材料中94.6%的熱量。

③ 同時蓄釋熱的供熱模式
    由實驗結(jié)果得到的同時蓄釋熱的供熱模式下Φc、Φc,w、P的擬合值分別穩(wěn)定在1414、1014、351W。Φc的擬合值為1414W，與實驗值的相對誤差為-5.5%～3.4%。Φc,w的擬合值為1014W，與實驗值的相對誤差為-5.7%～4.7%。P的擬合值為351W，與實驗值的相對誤差為-1.5%～1.5%。
4 結(jié)論
    ① 在蓄冷模式中，儲存40min的冷量，在19min內(nèi)即可以完成90%的提取，隨著熱水與相變材料之間溫差的減小，取冷速率變緩。在蓄能熱泵供熱模式中，儲存25min的熱量，在56min內(nèi)取出94.6%。取冷和蓄熱過程進行的時間較短，是由于三套管相變蓄能換熱器外管殼程尺寸偏大、熱水流速較高造成的。
    ② 擬合值與實驗值的相對誤差在可接受范圍。
    ③ 三套管相變蓄能換熱器可實現(xiàn)有效的換熱，蓄釋能性能優(yōu)良。
參考文獻：
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[4] 楊靈艷，倪龍，姚楊，等.三套管蓄能型太陽能和空氣源熱泵集成系統(tǒng)可行性實驗[J].太陽能學(xué)報，2010，31(9)：1168-1172.
 
(本文作者：楊靈艷1 周權(quán)2 倪龍3 姚楊3 1.中國建筑科學(xué)研究院 北京 100013；2.中國中元國際工程公司 北京 100089；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150090)