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(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市規(guī)模的擴(kuò)大和用電結(jié)構(gòu)的改變，城市以及地區(qū)電網(wǎng)晝夜電力負(fù)荷差值越來(lái)越大，高峰負(fù)荷呈現(xiàn)了明顯的快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。蓄冷技術(shù)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(jī)啟動(dòng)制冷，利用物質(zhì)的顯熱或潛熱特性，用一定的方式將冷量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在用電高峰期，把儲(chǔ)存的冷量釋放出來(lái)，以滿足建筑物空調(diào)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(shí)段，而在白天用電高峰時(shí)段只有能耗較少的輔助設(shè)備在運(yùn)行，能起到“移峰填谷”平衡電網(wǎng)負(fù)荷的作用。作者主要從實(shí)驗(yàn)方面針對(duì)不同的蓄冷材料，對(duì)蓄冷、釋冷等性能進(jìn)行了研究以及對(duì)加了硼砂的蓄冷劑的蓄冷機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

2 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

實(shí)驗(yàn)過(guò)程包括蓄冰和釋冷過(guò)程。實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)化為：制冷部分、蓄冷部分、負(fù)荷部分（風(fēng)機(jī)盤(pán)管）及數(shù)據(jù)采集部分。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

蓄冷槽是實(shí)驗(yàn)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(pán)管的布置方式為：蓄冷盤(pán)管由21個(gè)模塊構(gòu)成，每個(gè)模塊由40根U形管并聯(lián)組成，管束順排，載冷劑采用質(zhì)量分?jǐn)?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(gè)模塊中相鄰U形管間距40 mm。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，自編程對(duì)機(jī)組運(yùn)行模式進(jìn)行自動(dòng)控制，采集的數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)顯示及歷史保存。溫度是本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要測(cè)量參數(shù)。蓄冷槽中的4個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度自記錄開(kāi)始后間隔1 min進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，1、2、3、4分別代表了蓄冷槽中各個(gè)不同點(diǎn)的溫度（即蓄冷槽內(nèi)溫度傳感器布置的位置），平均溫度是4個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度的平均值。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)置制冰時(shí)間7 h，系統(tǒng)運(yùn)行后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)即自動(dòng)采集記錄數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理。

在實(shí)驗(yàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%）。這樣做主要基于以下2個(gè)目的：1）本實(shí)驗(yàn)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(guò)程的相變機(jī)理；2）本實(shí)驗(yàn)研究的最終目的在于通過(guò)對(duì)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(duì)比實(shí)驗(yàn)，以改善系統(tǒng)性能。

3 蓄冷槽的蓄冷和釋冷特性實(shí)驗(yàn)結(jié)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(cè)點(diǎn)溫度（水）隨時(shí)間變化圖

圖3 測(cè)點(diǎn)溫度（硼砂水溶液）隨時(shí)間變化圖

蓄冷過(guò)程蓄冷槽內(nèi)各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度及平均溫度隨時(shí)間變化如圖2所示。蓄冰過(guò)程中，很明顯地分為2個(gè)階段，從0到120 min為顯熱蓄冷，從120 min到蓄冰結(jié)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(nèi)平均溫度下降速度較快，進(jìn)入相變階段后，冰沿盤(pán)管逐漸產(chǎn)生，換熱熱阻逐漸增大，進(jìn)入穩(wěn)定的相變階段。這個(gè)過(guò)程時(shí)間很長(zhǎng)，蓄冷槽內(nèi)溫度有小幅下降，但變化不明顯。從測(cè)點(diǎn)1、2、3、4的變化曲線來(lái)看，蓄冷槽內(nèi)溫度分層現(xiàn)象比較明顯，但各條曲線的變化趨勢(shì)一致，測(cè)點(diǎn)4溫度最低，約為-3.0℃，測(cè)點(diǎn)2溫度最高，約為-0.9℃。這主要是因?yàn)?個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置不同，在蓄冷過(guò)程中水的密度差引起的自然對(duì)流導(dǎo)致蓄冷槽內(nèi)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(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖，與圖2變化趨勢(shì)基本相同，蓄冷槽內(nèi)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(duì)比實(shí)驗(yàn)，從圖中可以看出：1）在相同的制冷工況下，硼砂水溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%）的溫度下降的更快。主要是因?yàn)樘砑优鹕昂笤鰪?qiáng)了水的導(dǎo)熱，提高了傳熱效率；2）水的過(guò)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(jié)冰時(shí)的核，有益于促進(jìn)冰晶的成核。因此，在蓄冷槽內(nèi)添加一定量的硼砂，有利于減小水的過(guò)冷度，增強(qiáng)蓄冷槽的傳熱特性。

3.1.2 COP的變化

圖5 蓄冷介質(zhì)為水時(shí)COP變化

圖6 蓄冷介質(zhì)為硼砂水溶液時(shí)COP變化

圖5與圖6是2種不同蓄冷介質(zhì)條件下，單位分鐘內(nèi)COP隨制冷時(shí)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(shí)間的延緩而慢慢下降，最后進(jìn)入穩(wěn)定期。蓄冷初期，制冷劑的蒸發(fā)溫度較高，壓縮機(jī)的功耗相對(duì)較小，蓄冷槽內(nèi)的蓄冷介質(zhì)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(shí)，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(yùn)行工況下提高系統(tǒng)的COP。需要說(shuō)明的是，圖中COP隨時(shí)間變化趨勢(shì)明顯不同，這與理論不相符合，分析其原因可能是流量計(jì)采集的數(shù)據(jù)波動(dòng)造成COP的變化，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中應(yīng)當(dāng)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(nèi)水溫度變化

圖8 蓄冷槽內(nèi)硼砂水溶液溫度變化

釋冷過(guò)程蓄冷槽內(nèi)各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度及平均溫度隨時(shí)間變化如圖7所示。從圖中可以看出，蓄冷槽內(nèi)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(guò)程中，也較明顯地分為2個(gè)階段，在0到70 min階段，溫度上升較慢，主要是因?yàn)獒尷涑跗谛罾洳蹆?nèi)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(nèi)的冰大部分已融化，吸收的大部分是顯熱。蓄冷槽內(nèi)的溫度分層現(xiàn)象也比較明顯，但4個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%）的溫度隨時(shí)間變化圖?？梢钥闯觯瑘D8中曲線斜率比圖7中曲線斜率大，蓄冷槽內(nèi)的溫度變化更快，釋冷初期的時(shí)間減少，由于熱負(fù)荷大，釋冷速度快，蓄冷槽內(nèi)的冰來(lái)不及融化，故當(dāng)蓄冷槽內(nèi)的平均溫度升至1℃時(shí)，蓄冷槽內(nèi)仍存在大量的冰。

通過(guò)這2個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：一方面是水中添加硼砂增強(qiáng)了蓄冷槽的傳熱性能；第二方面是釋冷時(shí)釋冷的速率比較重要，應(yīng)該把釋冷速率控制在一個(gè)合理范圍內(nèi)，以保證蓄冷槽內(nèi)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(fēng)溫度，但在實(shí)際中要做到這一點(diǎn)并不是很容易。

3.2.2 載冷劑溫度變化

圖9 載冷劑進(jìn)出蓄冷槽溫度變化（水）

圖9是在釋冷階段蓄冷介質(zhì)為水時(shí)，載冷劑的溫度隨時(shí)間變化圖。從圖中可以看出，與圖7蓄冷槽內(nèi)的測(cè)點(diǎn)溫度相對(duì)應(yīng)，載冷劑的溫度變化也可以分為2個(gè)階段，在釋冷初始階段，離開(kāi)蓄冷槽的載冷劑的溫度上升較快，經(jīng)過(guò)約10 min后，溫度基本保持穩(wěn)定在6℃，經(jīng)過(guò)70 min后，溫度再次以較快速度上升。這主要是因?yàn)樵卺尷涑跗?，盤(pán)管外壁全部與冰層直接接觸，換熱強(qiáng)度大，當(dāng)盤(pán)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(pán)管直接接觸，形成一層逐漸加厚的水層，換熱逐漸減小。當(dāng)冰繼續(xù)融化而破裂后，蓄冷槽內(nèi)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(nèi)的冰已大部分融化后，載冷劑與管外的水進(jìn)行顯熱交換，因此溫度又快速升高。進(jìn)入蓄冷槽的載冷劑溫度變化較離開(kāi)的載冷劑溫度變化穩(wěn)定，從釋冷開(kāi)始溫度基本穩(wěn)定在14℃，經(jīng)過(guò)約70 min后，溫度以較快速度上升。在一定時(shí)間內(nèi)，進(jìn)入蓄冷槽的載冷劑與離開(kāi)蓄冷槽的載冷劑的溫差基本保持穩(wěn)定在8℃。

4 結(jié)論

結(jié)合理論分析并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)小型冰蓄冷系統(tǒng)制冰、釋冷特性進(jìn)行研究，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：

1）制冰、釋冷過(guò)程中，蓄冷槽內(nèi)溫度分層現(xiàn)象比較明顯，蓄冷槽內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度的變化趨勢(shì)基本一致，蓄冰時(shí)存在較大的過(guò)冷度；蓄冷槽內(nèi)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(guò)冷度，增大水的換熱系數(shù)，增強(qiáng)蓄冷槽的換熱性能，提高系統(tǒng)COP；

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

在制冰、釋冷過(guò)程中，蓄冷槽內(nèi)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)了換熱，在保證系統(tǒng)COP的基礎(chǔ)上，有利于改善系統(tǒng)性能，如制冰、釋冷特性。

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