直接蒸发式三套管蓄能换热器的蓄冷特性

　　随着经济的快速发展，商业用电大幅度增加，每年增加幅度约10% ～20%. 近年来的总装机容量不断增长，截至 2008 年底全国发电装机容量达到 7. 1 亿 kW[1]. 为缓解高峰电力严重不足，蓄冷空调是电力需求实现“移峰填谷”最有效手段之一. 目前，国内外蓄冷技术主要集中在对冰蓄冷的研究与设备开发[2 -3]，利用水的相变蓄冷，相变温度为0 ℃，因此要求制冷剂蒸发温度较低，影响机组效率，而且该系统只能蓄冷，不能蓄热，有时为了蓄热不得不采用另外一套装置，系统复杂. 为此，本文采用相变温度为6 ℃的有机相变材料，结合三套管蓄能换热器，能同时解决空调系统夏季常规冷机蓄冷、冬季太阳能蓄热、将多源热泵与蓄能有机结合. 通过三套管蓄能换热器可以组成三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统[4].虽然众多研究者对相变换热器开展了深入研究[5 -11]，但由于三套管蓄能换热器结构的特殊性，其换热机理研究还未见报道.

　　1 三套管蓄能换热器结构

　　三套管蓄能换热器单个换热单元见图1，其内管为制冷剂，中间层为相变蓄能材料，外管为水，通过制冷剂/相变蓄能材料换热实现夏季蓄冷，冬季取热; 而相变蓄能材料/水之间的换热实现夏季释冷，冬季蓄热.冬季蓄热的来源可以是太阳能等低位热源，这样通过管路转换，三套管相变蓄能器既是夏季供冷工况的蓄冷装置，也是冬季供热工况的蓄热装置，简化了系统. 相变材料的选择要满足蓄冷和蓄热的要求.一般而言，冬季设计条件下的太阳能集热低温热水为15 ～20 ℃，夏季供冷设计水温为8 ～ 10 ℃，选择有机相变材料RT6，其相变温度为6℃ ，导热系数为0. 4 W / ( m·K) ，蓄热量在1 ～ 11 ℃范围为183 kJ/kg.

　　2 三套管蓄能换热器数学模型

　　2. 1 外层水侧的数学模型

　　外层水的任一微元可以建立方程

　　式中: us为水流速，m/s; hs为水的焓，kJ/kg; d1为外层水套管的内管壁直径，m; d2为外层水套管的外 管 壁 直 径，m; αs为水对流换热系数，W / ( m2·℃) ; θp为 PCM 的温度，℃; θs为外层水的结点温度，℃.2. 2 相变材料层的数学模型.

　　根据圆柱形对称的特点，即各个半径方向上温度场相同，因此圆柱形蓄热体的温度场分布可看作是二维的，即沿径向( 圆柱半径方向) 和轴向( 流体流动方向) ，取环形的微元体，见图 2.

　　根据焓法模型的微分方程，建立 PCM 微元体能量控制方程:

　　将焓转换为温度，其转化关系式为

　　相变的影响包含在式( 3) 中，其中 θm为相变温度，因为焓 h 中也包含了相变潜热 Hm.