带引射循环的HFC134a气体水合物蓄冷实验研究

    1 概述

    蓄冷技术由于具有可改善发电机组运行状况、减少制冷机组容量、提高制冷、供冷运行的可行性、提高制冷效率和机组的使用效率等优势,对电力生产供应和制冷系统运行及用户的经济效益产生显著影响,因而在能源消费日趋紧张的今天受到重视[1]。

    气体水合物蓄冷是在特定温度和压力下,利用水与外来气体水合结晶时的相变潜热来蓄冷的蓄能方式,由于其兼具水蓄冷和冰蓄冷的优点而受到广泛关注。但气体水合物蓄冷技术在实际工程应用中首要考虑的因素是蓄冷速度和安全性,因此在空调工况下的气体水合物蓄冷材料应具有相变温度与空调工况相适应、相变潜热大、传热性能好、低压、水合反应速度快等特点。

    1982年,Oak Ridge National Laboratory的J.J.Tomlinson等人提出采用氟利昂气体水合物作为空调蓄冷材料,并采用CFC12作为工质进行了蓄冷实验[2]。由于CFC类物质破坏臭氧层而被禁用,1989年,日本学者研究了HFC134a气体水合物,并给出了HFC134a的相图[3],其相平衡温度为10℃,相平衡压力为0.415MPa,相变潜热为358kJ/kg,结晶过冷度较小,是较适宜的蓄冷介质。

    HFC134a气体水合物的生成速度较低是制约其工程应用的主要问题,提高其生成速度的主要措施是适当增大过冷度和增加振动[4],前者是增加临界尺寸的晶核数,提高晶核形成速率,而后者是增强两相之间分子的相互扩散,缩短水合物生成时间。此外为消除不凝性气体的影响需对蓄冷器抽真空以促进HFC134a气体冷凝。

    传统的强化方式是采用喷淋或搅拌来加强扰动和换热,但是在工程应用上这种装置增加了密封上的困难,易破坏蓄冷器的真空度。通过对CFC类工质的大量实验发现,在蓄冷装置中增加引射装置可以取代搅拌器的作用,强化气体水合物的生成速度,同时增强蓄冷系统的稳定性,具有不增加能量消耗和投资成本的优势。为此,进一步采用HFC134a为工质,研究了在引射器作用下的蓄、放冷工况。

    2 实验装置与实验过程

    蓄冷系统的蓄、放冷方式有直接接触和间接接触两种,考虑了在工程运用中推广的难易和工程造价等因素,选择了间接接触的蓄、放冷方案,尽管由于制冷和蓄冷间增加的换热器会影响换热效率,但是该系统可以直接与常规的压缩制冷系统连接,无需考虑改用无油压缩机或制冷管路防水等问题引起的技术改动,适用性强。

    实验装置由制冷系统、蓄冷系统、放冷系统、循环动力系统和数据采集系统组成,如图1所示。

    制冷系统由压缩机、水冷式冷凝器、节流阀和蒸发盘管组成循环管路,制冷剂采用R290;蓄冷系统的主体是蓄冷箱,为压力容器,与制冷装置之间采用间接蓄冷方式;放冷系统由风机盘管及相应管路组成;循环动力系统由主循环和辅循环组成,主循环用于连接蓄冷和放冷两系统,辅循环由引射器和相应管路组成,利用引射循环增强HFC134a与水的混合。引射器如图2所示。