低温相变蓄冷系统放冷特性的研究

    目前国内外蓄冷技术主要应用在建筑物的空调方面[1~2],随着蓄冷技术的逐步发展,有望扩展其应用范围。在工业制冷领域,我国年耗电在10亿kWh以上,是个用电大户,因此工业蓄冷的开发具有很大的潜力[3]。低温相变蓄冷就是针对啤酒工业冷冻站巨大的电费开支以及目前峰谷分时电价的政策而提出来的。

    低温蓄冷系统的设计要求透彻地了解蓄冷槽的放冷过程,避免用冷不合理造成高峰期间放冷能力不足。因此对放冷过程的准确了解对于制定优化运行方案来说是至关重要的。研究水平管外的放冷特性旨在为低温蓄冷系统的运行提供参考。

    1 实验装置及过程

    在内部空间为385mm×335mm×445mm的蓄冷槽中水平等间距顺排布置了7根16.0mm×2mm的无缝钢管,布置方式见图1。在蓄冷槽中载冷剂进出口处、蓄冷槽内部溶液空间、换热盘管壁处布置了一些温度测点,采用直径为0.2mm的铜-康铜热电偶作为温度传感器,并引入温度采集系统进行数据采集。其中测点A、B、C用于测量距离盘管中心5mm处蓄冷材料的温度变化;D~G用于测量沿蓄冷槽高度方向的蓄冷材料的温度变化;H~K用于测量中管周围的蓄冷材料的温度变化。

    实验采用的蓄冷材料为质量浓度为19.9%的氯化钾溶液,载冷剂采用质量浓度为40%的酒精溶液,其凝固温度为-29.5℃。

    图2所示为放冷系统的示意图,进入蓄冷槽的载冷剂流量由旁通阀k2控制,由浮子式流量计6监测。进入蓄冷槽的载冷剂温度由载冷剂箱中的电加热器4的通断进行控制,电加热器的通断由温控器5接受铂电阻的信号来控制,由调压器调节加热功率的大小。

    融冰实验时关闭制冷系统,启动循环泵7,打开加热器4将酒精溶液加热(模拟热负荷)。将温控器的控制温度调整到本次实验工况设定的取冷温度值,调节加热器功率和旁通阀K2开度,使进入蓄冷槽酒精溶液的温度和流量分别达到实验工况(见表1)。每1分钟由AdvantechVisiDAQ程序自动记录一次各个测点的温度值,每15分钟记录一次蓄冷槽液位,当液位降至最低时,停止各项记录,本次放冷实验结束。

    2 实验结果和分析

    2.1 释冷率和释冷量

    (1)释冷率

    释冷率是指在单位时间内蓄冷槽中释放的冷量。

    式中:qi-i时刻蓄冷槽的瞬时蓄冷率,kW;ρ-载冷剂密度,kgPm³;qV-载冷剂体积流量,m³Ps;cp-载冷剂的比热,kJP(kg•K);vTi=Ti-To,i时刻蓄冷槽中载冷剂的进出口温差。

    图3所示为流量为1.24m³Ph,不同进口温度时释冷率随时间的变化关系。从图中可以看出,载冷剂进口温度越高,潜热释冷阶段释冷率越大,放冷所需得时间越短。随着冰的融解,水层逐渐增厚,载冷剂与冰之间通过液态蓄冷材料的导热热阻增大,但封闭液相层内自然对流增强。当进口温度为-5℃,-2.8℃时两者可相互抵消,释冷率基本维持不变,取冷较稳定;当进口温度为-1℃,1.5℃较高时,融冰较快,自然对流的增强不足以抵消液相层热阻的增大,释冷率逐渐减小。