直接接觸式蓄冷器蓄冷特性研究

李曉燕 劉家慶 杜世強 李 立

直接接觸式蓄冷器蓄冷特性研究

李曉燕 劉家慶 杜世強 李 立

哈爾濱商業大學能源與建筑工程學院

本文研究了直接接觸式蓄冷器的蓄冷特性，并建立直接接觸式蓄冷器的物理及數學模型，采用熱平衡法建立能量守恒方程，利用相變溫度為6℃～8℃的有機相變蓄冷介質，利用水為載冷劑，使兩者在蓄冷器內直接接觸換熱進行蓄冷。研究直接接觸式蓄冷器的蓄冷劑進口溫度與流量、載冷劑進口溫度與流量的變化對蓄冷特性影響。結果表明：蓄冷時蓄冷器的總蓄冷量隨著蓄冷劑的進口溫度的增加而增加，隨著載冷劑進口溫度的降低而增加，載冷劑的出口溫度隨著蓄冷劑和載冷劑進口流量的增加而增加。

蓄冷性能直接接觸換熱數值模擬蓄冷器

0 引言

隨著我國國民經濟的持續發展，電力需求量越來越大?？照{用能占公共建筑總能耗的40%以上[1]，蓄冷空調技術已經成為空調需求側管理的主要手段[2]。直接接觸式蓄冷器將水與有機相變蓄冷介質直接接觸，使其結構簡單，體積減小，節省材料，成本低，不僅避免了兩種工質之間的傳熱過程由換熱盤管引起的熱阻，可提高傳熱效率，而且還可提高制冷性能系數。

對直接接觸式蓄冷器的研究一直是國內外研究的熱點[3～4]。Sideman和Gat[5]研究了戊烷-水直接接觸式系統的換熱特性。結果表明，水的流率對系統換熱的影響較小。Battya和Smith[6-8]等對直接接觸式系統的換熱特性進行研究，得到一些非常有益的結果。

本文對直接接觸式蓄冷器的蓄冷特性進行研究，以有機相變材料作為蓄冷介質，將直接接觸式換熱應用到常規空調工況的蓄冷系統當中，既可以避免兩種工質在傳熱過程中由換熱盤管引起的熱阻，同時能夠提高蒸發溫度和空調性能系數，大幅度地縮小蓄冷器的體積，使其結構簡單，節省材料降低成本。本文建立直接接觸式蓄冷器的物理與數學模型，通過模擬研究直接接觸式蓄冷器蓄冷規律，獲得直接接觸式蓄冷器的蓄冷特性及性能曲線，分析影響直接接觸式蓄冷器蓄冷的因素，為直接接觸式蓄冷器的設計和運行提供參考。

1 直接接觸式蓄冷器物理模型的建立

直接接觸式蓄冷器內的換熱過程是一個復雜的兩相流動及換熱問題且有相變發生。在載冷劑水的入口和出口處設置擋流板，入口處擋流板作用是防止水流直接沖擊蓄冷介質射流柱造成流場過大的擾動，以便讓射流自然分裂成液滴；出口處擋流板的作用是防止蓄冷介質液滴在上升的過程中隨水流流出。直接接觸式蓄冷器蓄冷過程的物理模型如圖1所示。

圖1 直接接觸式蓄冷器蓄冷過程物理模型

為分析問題方便，在建立數學模型前，作以下假設：

①直接接觸式蓄冷器與外界不發生熱交換；

②蓄冷初始時刻，蓄冷器內溫度分布均勻一致；

③蓄冷介質固態與液態導熱系數、密度、比熱均為常數且不隨溫度的變化而改變；

④蓄冷介質無過冷現象發生；

⑤由于蓄冷介質液滴很小其內部傳熱以導熱方式進行，忽略自然對流的影響；

⑥不考慮蓄冷介質液滴無再次聚合與分裂現象；

⑦載冷劑控制體內的平均溫度為入口和出口溫度的平均溫度。

直接接觸式蓄冷器的高度為480mm，截面為200 mm×200mm，蓄冷時，蓄冷器內水面高度為300mm，蓄冷介質自蓄冷器底部的噴嘴噴入分散成液滴，與載冷劑水直接接觸換熱，使蓄冷介質逐漸降溫至凝固，載冷劑水由下部的入口進入吸收蓄冷介質凝固放出的熱量后從出口離開。

2 直接接觸式蓄冷器數學模型的建立

2.1 載冷劑側數學模型

采用熱平衡法建立載冷劑側控制節點的能量守恒方程，對載冷劑側一維非穩態導熱內部節點進行離散，如圖2所示。

圖2載冷劑側一維非穩態導熱內部節點離散示意圖

載冷劑側控制節點的能量守恒方程：

控制微元體內載冷劑能量增加=載冷劑帶入的能量—載冷劑帶出的能量—控制體內蓄冷介質液滴吸收的能量。

對節點P(m,n)上述表達式的一維非穩態數學描寫為：

式（1）的向前差分格式為：

式中：Tp代表控制體內平均溫度，k和k+1為連續的時刻。根據假設⑦有：

式中：Q為蓄冷劑流量，m3/s；Qρ為載冷劑密度，kg/m3；Cρ為蓄冷器寬度，m；m為載冷劑比熱容，J/(kg·K)；m為載冷劑質量流量，kg/s；Tin，Tout為控制體的入口與出口溫度，℃；v為單個蓄冷介質液滴體積，m3；Φ為載冷劑控制體與單個蓄冷介質液滴的換熱量，W。

2.2 蓄冷介質液滴側數學模型的建立

采用元體平衡法建立傳熱控制方程，將蓄冷介質液滴內部離散成步長為△r的m個同心球，定義球心處節點為0號，沿半徑方向依次遞增，最外層節點為m號。如圖3所示。

圖3 蓄冷介質液滴內空間離散圖

任一控制微元體滿足：元體能量的增加=導入熱量—導出熱量+內熱源產生熱量。本文所研究的蓄冷介質液滴無內熱源，因此第i號控制節點傳熱方程為：

式中：K為蓄冷介質導熱系數，W/(m·K)；Fy,i-1，Fy,i分別為第i號控制節點的左右邊界面積，m2；ρ為蓄冷介質密度，kg/m3；Cρ為蓄冷介質比熱容，J/(kg·K)；VI為第i號控制節點的體積，m3。

氣相色譜條件：色譜柱為Agilent SP-2560毛細管柱（100 m×0.25 mm×0.2 μm），升溫程序起始70 ℃，以50 ℃/min升至140 ℃保持1 min，4 ℃/min升至180 ℃，保持1 min，3 ℃/min升至225 ℃，保持30 min；進樣口溫度260 ℃；進樣量1 μL，分流比45：1，柱流量1 mL/min，載氣為氮氣。

其中：

第m號節點的能量平衡方程式為：

整理后得m號節點n+1時刻溫度為：

式中：Φ為蓄冷介質液滴與水之間的對流換熱量，數學方程為：

式中：r為蓄冷介質液滴直徑，m；h為蓄冷介質液滴與水之間的對流換熱系數，W/(m2·K)；Tw為載冷介質水的溫度，℃；Tr為蓄冷介質液滴表面溫度，℃。

3 蓄冷過程模擬結果與分析

蓄冷過程中各變量的初始參數設置如下：蓄冷劑進口溫度為12℃，蓄冷劑進口流量為34.29cm3/s；載冷劑進口溫度為1℃，載冷劑進口流量為35.32cm3/s。

研究蓄冷劑進口溫度，進口流量；載冷劑進口溫度，進口流量對直接接觸式蓄冷器蓄冷性能的影響。各蓄冷工況變量的取值如表1。

表1 蓄冷各工況變量取值

3.1 蓄冷劑對蓄冷量和出口溫度的影響

1）蓄冷劑進口溫度對蓄冷器蓄冷量的影響。圖4是蓄冷過程蓄冷劑進口溫度不同時載冷劑的出口溫度隨時間的變化關系。從圖中可以看出，載冷劑出口溫度在蓄冷開始階段上升較快，然后逐漸變緩直至到某一恒定溫度。這是因為在蓄冷開始時蓄冷器內水溫分布均勻，當大量的蓄冷劑噴入到載冷劑中進行直接接觸換熱時，兩者之間的溫差較大熱交換較強，一段時間后蓄冷器內的水溫出現垂直分層現象，熱交換減弱，出口溫度上升的趨勢變緩。當噴入的蓄冷劑蓄冷所需冷量與載冷劑帶入的冷量相平衡時，載冷劑出口溫度維持不變。

圖4 蓄冷劑進口溫度不同時蓄冷器蓄冷量隨時間變化

圖5 蓄冷劑進口流量不同時載冷劑出口溫度隨時間變化

3.2 載冷劑對蓄冷量和出口溫度的影響

1）載冷劑進口溫度對蓄冷器蓄冷量的影響。圖6是載冷劑的進口溫度不同時出口溫度隨時間的變化。由圖可知，載冷劑出口溫度在蓄冷開始階段上升較快，然后逐漸變緩直至到某一恒定溫度。這是因為在蓄冷開始時蓄冷器內水溫分布均勻，當大量的蓄冷劑噴入到載冷劑中進行直接接觸換熱時，兩者之間的溫差較大熱交換較強，所以出口溫度上升較快；一段時間后蓄冷器內的水溫出現垂直分層現象，熱交換減弱，出口溫度上升的趨勢變緩。當噴入的蓄冷劑蓄冷所需冷量與載冷劑帶入的冷量相平衡時，載冷劑出口溫度維持不變。

圖6 載冷劑進口溫度不同時蓄冷器蓄冷量隨時間變化

2）載冷劑進口流量對載冷劑出口溫度的影響。圖7是蓄冷過程載冷劑進口溫度不同時，直接接觸式蓄冷器內蓄冷量隨時間的變化關系。由圖分析可知，載冷劑的入口溫度越低在同一時刻蓄冷器內儲存的冷量越多，以蓄冷過程進行到100s為例，在載冷劑進口溫度為1℃、2℃、3℃時，蓄冷器內儲存的冷量分別為579.536kJ、495.717 kJ、417.416 kJ，與進口溫度為1℃時相比，蓄冷量分別降低了14.46%、15.80%。

圖7 載冷劑進口流量不同時載冷劑出口溫度隨時間變化

4 結論

本文首先建立直接接觸式蓄冷器的蓄冷模型，分別在載冷劑側和蓄冷介質液滴側建立數學模型，對直接接觸式蓄冷器蓄冷過程進行數值模擬，分別研究了蓄冷劑進口溫度與流量、載冷劑進口溫度與流量的變化對直接接觸式蓄冷器蓄冷性能的影響。結果表明：

1）蓄冷時蓄冷劑的進口溫度越大，蓄冷器蓄冷率越大，總蓄冷量越多。

2）蓄冷劑進口溫度不能過度增加，否則蓄冷劑不能凝固，無法利用蓄冷劑潛熱比顯熱大得多這一特性，造成蓄冷器蓄冷密度過低。

3）蓄冷時載冷劑進口溫度越低，總蓄冷量越多。

4）蓄冷時蓄冷器的蓄冷量隨著載冷劑入口流量的增加而增加。但載冷劑的流量增加可能會造成部分冷量的損失及泵功率的增加，從而使運行成本增加，因此應適當地提高流量。

[1]王寶龍,石文星,李先庭.空調蓄冷技術在我國的研究進展[J].暖通空調,2010,40(6):6-12

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Study on Cool Stora ge Cha ra c te ris tic of Dire c t-c onta c t Cool Stora ge De vic e

LI Xiao-yan,LIU Jia-qing,DU Shi-qiang,LI Li
School of Energy and Civil Engineering,Harbin University of Commerce

The cold storage characteristic of direct-contact cool storage device was investigated.Moreover,the physical and mathematical model of direct-contact cool storage device was established.Energy conservation equation was established using heat balance method.The phase change temperature of organic PCM is 6℃～8℃and the secondary refrigerant is water.The heat exchanges directly in direct-contact cool storage device.This article mainly studied the effect of inlet temperature and flow rate of coolant on cool storage characteristic.And the effect of inlet temperature and flow rate of secondary refrigerant on cool storage characteristic.The results show that:the cool storage capacity increases with the increasing inlet temperature of coolant and the decreasing inlet temperature of secondary refrigerant. The water-out temperature of secondary refrigerant increases with the increasing flow rate of coolant and the increasing secondary refrigerant.

cool storage performance,direct contact heat exchange,numerical simulation,cool storage device

1003-0344（2014）04-001-4

2013-5-28

李曉燕（1962～），女，博士，教授；黑龍江省哈爾濱市松北區學海街1號哈爾濱商業大學能源與建筑工程學院（150028）；E-mail:mylxy6168@sina.com

黑龍江省自然科學基金項目（No.E200822）；國家自然科學基金（青年基金）項目（No.50606007）；黑龍江省研究生創新科研項目（No.YJSCX2012-144HLJ）