蓄冰球內定向凝固過程蓄冷特性的實驗研究

郭俊菲,王欣怡,宋宇佳,楊肖虎,,何雅玲

(1.西安交通大學人居環境與建筑工程學院,710049,西安;2.西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室,710049,西安)

近年來,電力需求顯著增加,且晝夜供需嚴重不平衡。建筑空調系統是電力資源的主要耗能終端之一,呈現出白天負荷高、夜晚負荷低的顯著峰谷特性。蓄冷空調技術作為一種具有重要的社會和經濟雙重效益的供冷新技術[1-2],通過利用夜間谷電相變蓄冷以削減白天峰電制冷需求,有利于電力削峰填谷。冰球蓄冷技術是冰蓄冷空調常用的一種形式,具有廣泛的應用。對相變材料(PCM)蓄冷/釋冷動態過程的熱物理特性和改善后期傳熱惡化的研究離不開對蓄冰球內凝固相變過程的深入理解。學者們對此進行了一系列實驗和數值模擬研究[3-8]。

劉圣春等搭建了多組分溶液表面凝固性能研究裝置,對純水和不同濃度氯化鈉溶液在不同材料表面的凝固特性進行了實驗研究[9]。Anish等實驗研究了不同相變材料(赤藻糖醇、棕櫚酸和硬脂酸)的凝固融化行為[10-11]。白青松等搭建了固液相變可視化測量系統,對方腔中內嵌通孔金屬泡沫的蓄冰過程開展了實驗研究,結果表明:未凝固相局部自然對流導致凝固相界面發生傾斜,呈現下部略快于上部的凝固界面[12]。王華生等對圓環形腔內的凝固問題進行研究,得到了熱阻法近似解,結果表明圓環形腔蓄冷量大而蓄冷時間又短的最佳半徑比為0.15～0.25[13]。賈敬芝通過數值模擬分析方法探究了冰球式蓄冷槽內冰球凍結和放熱特性,錯排方式能夠提高冰球在預冷階段的冷卻速率,從而降低凍結時間[14],在解凍過程中,錯排方式融冰相變過程的時間明顯小于順排方式,而融冰后的顯熱階段兩種排列方式的差異不大。張魯燕等建立了蓄冷球的封閉空間二維模型,并考慮了固相與液相的密度差的影響,通過對該球非固定融化過程的傳熱傳質數值模擬,獲得了球體內部溫度場及液相體積比隨時間變化的規律,討論了不同傳熱溫差和球徑對蓄冷時間及蓄冷特性的影響,結果表明蓄冷球半徑越大相界面移動速度越慢,融化時間顯著增加[15]。仇中柱等建立了3種不同蓄冷球球徑堆疊方式的相變蓄冷裝置模型,對其進行了數值模擬以研究其內部傳熱及相變特性,探究了不同流速和不同直徑的蓄冷球內凝固率變化[16]。陳晨等采用焓-多孔度法追蹤固液相界面,分析了蓄冷腔體尺寸和幾何形狀對凝固時間和相界面演化的影響[17]。Ling等利用VOSET和IBM耦合模型模擬凝固和融化過程的相界面變化[18]。Kant等對PCM融化和凝固過程中的傳熱過程進行了數值模擬研究,探究了恒、變(正弦)熱源對融化時間的影響[19]。Hong等對冰球式蓄冷系統相變換熱過程進行了數值優化研究,建立了單個冰球和蓄冰槽系統的流動傳熱模型,對冰球內部溫度和固液相界面變化進行了分析[20-22]。

綜上所述,眾多文獻中針對多種相變蓄能材料的凝固/融化特性進行了探究,但對于封裝純水的單個球形蓄冷單元的凝固過程和傳熱過程缺乏可視化實驗觀測。凝固相界面的動態推進特性決定了蓄冷材料溫度分布、蓄冷量隨時間的變化規律。本文以封裝純水的半球形蓄冷單元為研究對象,在恒溫冷卻條件下,對凝固過程中的相變傳熱行為進行了可視化觀測,記錄了相界面推移和溫度分布等關鍵熱過程參量,為后期冰蓄冷空調性能優化提供工程參考。

1 實驗設計

1.1 實驗方案

為了可視化觀測凝固過程中相界面的推移過程,以及探究蓄冰球內純水凝固過程的傳熱特性,設計了兩個實驗組:實驗1是可視化觀測組,實驗過程中每隔3 min進行一次拍照記錄,通過改變有機玻璃水槽中乙二醇冷媒的溫度,從而改變其所提供的冷卻邊界溫度(-5、-6、-7 ℃),實現3種實驗工況,研究不同冷卻邊界條件對蓄冰球內純水凝固過程中凝固行為特性的影響;實驗2是溫度觀測組,通過在不同半徑的同心半球內沿經線、緯線布置測點,記錄在初溫相同、冷卻邊界條件為-5、-6、-7 ℃時相變材料的溫度分布。對沿經線不同緯度和徑向測點的溫度變化作分析,揭示球體內相變介質凝固過程的換熱機理。

1.2 實驗系統

固液相變傳熱可視化實驗系統如圖1所示,該系統主要包括相變換熱裝置、冷媒循環系統、數據采集單元3大模塊。相變換熱裝置是本實驗系統的核心測試部分,冷媒循環系統為蓄冰半球提供恒定的球面溫度邊界條件,其中恒溫水浴的溫控精度為0.1 ℃。數據采集單元包括溫度采集單元和圖像采集單元。溫度采集單元記錄相變材料(純水)的實時溫度數據,圖像采集系統實時觀測并記錄凝固過程中的相界面形貌及瞬態位置。在回水管路上設有回水閥和微型磁驅動齒輪泵,供水管路上設有供水閥,在供回水管路之間還設有旁通管路。在實驗過程中,微型磁驅動齒輪泵自帶的調頻器用于調節進入水槽的乙二醇冷媒流量從而使水槽內液面保持平衡,微型磁驅動齒輪泵以及恒溫水浴自帶的循環泵用于提供冷媒循環動力。壁厚為20 mm的透明有機玻璃水槽外覆聚氨酯泡沫保溫層(導熱系數為0.02 W·m-1·K-1),用于降低冷量損失。

1—透明有機玻璃水槽;2—活動插板;3—蓄冰半球;4—圓環壓板;5—螺栓;6—溢流管;7—微型磁驅動齒輪泵;8—旁通閥;9—回水閥;10—供水閥;11—恒溫水浴;12—安捷倫數據采集儀;13—筆記本電腦;14—高清相機;15—若干熱電偶。

相變換熱測試裝置由蓄冰半球、活動插板、圓環壓板等組成。蓄冰半球為半徑40 mm、邊緣圓環10 mm的紫銅金屬半球。活動插板、圓環壓板均由高透明有機玻璃料制作而成,活動插板內部設有排液孔和排氣孔,排液孔和排氣孔與上部的溢流管進行連接,與半球殼的接邊圓環配合面上設有密封墊圈槽,并與密封墊圈進行配合。本實驗選用銅-康銅T型熱電偶(Omega-T),測量溫度范圍為-200 ℃～260 ℃,熱電偶直徑為0.255 mm,熱響應時間為0.1 s。所有熱電偶在測試前均由校準系統(Omega CL3515R)進行校準,測量不確定度估計為0.1 ℃。

溫度測量時,利用Agilent 34970A數據采集儀采集實時溫度數據,每隔1 s采集一次數據,測量誤差為±1.0 ℃。溫度測點分為兩組,一組布置于透明有機玻璃水槽內,水槽內溫度測點布置設計圖如圖2所示。水槽的X軸、Z軸方向各放置一條軟木棒,Y軸平行放置兩條軟木棒,使用AB膠與水槽固定連接,軟木棒均為40 mm,每隔10 mm布置一個熱電偶測點,將熱電偶用細絲纏繞包裹固定于軟木棒上,并用AB膠固定,將熱電偶檢測端裸露在水槽內,與乙二醇冷媒接觸。該組溫度測點將實時監測水槽內溫度均勻性,保障實驗精確性,避免由于蓄冰半球邊界冷卻條件不均勻帶來的實驗誤差。水槽內外壁面布置溫度測點,Tin和Tout分別是內壁和外壁的溫度,用作估算有機玻璃水槽的冷量損失。

圖2 水槽內溫度測點布置設計圖

另一組溫度測點布置于半球內,在半球球殼選定兩條相互垂直的經線和緯線,沿著該經/緯線每隔30°均勻布置9個溫度測點。將細木棒從孔穿入球殼內部并指向球心。在半徑R分別為10、20、30 mm的同心球面上分別布置9個溫度測點,在球心處布置一個溫度測點,共28個溫度測點。圖3給出了半球內溫度測點設計。每個溫度測點的編號及位置見表1。

圖3 半球內溫度測點設計圖及實物圖

表1 球內溫度測點編號及位置

1.3 實驗過程

把蓄冰半球內填滿蒸餾水,將蓄冰半球內的空氣通過排氣孔和溢流管排出,蓄冰半球通過活動插板與圓環壓板使用螺栓緊固。在水槽中充注質量分數為31.2%的乙二醇-水溶液(冷媒),打開恒溫水浴、關閉供回水閥、打開旁通閥,溫度設定為實驗工況所需溫度進行內循環,使部分冷媒迅速降至低溫。待降至所需溫度關閉旁通閥,打開供水閥、回水閥,打開微型磁驅動齒輪泵進行外循環,使水槽內冷媒溫度降低到所需溫度并保持恒定,將安裝好蓄冰半球的活動插板迅速放入水槽中。連通數據采集儀、筆記本電腦和高清相機并開始實驗,同時監測蓄冰半球中純水凝固過程中的相變材料的實時溫度響應、相界面形貌及瞬態位置。待觀測到蓄冰半球中純水已完全凝固且半球內球心處溫度與水槽中水溫接近,表明凝固過程已結束,實驗結束。

1.4 不確定度分析

本實驗中,主要的監測變量是蓄冰過程中的溫度變化,溫度的測量采用T型熱電偶及安捷倫數據采集器(Agilent 34970A)進行數據采集,測量過程中產生的測量誤差可按下式[23]計算

(1)

式中:δT為熱電偶測溫系統的總誤差;δTa為熱電偶在其測溫范圍內的允許誤差,Omega T型熱電偶在其測溫范圍內的允許誤差為±0.1 ℃;δTb為熱電偶補償導線誤差,T型熱電偶的補償導線誤差約等于0;δTc為儀表誤差,Agilent 34970A數據采集器對應的T型熱電偶誤差為±1.0 ℃。

綜上所述,本實驗過程中溫度測量的總誤差為

(2)

由上面的計算結果可知,采用Agilent 34970A數據采集器通過Omega T型熱電偶測量溫度的誤差為±1.0 ℃,該直接測量誤差能夠滿足實驗要求,說明實驗數據可靠性較高。

2 實驗結果討論

2.1 相界面形貌變化及推移過程

圖4給出了在冷卻邊界條件Tw為-7 ℃、初溫Ti為25 ℃工況下,充注蒸餾水的蓄冰半球從初始狀態到完全凝固整個過程中各階段固液相界面的推移過程。呈現出固液相界面隨著時間由外向內、由球面向球心逐漸推移的變化過程。

(a)0 min (b)60 min (c)84 min

由相界面可視化的結果分析,從蓄冰半球放入低溫環境開始至完全凝固,蓄冰半球內的相變材料經歷了降溫階段和凝固階段兩個階段。由圖4可見,降溫階段為從放入恒低溫環境初始時刻至60 min,凝固階段為60～192 min。

在降溫階段,隨著時間變化積累蓄冰半球內的相變材料區域逐漸呈現由球殼指向球心的錐狀渾濁體為冰漿混合物,并未凝固形成冰。由此可知,降溫階段相變材料在溫差驅動下進行冷量交換。由于銅半球具有良好的導熱性能,因此冷量迅速傳遞。在此階段中,蓄冰半球內的相變材料主要發生顯熱變化進行顯熱蓄冷,無明顯相變行為。

當60 min時球殼界面處生長出了冰層,開始進入凝固階段。在觀測面上冰層沿周向區別不明顯,厚度近似相同,這是因為在凝固階段初期重力影響不大,自然對流現象不明顯,導熱為主要熱量傳遞方式。84 min時固液相界面開始明顯變化,由圖4可看出,固液相界面大致呈圓形,由球殼至球心逐漸推移,與冷量傳遞方向一致,周向變化基本保持一致,靠近球殼處冰層顏色比靠近相界面處顏色更深,表明外層冰層更密實。在整個凝固階段中,蓄冰半球內的相變介質進行潛熱蓄冷,固液相界面隨著時間由外向內、由球面向球心處呈圓形逐漸推移。

2.2 測點溫度變化分析

2.2.1 沿徑向測點溫度變化 圖5給出了初溫25 ℃、冷卻邊界條件-7 ℃時,通過球心的徑向4個溫度測點O、A3、B3、C3的溫度變化曲線。可將溫度變化曲線分為降溫階段、凝固階段、二次降溫階段、恒溫階段4個階段。在降溫階段,球內溫度從初始溫度(室溫)在短時間內急劇下降至0 ℃,進行顯熱蓄冷。到達相變材料凝固點時,進入凝固過程,測點溫度保持不變,此時進行潛熱蓄冷。當溫度二次降低進入二次降溫階段,表明相變過程已結束,此時進行顯熱蓄冷。當球內所有溫度測點的溫度降至與冷卻邊界溫度近似時,表明蓄冷過程結束。

圖5 沿通過球心徑向方向4個溫度測點溫度變化

2.2.2 沿經線不同緯度測點溫度變化 圖6給出了初溫25 ℃、冷卻邊界條件-7 ℃時,R分別為10、20、30 mm時半球上沿經線不同緯度5個溫度測點溫度變化。由圖可見,在整個實驗記錄過程中,不同緯度的溫度測點的溫度變化規律相同,由凝固階段的局部放大圖可見,同一經線上不同緯度的測點溫度凝固階段始終保持相同,同時進入凝固階段完成相變行為。由上述分析可見,在球形相變介質相變過程中,沿經線不同緯度測點的熱物理行為特性保持基本一致,反映出重力對其內部溫度分布無顯著影響,在蓄冰半球純水凝固過程中自然對流影響微弱。

(a)R=10 mm

2.3 冷卻邊界條件的影響

圖7給出了初溫25 ℃、不同冷卻邊界條件對徑向溫度變化的影響。如圖7a所示,對于R為10 mm球面平均溫度變化,即冷卻邊界條件對其球形相變介質內部區域的凝固階段用時有顯著影響:冷卻邊界溫度越低,凝固階段用時越短,與-7 ℃相比,-5、-6 ℃工況下可分別縮短凝固階段用時55%、28.3%;-5 ℃工況下凝固階段用時近似為-7 ℃工況下的2倍,-6 ℃工況下凝固階段用時近似為-7 ℃工況下的1.5倍。在二次降溫階段,溫度下降迅速,用時近似,均為2 300 s。

(a)R=10 mm

從圖7b可以看出,-5 ℃工況下凝固階段用時近似為-7 ℃的1.5倍。圖7c給出了對于R為30 mm時,即蓄冰半球靠近冷卻邊界處,不同冷卻邊界條件的凝固階段用時相近,約為500 s。在二次降溫階段,冷卻邊界溫度越低,溫度下降速率越快,用時越短。-7 ℃最快,-6 ℃次之,-5 ℃最慢。

從圖7來看,當冷卻邊界條件為-5、-6 ℃時可明顯觀察到,在降溫至相變溫度之后出現了溫度的突變,表現出顯著的過冷現象:Tw=-5 ℃,過冷度ΔTs=-2.90 ℃;Tw=-6 ℃,過冷度ΔTs=-1.64 ℃。Tw=-7 ℃,過冷度基本消失。

3 結 論

本文通過搭建可視化球形相變蓄冷實驗系統,記錄蓄冷過程中相變介質的溫度分布和相界面推移,分析球形介質凝固相變過程的換熱機理。根據實驗結果分析,得到以下結果:

(1)蓄冰半球純水凝固過程中,固液相界面隨著時間由外向內、由球面向球心呈圓形逐漸推移。凝固階段相同時刻,冷卻邊界條件溫度越低、推移速度越快、固液相界面半徑更小、更接近于球心。

(2)在球形相變介質相變過程中,重力對其內部溫度分布無顯著影響,自然對流影響微弱。

(3)冷卻邊界條件對各區域凝固階段用時有顯著影響,冷卻邊界溫度越低,凝固階段用時越短,與-7 ℃相比,-5、-6 ℃可分別縮短凝固階段用時55%、28.3%。在冰球式冰蓄冷空調的運行過程中,蓄冷過程提供的冷卻邊界條件越低,蓄冷速率越快,蓄冷性能可進一步提高。