三套管相变蓄能换热器蓄释能性能实验研究

摘 要

摘要：介绍了三套管相变蓄能换热器结构，建立了实验台，对其蓄释能性能进行了研究。对实验结果进行回归拟合，拟合结果与实验值的相对误差在可接受范围。三套管相变蓄能换热器可实现
摘要：介绍了三套管相变蓄能换热器结构，建立了实验台，对其蓄释能性能进行了研究。对实验结果进行回归拟合，拟合结果与实验值的相对误差在可接受范围。三套管相变蓄能换热器可实现有效的换热，蓄释能性能优良。
关键词：三套管相变蓄能换热器；相变材料；蓄释能性能
Experimental Study on Energy Storage and Release Performance of Triple-sleeve Phase-change Energy Storage Heat Exchanger
YANG Lingyan，ZHOU Quan，NI Long，YAO Yang
Abstract：The structure of triple-sleeve phase-change energy storage heat exchanger is introduced，the experimental bench is established，and energy storage and release performance of the heat exchanger is studied.The experimental results are regressively fit，and the relative error between the fitting result and the experimental data is within acceptable range.The triple-sleeve phase-change energy storage heat exchanger can achieve effective heat exchange，with excellent energy storage and release performance.
Key words：triple-sleeve phase-change energy storage heat exchanger；phase-change material；energy storage and release performance
1 换热器结构及实验台
    三套管相变蓄能换热器是一种新型的集成节能设备，与普通套管换热器相比，增加了安装在内外管间的中间层相变材料，将普通套管换热器换热功能与相变材料的蓄热功能有机地结合。三套管相变蓄能换热器结构见图1，三套管具体结构见图2。对于三套管，制冷剂走内管管程，水走外管壳程，相变材料填充在内外管间的中间层内。
    三套管相变蓄能换热器是将蓄能与换热集成为一体的装置，可以将太阳能和空气等多种可再生能源整合后，共同作为热泵的低位热源[1]，是弥补太阳能热泵与空气源热泵不足的有效手段[2～3]。与空气源热泵、太阳能热水系统集成，通过阀门切换可以实现多种运行模式[1]。
    三套管相变蓄能换热器既是换热器又是蓄能装置，因此需要验证其蓄释能性能。本文通过实验，验证三套管相变蓄能换热器的蓄释能性能。
    三套管相变蓄能换热器蓄释能性能实验台(设备设置见图3)由3部分组成[4]：一是由三套管相变蓄能换热器作为蒸发器的制冷系统；二是由加热水箱、电加热器等组成的环路，为三套管相变蓄能换热器提供热水；三是由风冷冷水机组、电加热器等组成的环路，为换热器提供冷却水。
    在换热器、三套管相变蓄能换热器进出口设置温度计，在换热器出口、加热水箱进口设置流量计，采用电功率表测量三套管相变蓄能换热器所在环路压缩机的功率。选用已经商业化的相变材料——RT6，融化温度为9℃，凝固温度为6℃，相变潜热为183kJ/kg，热导率为0.4W/(m·K)。
 

2 运行模式
   三套管相变蓄能换热器可实现的3种基础运行模式为蓄冷模式、蓄能热泵供热模式、同时蓄释热的供热模式。
   ① 蓄冷模式
   在蓄冷模式中，三套管相变蓄能换热器(作为蒸发器)外管壳程的水不流动，三套管中3种介质的初始温度均为12℃。相变材料与制冷剂换热，将冷量储存在相变材料中。在换热器(作为水冷式冷凝器)内，制冷剂与冷却水换热，换热器进水温度由风冷冷水机组、电加热器控制在30℃。
    在蓄冷模式后随即进行取冷实验，在三套管相变蓄能换热器中，热水(由加热水箱提供)与相变材料换热，取走蓄冷量。
   ② 蓄能热泵供热模式
   在进行蓄能热泵供热前，进行蓄热实验。制冷剂未循环，由加热水箱向三套管相变蓄能换热器提供20℃的热水，将热量储存在相变材料中。
    在蓄能热泵供热模式中，三套管相变蓄能换热器(作为蒸发器)外管壳程的水同样不流动，三套管中3种介质的初始温度均为20℃。制冷剂将相变材料中储存的热量取出。在换热器(作为水冷式冷凝器)中，制冷剂与冷却水换热，换热器进水温度由风冷冷水机组、电加热器控制在40℃。
   ③ 同时蓄释热的供热模式
   在同时蓄释热的供热模式中，流经三套管相变蓄能换热器外管壳程的是由加热水箱提供的热水，相变材料在吸收热水的热量同时，还向制冷剂放热。在换热器(作为水冷式冷凝器)中，制冷剂与冷却水换热，换热器进水温度由风冷冷水机组、电加热器控制在40℃。
3 实验结果及分析
3.1 实验目的
    实验主要针对以上3种运行模式，并对实验结果进行拟合。拟合对象为：换热器中制冷剂放热流量，压缩机的功率P(单位为W，由电功率表测得)，取冷实验下的取冷流量，蓄热实验下的蓄热流量，同时蓄释热供热模式下热水放热流量。
换热器中制冷剂放热流量Φc的计算式为：
 
式中Φc——制冷剂放热流量，W
    q——冷却水实测流量，m3/s
    cp——水的比定压热容，J/(kg·K)，取4200J/(kg·K)
    p——水的密度，kg/m3，取1000kg/m3
    to、ts——换热器的实测出水、进水温度，℃
    η——换热效率，考虑到换热器较小，因此取0.95
    取冷实验下的取冷流量Φg，蓄热实验下的蓄热流量Φs，同时蓄释热供热模式下热水放热流量Φc,w的计算式均为：
    Φg=Φs=Φc,w=qwcpρ(ts,t-to,t)
式中Φg——取冷实验下的取冷流量，W
    Φs——蓄热实验下的蓄热流量，W
    Φc,w——同时蓄释热供热模式下热水放热流量，W
    qw——热水实测流量，m3/s
    ts,t、to,t——进、出三套管相变蓄能换热器的热水温度，℃
3.2 拟合结果及分析
   ① 蓄冷模式
   由实验结果拟合的蓄冷模式下Φc、P回归曲线见图4。由图4可知，在压缩机开机的第1min，由于制冷循环刚开始，而且换热过程也需要消耗时间，因此换热器进出水温度相差不大，Φc也很小。在运行过程中P随着冷凝压力、蒸发压力的下降而逐渐降低。
 

    Φc与P之差即为相变材料蓄冷流量(回归曲线见图5)，由于前2min实验数据不稳定且存在Φc＜P的情况，因此曲线从第2min给出。随着运行时间的推移，压缩机逐渐稳定运行，制冷剂与相变材料的换热流量不断增大，初期提取的热量为液态相变材料的液相显热，当相变材料温度进入相变区间时，制冷剂取出的热量为相变潜热。
 

    在蓄冷完成后，压缩机停机，立即开始取冷实验。由实验结果拟合的Φg回归曲线见图6。由图6可知，取冷实验持续时间为19min，在5～11min，Φg的变化相对前后两个时间段要平缓，因此这一时段相变材料处于相变释冷阶段。在19min后，由于相变材料与热水的温差较小，因此释冷缓慢，此时取冷量已经达到蓄冷量的90%。考虑到取冷时间较短，以及存在热损失等因素影响，因此可以基本认定：三套管相变蓄能换热器在蓄释能过程中能量是基本守恒的。
    持续40min的蓄冷量，在19min内即可以完成90%的提取，这是由于在设计三套管相变蓄能换热器时，受紫铜管实际尺寸的限制，三套管的外管直径要大于设计值，导致外管壳程的热水流量较大，取冷速率较快。尤其在取冷刚开始的时刻，热水与相变材料温差很大，因此取冷流量也很大。随着热水与相变材料之间温差的减小，取冷速率变缓。
 

   ② 蓄能热泵供热模式
   在进行蓄能热泵供热前，进行蓄热实验。由实验结果拟合的相变材料Φs的回归曲线见图7。由图7可知，蓄热实验时间为25min，在4～13min，Φs的变化相对前后两个时间段要平缓，因此这一时段处于相变蓄热阶段。此后，由于热水与相变材料之间的温差越来越小，因此蓄热也十分缓慢。当蓄热时间达到25min时，虽然仍然有蓄热进行，但是由于蓄热速率太低，故终止蓄热实验，进入蓄能热泵供热实验阶段。
    由实验结果拟合的蓄能热泵供热模式下Φc、P回归曲线见图8。与蓄冷模式相比较，由于冷凝温度的升高，压缩机的功率增大。Φc的变化趋势与蓄冷模式类似，但是由于初始温度高于蓄冷模式，相变材料相应可提取的液态显热量增加。因此，蓄能热泵供热模式在达到与蓄冷模式相同的蒸发压力水平时，所用时间相应延长。

   将图8中的Φc与P相减，得到蓄能热泵供热模式下相变材料的释热流量，回归曲线见图9。由于前2min实验数据不稳定且存在Φc＜P的情况，因此曲线从第2min给出。与图7比较，在蓄能热泵供热模式运行56min后，制冷系统取走了储存在相变材料中94.6%的热量。

③ 同时蓄释热的供热模式
    由实验结果得到的同时蓄释热的供热模式下Φc、Φc,w、P的拟合值分别稳定在1414、1014、351W。Φc的拟合值为1414W，与实验值的相对误差为-5.5%～3.4%。Φc,w的拟合值为1014W，与实验值的相对误差为-5.7%～4.7%。P的拟合值为351W，与实验值的相对误差为-1.5%～1.5%。
4 结论
    ① 在蓄冷模式中，储存40min的冷量，在19min内即可以完成90%的提取，随着热水与相变材料之间温差的减小，取冷速率变缓。在蓄能热泵供热模式中，储存25min的热量，在56min内取出94.6%。取冷和蓄热过程进行的时间较短，是由于三套管相变蓄能换热器外管壳程尺寸偏大、热水流速较高造成的。
    ② 拟合值与实验值的相对误差在可接受范围。
    ③ 三套管相变蓄能换热器可实现有效的换热，蓄释能性能优良。
参考文献：
[1] 杨灵艳，倪龙，姚杨，等.蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统运行模式[J].煤气与热力，2009，29(1)：A01-A04.
[2] ESEN M.Thermal performance of a solar-aided latent heat store used for space heating by heat pump[J].Solar Energy，2000，69(1)：15-25.
[3] 安青松，马一太.空气源热泵系统最低工作温度的研究[J].暖通空调，2007，37(11)：49-52.
[4] 杨灵艳，倪龙，姚杨，等.三套管蓄能型太阳能和空气源热泵集成系统可行性实验[J].太阳能学报，2010，31(9)：1168-1172.
 
(本文作者：杨灵艳1 周权2 倪龙3 姚杨3 1.中国建筑科学研究院 北京 100013；2.中国中元国际工程公司 北京 100089；3.哈尔滨工业大学市政环境工程学院 黑龙江哈尔滨 150090)