二次冷媒式过冷水动态蓄冰空调系统的实验研究

一． 前言
　　冰蓄冷作为一种有效的削峰填谷的手段，近年来得到了很大的。目前市场上的主流技术是冰盘管，冰球形式的二次冷媒蓄冰系统，然而上述主流的静态蓄冰系统由于在蓄冰过程中冰层在换热表面上生长，有换热热阻大，工况随蓄冰过程进行而恶化，以及蒸发温度低，效率不高等问题。为了克服静态蓄冰的种种不足，不同形式的动态蓄冰系统纷纷涌现。动态蓄冰系统具有换热热阻小，效率高的优点。在取冷过程中，由于动态蓄冰制出的冰晶呈微小的球状呀鳞片状，取冷介质直接与比表面积很大的冰晶溶液进行热质交换，其瞬间取冷能力要优于一般的静态蓄冰系统^[1]。
　　尽管动态蓄冰技术有很多优点，但是如何使换热表面与蓄冰表面分离始终困扰着研究蓄冰技术的学者和工程师。经过多年的发展，逐渐形成了以下技术：机械剥落式，热力融解脱落式，共晶盐形式以及过冷水动态蓄冰形式。其中机械剥落式技术比较成熟，已经有了实际的工程应用^[2][3]：近年来，很多学者对于热力融解脱落式动态蓄冰也进行了一些研究^[4]。
　　过冷水动态蓄冰是动态蓄冰技术的一种。其核心思想是让水在换热器中降温到0℃以下的过冷状态而不发生相变，在蓄冰槽中消除过冷状态，低于0℃的水通过相变，成为0℃，从而把潜热转化为显热储存起来。这样就实现了换热表面和冰层生长表面的分离，实现了动态蓄冰。过冷水动态蓄冰技术具有效率高，制冷机工况稳定，尖峰取消冷能力强的优点，也存在着要附加运行部件以及技术不够成熟等问题，但是从总体上来说，过冷水动态蓄冰是动态蓄冰中的一种很有希望的形式。本文对一个实际的过冷水动态蓄冰空调系统进行了实验研究，根据实验结果分析了这种蓄冰方式的特点。


二. 实验装置和实验过程
　　1 实验装置和测点布置

　　2 系统组成
　　二次冷媒式过冷水连续蓄冰空调的制冰部分由三部分组成。
　　制冷循环部分：与普通制冷装置一样，由蒸发器10、压缩机11、冷凝器12、膨胀阀13组成。
　　载冷剂循环部分：由加热器7、不冻液定压箱8、不冻液循环泵9组成。
　　过冷水循环部分：由消除冰晶装置1、水循环泵2、过冷却器3、消除过冷装置4、蓄冰槽5、过滤冰晶装置6组成。
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　1. 消除冰晶装置 2. 水循环泵 3.过冷却器 4。消除过冷装置 5.蓄冰槽 6.过滤冰晶装置
　　　　　　　 7. 加热器 8.不冻液定压箱 9.不冻液循环泵 10.蒸发器 11.压缩机 12.冷凝器 13.膨胀阀
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 图1 实验装置及测点布置图

　　3 各个部件的设计及分析
　　3.1 制冷循环部分，选用常规的空调用制冷机。本实验的制冷机再空调工况下的额定冷量为7kW。
　　3.2 载冷剂循环部分，与常规二次冷媒式静态蓄冰的载冷剂循环管路选型基本一致。其中加热器7的作用在不同的实验内容中不同，在过冷却器最低不结冰温度实验中，可以通过调节加热功率来与过冷却器一同匹配冷机，起调节过冷却器载冷剂侧温度的作用。而在系统蓄冰实验中，当过冷却器冻结时，可以通过加入电加热，来融化蓄冰槽以及过冷却器中的冰，以进行下一次实验，因此加热器的功率应当可以调节，其最大值应当接近或超过冷机的功率，这样可以缩短实验的时间。
　　3.3 过冷水循环部分： 过冷却器3：过冷却器是整个过冷水蓄冰空调系统中最关键的部件，要求水在过冷却器中被冷却到0℃以下而不结冰，而过冷却器一旦冻结，就要加热来化冰，对于系统效率换热器影响很大，因此一个安全，稳定，高效的过冷却器是一个高性能动态蓄冰系统的保障。本实验的过冷却器参数为换热长度5m，换热面积0.75㎡，换热系数约为1040W/㎡℃。
　　消除过冷装置4：消除过冷装置将过冷却器中流出的处于过冷状态的水转变为冰水混合物，一旦有过冷水没有消除过冷而进入下一次循环，就有可能在过冷却器入口消除过冷从而造成过冷却器冰堵，从而危害系统的安全。
　　蓄冰槽5：本实验选用的蓄冰槽尺寸轻小为500mm×500mm×500mm。这是出于缩短实验时间和降低成本的考虑。而不是出于匹配蓄冷量和冷机制冷量的考虑。
　　过滤冰晶装置6：为防止大量的冰晶进入过冷却器，设计时应考虑多种过滤方式，实验中采有3层120目不锈钢过滤网。
　　消除微小冰晶装置1：作用为防止冰晶进入过冷却器，一旦在过冷却器中出现冰核，过冷却器就会很快出现冰堵，因此消除微小冰晶装置也是系统的一个重要部件。根据分析，消除微小冰晶的方式对于整个蓄冰系统的效率非常关键，本实验采用搅拦式消除微小冰晶装置。

　　4 实验设计
　　由于过冷水动态蓄冰系统的良好特性，决定了这种系统的蒸发侧换热系数和水侧温度变化很小，系统参数的变化主要取决于冷凝侧参数的变化。而由于冷凝温度主要由天气影响，变化速度远远慢于制冷系统的响应速度，因而可以将动态蓄冰空调的运行方式视为稳态运行。
　　根据以上分析，本实验的方案就得到简化，只需要知道在不同冷凝温度下，动态蓄冰系统的运行状况就可以完整地掌握这一系统的特性。本文给出了一次完整的实验周期中系统参数随时间的变化关系。


三.实验结果和分析
　　2.1 过冷水环路实验结果
　　2.1.1 启动阶段：总实验时间为60min，实验开始时过冷却器换热面两侧的不冻液和水均处于5℃，在7min时刻开制冷机，不冻注温度开始下降，由于蓄冰槽有比较大的热惯性，过冷却器水侧入口温度变化比较小。
　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　t1：过冷却器入口水温 t4：过冷却器出口不冻液温度
　　　　　　　　　　　　　　　　　　t2：过冷却器出口水温 t5：过冷却器入口不冻液温度
　　　　　　　　　　　　　　　　　　t3：加热器后不冻液温度
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 图1 过冷水环路各测点温度

　　2.1.2显热阶段：15min左右不冻液温度的下降开始带动蓄冰水箱中的温度下降，反映为过冷却器入口水温开始线形下降。这时进出口水温差为2℃，进出口不冻液温差2℃，过冷却器对数平均换热温差为3.2℃，在显热蓄能阶段基本保持不变。这一段冷机所制取的冷量被转化为显热储存在蓄冰槽内。
　　2.1.3 稳定过冷阶段：在27min时各条温度曲线发生明显变化，表现为各个曲线的一阶导数在该处不连续。说明换热现象发生质的变化，显示出相变现象的出现，实验开始进入稳定过冷阶段。蓄冰槽出口水温保持在0℃左右，下降速度非常缓慢，过冷却器出口水温以及不冻液侧温度也基本保持不变。蓄冰槽内冰层逐渐变厚，过冷却出口过冷温度约为-2.3℃，整个过程持续17min。
　　2.1.4蓄冰结束段：从44min开始，尽管过冷却器入口温度仍保持在0℃左右小幅振荡，出口水温开始缓慢下降，同时过冷却器不冻液侧面进出口温度也开始下降。观察蓄冰槽现象，冰层很厚，基本面满冰槽，冰层全部由松软含水的冰晶组成。由于水流在蓄冰槽中的流动阻力越来越大，过冷却器水侧流量下降，导致出口过冷温度下降，最低达到-3.7℃。最终蓄冰槽中的TPF（Ice packing Factor）约为30%。因此，从实验现象上判断，如果蓄冰槽体积更大一些，蓄冰结束段的到来会更晚，稳定过冷的阶段就会更长。

　　2.2制冷机参数
　　2.2.1 图2记录了制冷循环各测点的温度在启动阶段，显热阶段，稳定过冷阶段和结束阶段中的变化趋势。从图中可以看出冰蓄冷装置的工况特征。由于冰水相变温度低造成蒸发温度较常规空调系统来说很低，最低达到-7℃左右，排气温度较高，最高达到70℃。
　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　t6:压缩机排气温度 t9：吸气温度
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　t7：冷凝温度 t10：蒸发温度
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　t8：冷凝器过冷温度
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 图2 制冷循环各测点温度

　　2.2.2 从图2中可以看出，尽管二次冷媒系统由于二次换热，导致总换热温差比直接蒸发式系统大，但是由于过冷水动态制冰没有静态制冰中严重影响换热效率的冰层热阻，最终制冷循环中的蒸发温度始终维持在一个比较高的温度，一直到制冰结束段，蒸发温度都始终高于-9℃，而在冷凝侧工况相同的条件下，比较高的蒸发温度就意味着比较高的效率和比较大的制冷能力，这一点充分体现出过冷水动态蓄冰的节能潜力。同时，通过分析在占整个蓄冰时间很大比例的稳定蓄冰阶段中的蒸发温度曲线，还可以看到，蒸发温度变化非常缓慢，制冷机的工况基本不随蓄冰的进行而变化，没有静态蓄冰中蒸发温度随冰层生长而不断下降的现象，体现出过冷水动态蓄冰在工况稳定方面的优点。


4.结论
　　4.1 本文提出一种二次冷媒式过冷水动态蓄冰空调系统的原理和结构，并对实验装置进行了性能测试，得到了运行中系统参数。
　　4.2 文中通过对实验数据进行整理，认为过冷水蓄冰空调的蓄冰过程可以分为显热阶段，稳定过冷阶段和蓄冰结束段，各阶段有明显不同的特征。
　　4.3 通过对实验数据进行分析，得出过冷水动态蓄冰空调相对于静态蓄冰空调来说有换热热阻小，工况稳定，制冷效率高的结论。

　　1 曲凯阳.过冷水制取的基础与应用研究[博士学位].北京：清华大学建筑与技术系，2000.11 pp.87
　　2 彦启森，赵庆珠.《冰蓄冷系统设计》，全国蓄冰冷空调节能技术工程中心，1999.7 P12-13
　　3 方贵银.《蓄冷空调工程实用新技术》，北京 人民邮电出版社 2000.5 pp.53～55
　　4 狄喆 张寅平 江亿，再冷式冰蓄冷系统节能效果的理论分析 暖通空调 2001（4）第31卷pp.36-40