（制冷及低温工程专业论文）低温相变蓄冷材料及其蓄冷特性的实验研究.pdf

重庆大学硕十学位论文中文摘要 摘要 发展蓄冷技术是实现电网“移峰填谷”的一项重要措施。目前的蓄冷技术主 要应用于建筑物的空调，随着技术的发展，可望扩大它的应用范围，研究和发展 低温蓄冷技术具有理论和实用意义。 本文对一些二元共晶盐体系进行了筛选实验，找到了一种相变温度为一8 6 c 的共晶盐蓄冷材料；测试了此材料的部分热物性，并对其出现的过冷和相分离现 象进行了分析，此材料有望在啤酒冷冻站、某些化工生产及冷冻冷藏领域中得到 应用。 内融冰盘管式蓄冷槽有着广泛的应用，本文建立了一套竖直盘管内融冰式蓄 冷实验台。蓄冷和放冷过程的特性是进行蓄冷工程设计的基础，本文在此实验装 置中进行了上述共晶盐蓄冷材料的蓄冷和放冷特性的实验。 影响蓄冷和放冷特性的因素有蓄冷换热器的结构尺寸、蓄冷材料的初始温度 及其热物性、载冷剂的温度和流量等，本文主要研究载冷剂的温度和流量对蓄冷 特性的影响。实验结果表明： 1 进入蓄冷槽的载冷剂温度对蓄冷和放冷特性的影响较大。蓄冷时，载冷剂进口 温度越低，结冰越快，蓄冷率越大，达到同样的蓄冷量所需时间越短：放冷时， 载冷剂进口温度越高，融冰越快，释冷率越大，在一定的时问内可以提供更多 的冷量。 2 载冷剂流量对蓄冷和放冷特性的影响不大。增加载冷剂流量，一般会使蓄冷初 期结冰略快一些，使放冷初期融冰略快一些，但增量很小，效果不明显。 3 蓄冷和放冷过程都是非稳态传热过程，整个过程中系统的传热能力是不断变化 的，蓄冷率和释冷率都是逐渐降低的，在蓄冷设计时应该注意到这点。 4 蓄冷时冰层热阻和放冷时管外溶液层热阻乃是传热过程的主要热阻，强化换热 的重点在于增强盘管外蓄冷材料的导热系数。 5 通过对竖直盘管外自然对流换热的分析，根据实验数据拟合出了本实验条件下 适用的关联式 n u = 0 2 9 9 4 ( g rv r ) o 地9 适用范围1 0 7 g r 6 4 x1 0 7 。 关键词：共晶盐，蓄冷材料，低温蓄冷，冰盘管 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t d e v e l o p i n gc o o lt h e r m a le n e r g ys t o r a g et e c h n o l o g yi s a l l i m p o r t a n tm e a s u r et o r e a l i z es h i f t i n ge l e c t r i c a le n e r g yd e m a n df r o mp e a kp e r i o dt oo f f - p e a kp e r i o d a tp r e s e n t ， c o o ls t o r a g et e c h n o l o g yi s a p p l i e dm a i n l yt oa i r - c o n d i t i o n i n g i nb u i l d i n g s ，b u ti t s p o t e n t i a lt oe x t e n d i t sa p p l i c a t i o nr a n g ew i t ht h ed e v e l o p m e n t o f t e c h n o l o g y t h e r e f o r e ， r & do f l o w - t e m p e r a t u r e c o o l s t o r a g e h a s i m p o r t a n t t h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e s o m eb i n a r ye u t e e t i cs a l ts y s t e m sw e r et e s t e db ye x p e r i m e n t , a n das o r to fb i n a r y e u t e c t i cs a l tw a sf o u n dw h o s ep h a s ec h a n g et e m p e r a t u r ei s - - 8 6 。c ，w h i c hi sm o s t p o s s i b l et ou s ea sc o o ls t o r a g em a t e r i a l i na d d i t i o n , ap a r to ft h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e s o ft h i sm a t e r i a lw a st e s t e d i t sa l s oa n a l y z e df o rt h ep h e n o m e n ao fs u p e r - c o o l i n ga n d p h a s es e g r e g a t i o no f t h i s m a t e r i a l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sm a t e r i a li sl l o p e 觚t o a p p l y i nt h ef i e l do f b e e rf r e e z ep l a n t ，f r e e z i n gs t o r ea n ds o m ec h e m i c a li n d u s t r y i t su s e dw i d e l yf o ri n t e r n a lm e l t i n gi c e - o n - c o i ls t o r a g et a n k s oac o o ls t o r a g e e x p e r i m e n t a la p p a r a t u sw i t hi n t e r n a lm e l t i n gi c e - o n - v e r t i c a l c o i lw a ss e tu p ，a n dt h e c h a r a c t e r i s t i co fc o o lc h a r g ea n dd i s c h a r g eo ft h ea b o v em a t e r i a lo _ r ee x p e r i m e n t a l l y i n v e s t i g a t e d i nt h i sa p p a r a t u s ，w h i c hi sab a s i si nt h ed e s i g no f c o o ls t o r a g ep r o j e c t t h ef a c t o r s i n f l u e n c i n g c o o l c h a r g i n g a n d d i s c h a r g i n gp r o p e r t i e s i n c l u d et h e s t r u c t u r ea n ds i z eo fh e a t e x c h a n g e r , t h e i n i t i a l t e m p e r a t u r e a n dt h e r m o p h y s i c a l p r o p e r t i e so f t h e c o o ls t o r a g em a t e r i a l ，t h et e m p e r a t u r ea n dv o l u m e t r i cf l u xo f c o o l a n te t a 1 t h el a t e ri sp r i m a r i l ys t u d i e di nt h i st h e s i s ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wa s f o l l o w ： o ) t h et e m p e r a t u r eo fc o o l a n ta tt h ec o o ls t o r a g et a n ki n l e ts t r o n g l ya f f e c tt h e c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gp r o p e r t i e s i n t h ec h a r g i n gp r o c e s s ，t h el o w e rt h ei n l e t t e m p e r a t u r e ，t h eq u i c k e r t h ef r e e z i n gr a t e ，t h el a r g e rt h ec o o lc h a r g i n gr a t e ，t h el e s st h e t i m er e q u i r e df o rt h es a m ec h a r g i n gc a p a c i t y i nt h ed i s c h a r g i n gp r o c e s s ，t h eh i g h e rt h e i n l e tt e m p e r a t u r e ，t h eq u i c k e rt h em e l t i n gr a t e ，t h el a r g e rt h ec o o ld i s c h a r g i n gr a t e ，t h e m o r et h ec o o le n e r g ys u p p l i e di nt h ed e f i n i t et i m e t h ec h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gp r o p e r t i e si sw e a k l yi n f l u e n c e db y t h ev o l u m e t r i c f l u xo f c o o l a n t a d d i n gt h ev o l u m e t r i cf l u xw i l la p p r e c i a b l yq u i c k e nt h ef r e e z i n gr a t eo f t h ec h a r g i n gp r o c e s sa n dt h em e l t i n gr a t eo ft h ed i s c h a r g i n gp r o c e s si nt h ei n i t i a ls t a g e ， 重庆大学硕土学位论文英文摘要 b u tt h ei n c r e m e n ti ss m a l l t h e h e a tt r a n s f e ri nt h ec h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gp r o c e s sa r eu n s t e a d y , a n dt h e h e a tt r a n s f e rc a p a b i l i t yo f t h es y s t e mw i l lc h a n g ea g a i n s tt i m e ，a n dt h ec h a r g i n gr a t ea n d d i s c h a r g i n g r a t ed e c r e a s e s g r a d u a l l y w i t h t i m e ，a ss h o u l db en o t i c e di nt h ed e s i g n i t sad o m i n a n tp a r to ft h et o t a lt h e r m a lr e s i s t a n c ef o rt h eo n eo ft h ei c el a y e ri n t h ec h a r g i n gp r o c e s sa n dt h es o l u t i o nl a y e ri nt h ed i s c h a r g i n gp r o c e s so u t s i d et h ec o i l s s ot h e e m p h a s i s o fh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tl i e si n i n c r e a s i n g t h ec o n d u c t i o n c o e f f i c i e n to f t h ec o o ls t o r a g em a t e r i a lo u t s i d et h ec o i l n sw a sc o n c l u d e df o rae m p i r i c a lc o r r e l a t i o no f n a t u r a lc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r a l o n g t h ev e r t i c a lt u b e sb a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a n u = 0 2 9 9 4 ( g rp 0 0 3 0 2 9 f o rt l l es i m i l a rc o n d i t i o n st ot h i se x p e r i m e n t a la p p a r a t u sa n d10 7 g r 6 4x10 k e yw o r d s ：e u t e c t i cs a l t ；c o o ls t o r a g em a t e r i a l ；l o wt e m p e r a t u r e c o o l s t o r a g e ； i c e o n c o i l 1 1 1 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 应用蓄冷技术的背景和意义 1 1 1 发展蓄冷技术的社会背景 中国改革开放以来，社会生产力、综合国力和人民生活水平都有较大的提高。 电力工业作为国民经济的基础产业之一，已取得长足的进展，近年总装机容量年 增长l5 0 0 万干瓦，1 9 9 6 年发电装机容量已居世界第二位，1 9 9 9 年底全国发电装 机总量超过2 9 9 8 亿千瓦，年发电量达1 2 2 3 1 亿千瓦时。但是，电力的增长仍然满足 不了国民经济的快速发展和人民生活用电急剧增长的需求，全国局部缺电的局面 仍然存在，电力供应高峰不足而低谷过剩的矛盾闩益突出，各大电网的峰谷差均 已超过最大负荷的3 0 ，个别甚至达到5 0 ”。 目前电力供应紧张并不主要表现在发电装机总量与电力消耗总量差距上，而 主要表现在 3 3 电网负荷率低，系统峰谷差加大，高峰电力严重不足，致使电 网经常拉闸限电。城市电力消费增长迅速，而城市电网不能适应，造成有电送 不出、配不上的局面。 解决电力不足的问题，一方面是靠增加对电力的投入，加快电力建设的步伐， 提高电站装机容量，改善电网，但是这些机组在夜间低负荷运转，效率很低；另 一方面是继续坚持开发与节约并重的能源工作方针，加强计划用电与节约用电， 充分利用现有的电力资源，大力开发低谷用电，鼓励移峰填谷。 1 9 9 4 年1 1 月国家经贸委、国家计委、电力工业部等召开工作会议，明确指出： 用2 3 年时间在全国电网推行峰谷分时电价政策，用经济杠杆促使电力负荷需求侧 管理( d s m ) ，鼓励用户开发低谷电力，最大程度地利用现有的电力设备，实现“移 峰填谷”，以缓解电网高峰缺电的矛盾“1 。目前全国各省市已经陆续制定了峰谷分 时电价政策，一般低谷电价只相当高峰电价的1 2 甚至1 5 。 蓄冷技术正是在此背景下获得了较大的发展。所谓蓄冷就是在夜间用电低谷 期，采用电动制冷机制冷，利用物质的显热或潜热特性将冷量储存在某种物质之 中，在白天用电高峰时，将冷量释放出来，满足建筑物空调或生产工艺用冷的需 求 。 1 1 2 应用蓄冷技术的意义1 6 , 7 , 9 ( 1 ) 移峰填谷，平衡电网峰谷负荷 近年来，我国电力发展很快，普遍缺电状况已经得到根本改善，但随着电力 消费量的迅速增长，电网负荷昼夜峰谷差加大的矛盾日益突出。平衡电网负荷， 可以采取调节电厂发电能力和调节用户负荷两种方法解决。调节电厂发电能力的 重庆人学硕十学位论文l 绪论 方法，除水电外，对火力发电机组的发电功率调节是困难和不经济的；另外，电 网容量有限，即使电厂可以增加峰电供应，也因供电网能力的限制有电送不出， 仍然有高峰缺电的现象。因此，调节用户负荷是一种更有效的方法。采用蓄冷技 术，在夜间用低谷电制冷蓄冷，在白天用电高峰时释放冷量满足需求，它是平衡 电网峰谷负荷的一种有效方法，有显著的社会效益和经济效益。 ( 2 1 改善发电机组效率，减少环境污染 应用蓄冷技术可以改善电厂发电机组运行状况，减少对矿物燃料的消耗和运 行费用高、效率低的调峰电站的投入；在核电带基本负荷的电网罩，可稳定其负 荷水平，多使用清洁的核电，减少烟尘、s 0 2 和c 0 2 的排放，减少环境污染，从而 全面改善能源使用状况和利用率。 ( 3 ) 减少制冷机组装机容量，给用户带来经济效益 应用蓄冷技术可以减少制冷设备的容量，降低了制冷设备的初投资。当然， 蓄冷系统增添了蓄冷设备费用，对于每一个工程应进行具体核算。另外，由于峰 谷分时电价的实施，可以使运行费用大为降低，给用户带来较大的经济效益。 ( 4 ) 提高制冷机组运行效率 采用蓄冷系统可以使制冷机组处于满负荷下稳定高效地运行，满负荷运行时 机组效率最高；而且，夜间环境温度的降低会明显降低风冷机组的冷凝温度( 水 冷机组不明显) ，使得制冷机组的制冷量有所提高，能耗有所降低。 蓄冷系统特别适合于负荷比较集中、负荷变化较大的场合，如体育馆、影剧 院等。 1 2 蓄冷技术概述 1 2 1 蓄冷技术分类哺1 蓄冷技术有多种分类方法，下面按照蓄冷原理、蓄冷的持续时问、蓄冷使用 的材料以及蓄冷时制冷剂与蓄冷罐内的介质是否接触进行分类。 ( 1 ) 按照蓄冷原理分类 蓄冷是利用工质状态变化过程中所具有的显热、潜热效应或化学反应中的反 应热来进行冷量储存的。从蓄冷的原理上分主要有显热蓄冷、潜热蓄冷和热化学 蓄冷。 ( 2 ) 按照蓄冷的持续时间分类 主要有昼夜蓄冷和季节性蓄冷两种类型。昼夜蓄冷是在夜间用电低谷时运行 制冷机组制取冷量，以显热或潜热的形式储存在某种介质中，而在次f 1 白天用电 高峰时释放出来以满足冷量的需求。季节性蓄冷是在冬季将形成的冷量以冰或冷 水的形式储存在特定的容器或地下蓄水层中，在夏季再将冷量释放出来以满足用 2 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 户的需求。 ( 3 1 按照蓄冷介质分类 主要有水蓄冷、冰蓄冷、若晶盐蓄冷、气体水合物蓄冷及使用某些有机介质 的蓄冷，其中水蓄冷为显热蓄冷，而其它均为潜热蓄冷。 ( 4 ) 按照蓄冷时制冷剂与蓄冷罐内介质是否接触分类 有直接接触式蓄冷和f i i j 接接触式蓄冷两种。直接接触式蓄冷是将制冷剂直接 喷入蓄冷罐内，与罐内的介质直接接触换热，因此其换热效率很高，但其受到换 热后两种工质可否分离以及易将制冷系统中的润滑油带入蓄冷罐等限制。间接接 触式蓄冷是通过管壁进行两种介质的换热，由于管壁存在着传热热阻，因此其换 热效率低于直接接触式蓄冷。 1 2 2 各种蓄冷方式简介嚏1 2 0 4 1 ( 1 1 水蓄冷 水蓄冷就是利用水的显热来储存冷量的一种蓄冷方式，蓄冷温度在4 7 之间，蓄冷温差6 1 1 ，单位体积的蓄冷容量为5 9 n 3 k w h m 3 。只要空间条 件许可，水蓄冷系统是一种较为经济的储存大冷量的方式，而且蓄冷罐体积越大， 单位蓄冷量的投资越低。这种蓄冷方式系统简单、投资少、技术要求低、维修方 便，并可以使用常规空调制冷机组蓄冷，冬季还可蓄热，适宜于既制冷又取暖的 空调热泵机组；水蓄冷技术也适用于现有常规制冷系统的扩容或改造，可以在不 增加或少增加制冷机容量的情况下提高供冷能力。另外，水蓄冷系统还可利用消 防水池、蓄水设施或建筑物地下室作为蓄冷容器，从而进一步降低系统的初投资， 提高系统的经济性。水蓄冷空调系统的主要缺点是蓄冷槽容积大、占地面积大， 这在人口密集、土地利用率高的大城市是一个问题，也是它的使用受到制约的主 要原因。 ( 2 ) 冰蓄冷 冰蓄冷技术简介 冰蓄冷是利用冰的相变潜热进行冷量储存的一种蓄冷方式。0 冰的蓄冷密度 高达3 3 4 k j k g ，储存同样多的冷量，冰蓄冷所需的体积仅为水蓄冷的几十分之一， 占用空间大大减少；并且，冰蓄冷蓄冷温度几乎恒定，设备容易标准化、系列化； 另外，由于冷水温度低，在相同的负荷下可以减少冷水供应量，同样，也可以减 少空调送风量，使得供水管道和风管尺寸也相应减少。 但是，冰蓄冷系统也存在缺点：由于冰蓄冷的制冷主机要求冷媒出口端的温 度低于一5 ，与常规空调冷水机组出水温度7 相比，冰蓄冷制冷机组制冷剂的 蒸发温度、蒸发压力大大降低，制冷量约降低3 0 4 0 ，性能系数( c o p ) 也有 所下降，耗电量约增加2 0 左右：由于制冰槽及冷媒管路温度常低于o ，还需增 3 重庆大学硕十学位论文 1 绪论 加保温层厚度，以避免外部结露，减少冷损失；冰蓄冷系统的技术水平要求较高， 而且系统的设计和控制比水蓄冷系统复杂得多。 冰蓄冷系统的分类 冰蓄冷系统及其制冰方式有很多种，根据制冰方法分类，可以分为静态制冰 和动态制冰。 静态制冰：冰的制备和融化在同一位置进行，蓄冰设备和制冰部件为体结 构。具体形式有冰盘管式( 管外蓄冰外融冰式) 、完全冻结式( 管外蓄冰内融冰式) 、 不完全冻结式( 管外蓄冰但管间冰层不搭接、内融冰式) 、密封件蓄冰( 冰球式、 冰板式、芯心冰球式) 等。 动态制冰：冰的制备和储存不在同一位置，制冰机和蓄冰槽相对独立。如制 冰滑落式、冰晶式等。 从制冷系统构成上考虑，有直接蒸发式和间接冷媒式。所谓直接蒸发式，是 指制冷系统的蒸发器直接用作制冰元件，如冰盘管式、制冰滑落式等；而间接冷 媒式是指利用制冷系统的蒸发器冷却冷媒，再用冷媒来制冰。 ( 3 1 共晶盐蓄冷 共晶盐蓄冷是利用固液相变特性蓄冷的一种蓄冷方式。蓄冷介质主要是由无 机盐、水、成核剂和稳定剂组成的混合物，也称优态盐，目前应用较广泛的相变 温度约5 c 9 c ，相变潜热为1 0 0 k j k g 左右，此相变温度可以使用普通的空调冷水 机组，克服了冰蓄冷要求很低的蒸发温度的弱点。这些蓄冷介质大多装在板状、 球状或其它形状的密封件中，再放置在蓄冷槽中。共晶盐蓄冷能力比冰蓄冷小， 但比水蓄冷大，所以共晶盐蓄冷槽的体积比冰蓄冷槽大，比水蓄冷槽小。但是， 共晶盐蓄冷在蓄一放冷过程中换热性能较差，设各投资也较高，在实际应用中的 层化问题、过冷问题及稳定性问题都面临着高技术的挑战，阻碍了该技术的推广 应用。 气体水合物蓄冷 2 0 世纪8 0 年代美国橡树岭国家试验室开始以r il 、r 1 2 等为工质研究气体水合 物蓄冷，其机理是在一定的温度和压力下，水在某些气体分子周围会形成坚实的 网络状结晶体，同时释放出固化相变热。气体水合物属新一代蓄冷介质，又称“暖 冰”。一般氟利昂气体形成的气体水合物的相变温度在5 c 1 2 c 之间，压力为1 3 d 大气压( a r m ) ，熔解热约为2 7 0 4 6 5 k j k g ，与冰的蓄冷密度3 3 4k j k g 相当， 其相变温度适合于常规空调冷水机组。但该方法还有一系列问题有待解决，如制 冷剂蒸气夹带水分的清除，防止水合物膨胀堵塞等，工程实用还有一定困难。 佑1 几种蓄冷方式的比较 前面已对各种蓄冷方式作了一些简要阐述，它们各有特点，现对这几种蓄冷 4 重庆大学硕十学位论文1 绪论 方式的性能作一下比较，列于表1 1 中。 表1 1 不同空调蓄冷系统比较1 t a b l e1 1c o m p a r i s o no f s o m et h e r m a ls t o r a g es y s t e m 气体水合物 、遒冷方式 水蓄冷静态冰蓄冷动态冰蓄冷共晶盐蓄冷 性入 蓄冷 蓄冷槽尺寸 8 1 0l + 12 30 8 9 1 o 蓄冷温度( ) 7008 1 25 1 2 机组效率比较 l +0 6 0 7o 6 - - 0 70 9 2 o 9 50 9 8 1 0 热交换性能 好般好差好 冷最损失一般人 大小小 泵一风机能耗 1 +0 70 7 0 91 0 51 o 投资比较 n 0 6l +1 3 1 81 3 2 01 2 1 5 + 为进行比较的基准。 1 2 3 蓄冷系统的运行策略、流程配置及工作模式旧。 r 1 ) 蓄冷系统的运行策略”1 4 1 所谓运行策略是指以设计循环周期( 如设计日或周等) 的负荷及其特点为基 础，按电价结构等条件对系统以释冷供冷或以释冷连同制冷机组共同供冷作出最 优的运行安排。一般可归纳为全部蓄冷策略和部分蓄冷策略。 全部蓄冷是利用夜间谷段电力运行制冷机组蓄存足够的冷量，在白天非电力 谷段时释放冷量以承担全部的冷负荷，此时制冷机组不运行。全部蓄冷时，蓄冷 设备要承担全部冷负荷，故蓄冷设备和制冷机组的容量都较大，初投资较大；但 是此种方式移峰填谷效果最明显，节省运行费用。该运行策略适用于白天供冷时 间较短的场所或峰谷电价差较大的地区。 部分蓄冷是在夜间电力谷段运行制冷设备储存部分冷量，在白天非电力谷段 时一部分负荷由蓄冷设备承担，另一部分由制冷设备承担。一般情况下，部分蓄 冷比全部蓄冷制冷机利用率高，蓄冷设备容量小，是一种更经济有效的负荷管理 模式，它比全部蓄冷有更广泛的适用性。 ( 2 ) 蓄冷系统的流程配置 部分蓄冷策略在系统流程安排上可以分为主机与蓄冷槽串联和并联两种，在 串联方式中又分为主机在上游和蓄冷槽在上游两种。 并联流程 图1 1 所示为主机与蓄冷槽并联，其优点是可以兼顾压缩机与蓄冷槽的容量和 5 重庆大学硕十学位论文1 绪论 效率，但这种连接方式使冷媒的出口温度和流量的控制变得相当复杂，往往难以 保持恒定，而且浪费能量，因为若将主机的出口温度调低，则主机能耗增加；若 使主机的出口温度调高，蓄冷槽产生的是低温冷媒，两路汇合后冷媒温度升高， 则消耗了蓄冷槽的低温能力，也是不经济的，所以一般都采用串联流程。 c o o l a n ti n l e tc o o l a n to u t l e t 图1 1 主机和蓄冷槽并联流程示意图 f i g 1 1c h i l l e r a n d t h e r m a ls t o r a g e t a n k c o n n e c t e d i n p a r a l l e l 串联流程 乱主机在蓄冷槽上游图1 2 所示为主机在蓄冷槽上游的串联流程，温度较高 的冷媒回流先流经主机，使主机能在较高的蒸发温度下运行，提高了压缩机的容 量和效率，使能耗降低，蓄冷槽在较低温度下运行，释冷速度较低，使蓄冷槽的 可用容量减少。 图1 2 主机在蓄冷槽上游的串联流程示意图 f i g 1 2c h i l l e r i nf r o n to f t h e r m a ls t o r a g et a n kc o n n e c t e di ns e r i e s b 主机在蓄冷槽下游图1 3 所示为主机在蓄冷槽下游的串联流程，温度较高 的冷媒回流先流经蓄冷槽，使蓄冷槽的放冷速度提高，但为了防止过快地消耗蓄 冷量，需要控制蓄冷槽的出口温度，而主机在较低的蒸发温度下工作，使能耗增 加，此种方式适用于工艺制冷和低温空调系统。 图1 3 主机在蓄冷槽f 游的串联流程示意图 f i g 1 3c h i l l e r b e h i n dt h e r m a ls t o r a g et a n kc o r m e c t e di ns e r i e s ( 3 ) 蓄冷系统的工作模式 6 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 蓄冷系统的工作模式是指系统在充冷还是供冷，供冷时蓄冷装置及制冷机组 是各自单独工作还是共同上作。常用的工作模式有以下几种： 机组单独蓄冷模式 在此工作模式下，通过冷媒的循环给蓄冰装置充冷，直到蓄冷槽的冷量达到 要求或电力低谷段结束时为止。此间，制冷机组的工作状况也要受到监控，一般 监测制冷机组出口冷媒温度，当达到预定最低出口温度时即关闭制冷机组。图1 4 为该工作模式示意图。 lc h i l l e rl o a d i 下上 l s t o r a g e t a n k 圈1 4 机组单独蓄冷工作模式示意图 f i g 1 4o p e r a t i n gm o d e so f c h a r g eb yc h i l l e r 蓄冷同时供冷模式 当蓄冷期间存在冷负荷时，用于蓄冷的一部分低温冷媒被分送至冷负荷以满 足供冷需求。一般情况下，这部分供冷负荷不宜过大，因为这部分冷负荷的制冷 量是制冷机组在低温蓄冷工况下运行提供的。蓄冷时供冷在能耗及制冷机组容量 上是不经济的，因此，只要此冷负荷有合适的制冷机组可选用，就应该设置基载 制冷机组专供这部分冷负荷。图1 5 为该工作模式示意图。 i c h i l l e r 1 1 一l o a d 卜一一一 l s t o r a g et a n k 图1 5 蓄冷同时供冷工作模式示意图 f i g 1 5o p e m t m g m o d e so f c h a r g ea n d d i s c h a r g es i m u l t a n e o u s l yb y c h i l l e r 机组单独供冷模式 在此种工作模式下，制冷机组满足全部冷负荷需求。机组出口处的冷媒不再 经过蓄冷装置，而直接流至负荷端。图1 6 为该工作模式示意图。 7 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 蓄冷槽单独供冷模式 在此种工作模式下，制冷机组关闭。回流的冷媒流经蓄冷槽，被冷却到所需 要的温度。在全部蓄冷策略中，单释冷是基本的运行方式，它的运行费用是最低 的，但要求有足够大的蓄冷装置容量，初投资会较大。图1 7 为该工作模式示意图。 二三三二 图1 6 机组单独供冷工作模式示意图 f i g 1 6o p e r a t i n g m o d e s o f d i s c h a r g eb y c h i l l e ro n l y 图1 7 蓄冷槽单独供冷_ l 作模式示意图 f i g 1 7o p e r a t i n gm o d e so f d i s c h a r g eb y t h e r m a le n e r g ys t o r a g et a n ko n l y 机组与蓄冷槽同时供冷 在此种工作模式下，制冷机组和蓄冷装置同时运行满足供冷需求，一般在冷 负荷需求较大的时候都需要采用这种工作模式。该工作模式又分成两种情况，即 机组优先和蓄冷槽优先。 a 机组优先从负荷端回流的冷媒先经过制冷机组预冷，而后蓄冷装置被冷却 到设定温度。图1 8 似) 所示为该种工作模式示意图。 b 蓄冷槽优先从负荷端回流的冷媒先经过蓄冷装置冷却到某一中间温度，而 后经制冷机组冷却至设定温度。图1 8 ( b ) 所示为该种工作模式示意图。 1 3 蓄冷技术发展的历史及现状9 1 2 ，1 4 ，1 5 1 自古以来，人们就懂得使用天然冰保存食物和改善环境。采用人工制冷的蓄 冷大约出现在2 0 世纪3 0 年代，当时美国在教堂、影剧院和乳品厂这类问歇使用、 负荷集中的场所使用冰蓄冷供冷方式。那时的蓄冷只是着眼于减少制冷机组容量 8 重庆人学硕士学位论文1 绪论 和制冷设备购置费用。随着制造业的不断发展，制冷机成本大幅度降低，节省购 置费用渐渐失去了吸引力；相反，蓄冷装置成本高及电耗多的不利因素却突出起 束，以致使该项技术的应用陷入了相当一段停滞期。 f c n e r r - 二习 上 i s t o r a g e t a n k ( a 】制冷机组优先 ( a ) t h e c h i l l e r p r i o r i t y i c h i l l e r r = 盯i 下上 i s t o r a g et a n k c o ) 蓄冷槽优先 ( b ) t h et h e r m a le n e r g ys t o r a g et a n kp r i o r i t y 图1 8 机组与蓄冷槽同时供冷工作模式示意图 f i g 1 8o p e r a t i n g m o d e s o f d i s c h a r g eb y c h i l l e ra n dt h e r m a le n e r g ys t o r a g et a n k 2 0 世纪7 0 年代以来，世界范围的能源危机促使蓄冷技术迅速发展。美国、加 拿大和欧洲一些工业发达国家夏季的电负荷增长和峰谷差拉大的速度惊人，下午 的电耗量是夜间电耗量的1 5 倍，以致不得不增建发电站来满足高峰负荷，但一到 夜间这些发电站在很低的负荷下运行，效率很低。由此，工程技术人员开始试验 性地将蓄冷技术引入建筑物的空调系统，早期主要是水蓄冷系统和直接蒸发盘管 式冰蓄冷系统，然后积极开发其它形式的蓄冷设备和系统，实施的工程项目也逐 年增多。 1 9 9 4 年年底前美国约有4 0 瞻多个蓄冷空调系统用于不同的建筑物。美国b a c 公司在芝加哥的最大的冰盘管式冰蓄冷系统最大蓄冷量近4 6 万k w h 。近几年来 美国在蓄冷设备、新型蓄冷方式蓄冷介质开发、蓄冷系统的智能控制等方面都取 得了较大的发展，产品技术己同趋完善。 9 重庆人学硕士学位论文 绪论 日本是在8 0 年代初期开始蓄冷技术应用研究工作的，到1 9 9 0 年日本大约有 1 4 7 4 个蓄冷窄调系统在运行，其中水蓄冷1 2 4 6 个，冰蓄冷2 2 8 个。发展到1 9 9 8 年共有5 5 6 6 个蓄冷空调系统，其中水蓄冷2 2 4 9 个，冰蓄冷3 3 1 7 个，由此也可看 出日本早期以水蓄冷为主，9 0 年代以来冰蓄冷空调系统发展很快。 我国的台湾省自1 9 8 4 年从国外引进冰蓄冷及控制设备、建成台湾第一个冰蓄 冷空调系统以来，蓄冷空调技术发展很快。1 9 9 2 年台湾只有3 3 个蓄冷空调系统， 到1 9 9 4 年底已建成2 2 5 个蓄冷空调系统( 其中水蓄冷空调系统3 9 个) ，总蓄冷量 高达2 0 l o w - h ，转移高峰用电超过5 2 l 0 4 k w 。 表1 2 我国水蓄冷( 热) 和冰蓄冷工程数统计 t a b l e1 2s t a t i s t i c so f c h i l l e dw a t e ra n di c et h e r m a le n e r g ys t o r a g ei nc h i n a 华漳b a c阳冷国祥清华m u e l l e r台佧高媪 水蓄冷 c i a t西抟c i m a ef a f c o 年份总计蕊心 蓄冰管j j =完仝i 司方m a x i m柏叠蔷拎 ，敷蓄热冰球冰球蓄抹牺蕾冰柄 冰球装置蓄冷器冻结式r h _ i c u l c e，蔷热 1 9 9 221 l 1 9 9 32 1l 1 9 9 5l l32 132 1 9 9 69tll 2llll 1 9 9 71 02322 l 7 432 1 l2 3359l72 计 1 0 892 852 9771 0l372 l 注：( 1 ) 深圳文锦广场冰蓄冷工程未统计在内。 佗) 新建的电热蓄热锅炉来统计在内 在我国大陆地区，蓄冷技术起步较晚，9 0 年代以来才逐步发展起来。1 9 9 4 年， 国家计委、电力工业部等部门决定实行电力供应峰谷不同电价政策，以推动对电 网供电削峰填谷策略的应用，缓解高峰电力供应不足而低谷过剩的矛盾。 1 9 9 7 年底，我国己建成3 3 项水蓄冷和冰蓄冷空调系统。而在1 9 9 8 至1 9 9 9 年 之间，蓄冷工程的建设速度非常快，建成7 0 多项，其中各种方式的蓄冷系统都建 有工程实例，如水蓄冷、直接蒸发式冰盘管、完全冻结式冰盘管、不完全冻结式 盘管、冰球式、动态制冰滑落式等等；选用的产品国外的有美国的b a c 、c a l m a c 、 f a f c o 、d u n h a m - b u s h 、法国的c r i s t o p i a 等，国内的有杭州华源、浙江吉佳、 北京西冷等。表1 2 是对我国水蓄冷( 热) 和冰蓄冷工程数的不完全统计，详见参 1 0 重庆大学硕十学位论文 l 绪论 考文献。 1 4 当前蓄冷技术研究的热点及展望0 川 蓄冷技术作为一种移峰填谷调节能量供需、节约运行费用、实现能量的高效 合理利用的手段已经引起了人们的高度重视，许多国家的研究机构都在积极进行 研究开发，其目标集中在如下几个方面： ( 1 ) 建立区域性蓄冷空调供冷站 已经证明，区域性供冷或供热系统对节能较为有利，可以节约大量初期投资 和运行费用，而且减少了电力消耗及环境污染，建立区域性蓄冷空调供冷站已成 为各国研究热点。 ( 2 1 建立与冰蓄冷相结合的低温送风空调系统 冰蓄冷和低温送风系统相结合是蓄冷技术在建筑物空调中应用的一种趋势， 足暖通空调工程中继变风量系统之后最重大的变革。这种系统能够充分利用冰蓄 冷系统所产生的低温冷水，一定程度上弥补了因设置蓄冷系统而增加的初投资， 进而提高了蓄冷空调系统的整体竞争力，在建筑空调系统建设和工程改造中具有 优越的应用前景，在2 1 世纪将得到广泛的应用。 ( 3 1 开发新型的蓄冷空调机组和高效压缩机 对于分散的、暂时还不具备建造集中式供冷站条件的建筑，町以采用中小型 蓄冷空调机组。国外研究表明，为柜式空调机增加紧凑式冰蓄冷单元是可行且有 效的，冰蓄冷空调机组投资回收期一般是3 年左右。 开发高效压缩机，使其在制冰和制冷水的工况下，均有较高的c o p 值。 “) 开发新型蓄冷介质 蓄冷技术的发展和推广要求人们去研究开发固液相变温度合适、潜热大、材 料相容性好、经久耐用的新型蓄冷材料。目前应用的蓄冷介质主要包括水、冰和 共晶盐等，但新型便于放置的、无腐蚀性的有机蓄冷介质也在不断开发，如常温 下胶状的可凝胶，它不易流动和泄漏、无污染，可置于密封件内蓄冷。 提高蓄冷介质的传热性能及长期稳定性是目前该技术要解决的主要问题。 ( 5 ) 发展和完善蓄冷技术理论和工程设计方法 蓄冷技术的进一步发展要求加强对现有蓄冷设备性能的试验研究，建立数值 分析模型，预测蓄冷设备的性能，从而对蓄冷系统进行优化设计。蓄冷空调系统 的设计方法与常规空调系统不同，冷负荷计算、机组确定、设备选择、系统控制 皆有别于常规空调系统，今后还将通过对已有蓄冷空调系统测试和运行总结，丰 富蓄冷空调设计方法。 f 6 ) 建立科学的蓄冷系统经济性分析和评估方法 重庆大学硕士学位论文1 绪论 在进行蓄冷系统可行性研究时，如何综合评价蓄冷系统转移用电负荷能力、 能耗水平和用户效益，如何比较常规空调和蓄冷空调系统，是人们一直关心的一 个问题。蓄冷系统并非适用于所有场合，必须通过认真分析评估，确保能够降低 运行费用、缩短投资回收期 能被采用。 ( 7 ) 蓄冷系统的优化控制“6 ， 蓄冷系统的运行工况比较复杂，运行工况的合理与否直接关系到节能效果和 经济效益，所以，采用计算机管理，进行智能化、最优化控制对蓄冷系统经济运 行非常必要。s t e t h m a n n 1 提出了冰蓄冷系统的优化控制，并对美国圣地亚哥一幢 9 2 0 0 m 2 的建筑进行了模拟分析，发现优化控制与单纯的冷机优先模式相比，节省 运行费4 2 。 ( 8 ) 研究开发新型蓄冷技术 目前新型蓄冷技术的研究工作主要有直接接触式蓄冷技术、气体水合物蓄冷 技术、共晶盐蓄冷技术、过冷水动态制冰蓄冷技术及利用多孔材料强化密封件传 热的蓄冷技术等。 ( 9 ) 扩展蓄冷技术的应用范围 目前蓄冷技术主要应用在建筑物的空调，其它领域的应用甚少，基本还处于 研究阶段。随着蓄冷技术的逐步发展成熟，有望扩展其的应用范围。 首先是在化工生产中，很多化工生产过程中都需要不同温度的冷源，装机容 量一般也较大，而且负荷需求是波动的或问歇的，如果应用蓄冷技术是会带来经 济效益的，具有良好的应用前景。 其次是在冷冻冷藏中，我国冷库年耗电在1 0 亿k w - h 以上，是个用电大户，具 有开发的潜力 1 $ 3 0 一般的冷库都有高温冷藏库，所需的温度为4 一2 ，用于果 品、蔬菜等保鲜贮藏，像这样的库房完全可以使用现有的冰蓄冷系统来减少制冷 机组的容量；而对于低温冷藏库，需要开发低温蓄冷系统；同时，具有移动性的 冷藏库，如铁路冷藏车、公路冷藏车及冷藏集装箱等也可以采用蓄冷技术。 随着蓄冷技术研究的深入，技术先进、运行可靠的蓄冷设备必将会得到广泛 应用，扩展到各个领域。 1 5 相变贮能材料的研究综述 贮能的重要性已日益为人们所认识：它是缓解能量供求双方在时间、强度和 地点上不匹配的有效方式，是合理利用能源以及减小环境污染的有效途径，是热 能系统( 广义) 优化运行的重要手段。 贮能的方式有三种：显热贮能，相变潜热贮能，化学反应贮能。由于相变过 程是一近似等温过程，相变潜热较显热大得多，使相变贮能具有蓄能密度高、易 1 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 与运行系统匹配、易控制等优点，因此往往成为蓄能系统的首选形式。然而，在 应用相变贮能时通常也会遇到一些实际的困难，例如相变材料热导率低、密度变 化较大、热稳定性差、有相分离及过冷现象等。 1 5 1 对相变贮能材料的要求钔 f 1 ) 热物性方