（环境工程专业论文）无机盐溶液相变蓄冷特性及系统研究.pdf

浙江工业大学 学位论文原创性声明 l i i iiii ii iii i iiiluiil y 18 10 8 2 0 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 名：知y 心吼母办z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保剃在2 2 年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：专弛目 刷醛轹徘 f 庸yiv ， 6 月1 日 p 3 | 日本 期期 日日 无机盐溶液相变蓄冷特性及系统研究 摘要 无机盐溶液是一种较有潜力的蓄冷材料，但其相变过程中的过冷 及传热问题却研究得不多。本文首先对蓄冷技术的发展及研究现状做 了综述，并在此基础上对无机盐溶液在相变中的过冷及传热问题进行 了分析和研究。 实验研究了圆柱容器内成核剂和载冷剂温度对盐溶液成核特性 的影响。结果表明：不加成核剂时k c l 共晶盐溶液要1 6 才能1 0 0 成核，添加0 5 s 1 0 2 或i c u s 时1 3 。c 即可达到1 0 0 成核；同一载 冷剂温度下，低浓度时c u s 比s i 0 2 成核特性好，当添加量到一定程 度，则s i 0 2 更佳；添加1 硼砂的1 0 n a c l 和1 2 k c l 溶液，添加 0 0 2 硅藻土的1 0 n h 4 c 1 和1 0 n a c l 溶液，添加o i c u s 的 1 2 k c l 溶液可较好抑制过冷度；添加剂不仅能有降低溶液的过冷度， 还能缩短其相变时间。 利用f l u e n t 软件对k c l 共晶盐冰球的相变过程进行了数值模拟， 得到了温度场分布和相界面移动规律；冰球凝固时间与球径及载冷剂 温度之间的关系。 对一套冰球式储冷装置进行蓄冷特性实验。结果表明：潜热蓄冷 段时蓄冷量增加较显热蓄冷段快，在蓄冷时间约9 5 分钟时，总蓄冷 率约为4 0 ，以后每隔1 0 0 分钟总蓄冷率增量依次为：2 6 ，1 7 ， 8 ，4 。总蓄冷率由9 0 增到9 5 所需时间为约7 0 分钟，这样不 利于节能，所以对于未强化的冰球，中止蓄冷率不应大于9 0 。 关键词：蓄冷；数值模拟；成核特性；成核添加剂；冰球式 c h a r a c t e i u s t i c s o fs a l 月s o l u t i o nf o rc o o l t h e r m a ls t o r a g es y s t e m a b s t r a c t s a l ts o l u t i o ni sp r o m i s i n gf o rc o o lt h e r m a ls t o r a g eu s e ，h o w e v e r , t h e r ei sf e ws t u d yo ni t s s u p e r c o o l i n ga n dh e a tt r a n s f e ri np r o c e s so f p h a s ec h a n g e t h i sp a p e rs u m m a r i z e sr e s e a r c h e sa n dd e v e l o p m e n t so f c o o lt h e r m a ls t o r a g et e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s ，t h e n ，b a s e do nw h i c h ，t h e s u p e r c o o l i n ga n dh e a tt r a n s f e ro fs a l ts o l u t i o ni np r o c e s so fp h a s ec h a n g e a r es t u d i e da n d a n a l y s e d t h ee f f e c t so fc o o l a n tt e m p e r a t u r e sa n dn u c l e a t o r so nn u c l e a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fs a l ts o l u t i o na r e e x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e di n s i d e c y l i n d r i c a lc a p s u l e s t h er e s u k ss h o wt h a tc u sa n ds i 0 2c a ne f f e c t i v e l y f a c i l i t a t en u c l e a t i o nf o rs o l u t i o n so fk c le u t e c t i cs a l t t h es u p e r c o o l i n g o f1 2 k c lw i t ho i c u so r1 b o r a x ，i o n a c lw i t ho 0 2 d i a t o m i t e o r1 b o r a xa n dio n h 4 c 1w i t h0 0 2 d i a t o m i t ec a nb ee f f e c t i v e l y r e l e a s e d ah i g he f f i c i e n c yn u c l e a t o rc a nn o to n l yr e l e a s es u p e r c o o l i n go f s a l ts o l u t i o n s ，b u ta l s or e d u c ei t sp h a s ec h a n g et i m e b ys i m u l a t i n ge n c a p s u l a t e de u t e c t i cs a l tw i t hf l u e n t ，t e m p e r a t u r e f i e l d sd i s t r i b u t i o n ，p h a s ei n t e r f a c em o v e m e n ti np r o c e s so fs o l i d i f i c a t i o n a n d r e l a t i o n s h i pb e t w e e np h a s ec h a n g et i m ew i t hc o o l a n tt e m p e r a t u r ei s o b t a i n e d c o o lc h a r g i n gc h a r a c t e r i s t i c so fas p h e r i c a le n c l o s u r es y s t e ma r e e x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，o ns e n s i b l eh e a t t h e r m a ls t o r a g e p r o c e s s ，c h a r g i n gc a p a c i t y i n c r e a s e sm o r e q u i c k l y c o m p a r e dw i t hl a t e n th e a tt h e r m a ls t o r a g ep r o c e s s 4 0p e r c e n t so ft o t a l c h a r g i n gc a p a c i t ya les t o r e df o rt h ei n i t i a l9 5m i n u t e sr e q u i r e dt oc h a r g e c o m p l e t e l yw h e r e a so n l y5p e r c e n t so ft o t a lc h a r g i n gc a p a c i t ya r es t o r e d f o r t h el a s t7 0m i n u t e so f c h a r g i n gt i m e k e yw o r d s ：c o o lt h e r m a l s t o r a g e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，n u c l e a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，n u c l e a t o r s ，s p h e r i c a le n c l o s u r es y s t e m 浙江工业大学硕士论文 无机盐溶液相变蓄冷特性及系统研究 目录 第一章绪论1 1 1 研究的背景和意义1 1 1 1 发展蓄冷技术的社会背景1 1 1 2 蓄冷技术的意义2 1 2 蓄冷技术的发展历史及现状。3 1 2 1 蓄冷技术的发展历史3 1 2 2 蓄冷技术在国内外的发展状况3 1 3 蓄冷技术概述5 1 3 1 基本原理5 1 3 2 各种蓄冷方式简介5 1 3 3 几种蓄冷方式的比较7 1 3 4 蓄冷系统7 1 3 5 蓄冷系统运行策略及流程配置8 1 4 当前蓄冷技术研究热点及展望9 1 5 相变蓄冷材料的研究综述1 1 1 5 1 蓄冷材料的要求1 1 1 5 2 蓄冷材料的分类及特性。1 1 1 5 3 蓄冷材料的过冷问题1 2 1 5 4 蓄冷材料相变传热过程综述1 3 1 6 研究任务及目的1 5 第二章蓄冷材料理论分析1 7 2 1 相律及相图1 7 2 2 相变蓄冷材料冷却过程分析1 8 2 3 晶体成核理论1 9 2 3 1 结晶的热力学条件1 9 2 3 2 晶核的形成2 0 2 3 3 晶体生长2 2 浙江工业大学硕士论文无机盐溶液相变蓄冷特性及系统研究 第三章添加剂对无机盐溶液成核特性的影响研究2 3 3 1 实验装置介绍2 3 3 2k c l 共晶盐成核特性实验研究2 4 3 2 1 成核概率。2 5 3 2 2 过冷度分布2 7 3 3 成核剂对盐溶液过冷研究3 1 3 4 误差分析3 8 3 5 本章小节3 9 第四章共晶盐冰球凝固过程数值模拟4 0 4 1 物理模型和数学模型的建立4 1 4 1 1 物理模型的建立4 1 4 1 2 数学模型的建立4 2 4 2 数值分析过程及结果4 3 4 2 1 网格划分与参数设置。4 3 4 2 2 模拟结果及分析4 4 4 3 本章小节4 9 第五章封装冰球式系统蓄冷特性实验研究5 0 5 1 实验流程及设备简介5 0 5 1 1 实验流程。5 0 5 1 2 主要设备5 2 5 2 蓄冷实验的结果与分析一5 3 5 2 1 蓄冷率，蓄冷量及冷量损失的计算5 3 5 2 2 蓄冷特性研究5 4 5 3 本章小节5 7 第六章结论与建议5 8 6 1 结论5 8 6 2 进一步工作建议5 8 参考文献。6 0 浙江工业大学硕士论文 无机盐溶液相变蓄冷特性及系统研究 符号说明：p c m ：p h a s ec h a n g em a t e r i a l 的缩写，相变材料： c o p ：c o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e 的缩写，性能系数 i i i 浙江工业大学硕士论文无机盐溶液相变蓄冷特性及系统研究 1 1 研究的背景和意义 1 1 1 发展蓄冷技术的社会背景 第一章绪论 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。 电力作为国民经济的基础产业之一，已取得长足的进步。1 9 9 6 年我国发电装机容 量已居世界第二位【l 】，2 0 0 5 年底全国发电装机总量超过6 亿千瓦，年发电达2 8 万 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 剧增长的需要：2 0 0 6 年一季度全国有2 4 个省市被迫拉闸限电，估计该年全国用电 的供需缺口是2 0 0 0 万千瓦。根据美国能源部信息管理局发布的国际能源展望 2 0 0 6 ) ) 预计，到2 0 1 5 年中国全社会用电量将达到4 5 万亿千瓦时，超过美国成为 世界用电量最大的国家。 目前我国电力供应紧张主要表现在 2 1 ：( 1 ) 电力投资不足，新增电力投产速度 明显与电力需求增长不相匹配，系统峰谷差大，高峰电力严重不足，致使电网拉 闸限电；( 2 ) 工业和高耗电产业高速增长，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，一方面靠增加对电力的投入，加快电力建设的步伐， 多装机组；另一方面还需要继续坚持开发与节约并重的能源工作方针，加强计划 用电与节约用电相结合，鼓励用户节约用电，充分利用现有电力资源，大力开发 低谷用电，有序用电和有效用电相结合。由于电力不能储存，必须随发、随供、 随用，因此目前电网存在着较大的峰谷负荷差，导致白天用电高峰时产生了缺口， 夜间部分电力又白白浪费，所以如果能够对用电量进行“移峰填谷”，则可以有效 控制用电的供需缺口。 1 9 9 4 年1 1 月国家经贸委、电力部门等召开工作会议，明确指出：用2 - - 3 年 时间在全国电网推行峰谷分时电价，采用经济杠杆促进电力负荷需求侧管理，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p j 。 目前我国各省市已经制定了峰谷电价政策，一般低谷电价相当于高峰电价的1 2 甚 至l 5 ；另外出台了使用蓄冷系统免征电力增容费的政策，部分城市对使用蓄冷系 浙江工业大学硕士论文 无机盐溶液相变蓄冷特性及系统研究 统的业主实行补贴和赠送变电设备等激励措施，这些措施正在促进我国蓄冷行业 的发展并为平衡电网负荷作出贡献【4 1 。 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 期间，采用电动制冷剂制冷，利用物质的显热或者潜热特性将冷量储存在某种物 质中，在白天用电高峰时将冷量释放出来，满足建筑空调或生产工艺用冷的需求【5 1 。 1 1 2 蓄冷技术的意义 ( 1 ) 环境保护角度 应用蓄冷技术不但能够减少制冷机组启动、停次数和低负荷运行时间，从而 降低发电能耗，减少烟尘、二氧化碳j 硫化物等对大气的污染；还能有效减少机 组容量，从而也降低了制冷剂的消耗量和泄漏量，特别是对采用氟利昂制冷剂的 制冷机，则必然会减轻对大气臭氧层的破坏作用和全球的温室效应；同时制冷机 组容量的减小也降低了运行噪声，改善了工作环境。 ( 2 ) 经济效益角度 采用蓄冷技术减少制冷设备的容量，降低了制冷设备的初投资；峰谷分时电 价政策的出台使得运行费大为降低；另外出台的使用蓄冷系统免征电力增容费以 及对使用蓄冷系统的业主补贴和赠送变电设备等激励措施，给用户带来较大的经 济效益。 ( 3 ) 能源利用角度 应用蓄冷技术能够使制冷机组处于满负荷下稳定高效地运行，满负荷运行时 其效率最高；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。 ( 4 ) 社会效益角度 蓄冷系统能够转移电力高峰用电量，平衡电网峰谷差，因此可以减少新建电 厂投资，提高现有发电设备和输变电设备的使用率。同时，可以减少能源使用( 特 别是对于火力发电) 引起的环境污染，充分利用有限的不可再生资源，有利于生 态平衡【6 - 9 】。 2 浙江工业大学硕士论文无机盐溶液相变蓄冷特性及系统研究 1 2 蓄冷技术的发展历史及现状 1 2 1 蓄冷技术的发展历史 蓄冷技术，自古有之。事实上，我们祖先早已用过的地窖储冰，就是一种最 方便最实用的蓄冷方式。现在市面上常见的用一个冰块来冷却汽水等饮料就是利 用蓄冷技术降温的最简单的例子。早在上世纪3 0 年代前后，美国在教堂、剧院和 乳制厂这些间隙使用，负荷很集中的场所开始实施蓄冷供冷方式。当时的蓄冷只 是着眼于减少制冷机组容量和制冷设备购置费用。随着制造业的不断发展，制冷 剂成本大幅度降低，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来，以致使该技术的应用陷入了相当一段停滞期【l o l 。 上世界7 0 年代，由于全球能源危机，再加之美国、日本和欧洲一些工业发达 国家夏季的电负荷峰谷差拉大的速度惊人，而发电站夜间在低负荷下低效率运行。 由此工程技术人员开始实验性地把蓄冷技术引入到集中式空调系统，积极开发设 备和系统，实施工程项目也逐年增多。 1 2 2 蓄冷技术在国内外的发展状况 美国、加拿大、日本和欧洲一些国家率先将冰蓄冷技术引入到建筑空调系统 里来。1 9 7 9 年美国编写并出版了建筑物非峰值期降温导则，其后开始大面积推 广应用冰蓄冷技术。到1 9 8 9 年，美国、日本、加拿大等国从事冰蓄冷系统开发和 专用制冷机生产的公司多达4 9 家；据有关资料统计，1 9 9 0 年北美冰蓄冷空调系统 的投资占当年新增暖通空调系统总投资的2 4 2 ；目前，美国全部的集中空调系统 中冰蓄冷空调达到9 9 ：在芝加哥商业区中，蓄冷空调转移了大约三分之二的峰 电。韩国立法规定3 0 0 0 m 2 以上的公共建筑物必须采用冰蓄冷空调系统8 ，】。由于 政府制定相关政策积极推动蓄冷空调的发展，近年来日本蓄冷空调工程和装置累 计数上涨势头迅猛。如图1 1 所示： 浙江工业大学硕士论文无机盐溶液相交蓄冷特性及系统研究 赧 盘 氍 制 佥 粕 1 9 9 41 9 9 51 9 9 6 1 9 9 7l 舛81 9 9 92 0 0 0 2 0 0 1 年份 图1 - 1 日本近年蓄冷空调累计数 日本政府推动蓄冷空调系统发展的具体政策有：( 1 ) 能源需求结构投资改革 促进税制；( 2 ) 冰蓄冷空调系统普及促进融资制度；( 3 ) 金融上的助成制度。 电力部门的具体政策有：( 1 ) 电价优惠制度；( 2 ) 冰蓄冷空调系统奖励金制 度；( 3 ) 冰蓄冷空调系统的租赁制度【1 2 m 】。 我国台湾省自1 9 8 4 年建成第一个冰蓄冷空调系统以来，蓄冷技术发展很快。 由1 9 9 2 年的3 3 个蓄冷空调系统，到1 9 9 3 年为1 4 2 个，到1 9 9 4 年就已建成2 2 5 个蓄冷空调系统，总冷量高达2 0 0 9 万千瓦时；移稼高峰用电超过5 2 0 0 0 千瓦，用 户每年节省台币达3 1 5 万元。 蓄冷技术在我国大陆地区发展比较缓慢。7 0 年代以后，我国在体育馆建设中 采用了水蓄冷空调技术，取得了一定的效果。此后，也开始在其他一些建筑中应 用。冰蓄冷在我国的出现最早是在1 9 9 3 年5 月，首先中电深圳工贸公司在办公楼 中应用了法国c i a t 公司的冰球式蓄冷系统，使装机容量降低4 5 以上；同年北京 西冷工程公司开发研制的有压式齿球蓄冷器在北京日报社综合楼和广州市面上某 办公楼的空调系统中取得了良好的社会效益和经济效益；同时浙江国祥制冷工业 公司推出了完全结冻式冰蓄冷系统在浙江诸暨百货大楼实行了国产大型冰储冷首 例中央空调系统，仅用一年时间就完成了设计施工任务，并于1 9 9 5 年8 月1 0 日 调试成功投入运行。储冰蓄冷国产化的成功，克服了冰储冷中央空调投资大的缺 点，对推广冰蓄冷空调事业起到很好的促进作用。截至2 0 0 2 年6 月国内冰蓄冷项 目累计2 1 3 个，杭州、北京、山东三地冰蓄冷项目占全国近半份额。 4 伽 撇 撇 撇 姗 啪 脚 舢 。 浙江工业大学硕士论文无机盐溶液相变蓄冷特性及系统研究 1 3 蓄冷技术概述 1 3 1 基本原理 所谓蓄冷就是在夜间用电低谷期，采用电动制冷剂制冷，利用物质的显热或 潜热特性将冷量储存在某种物质中，在白天用电高峰时将冷量释放出来，满足建 筑空调或生产工艺用冷的需求。图1 2 为一个典型的蓄冷系统示意图。 1 3 2 各种蓄冷方式简介 图1 - 2 典型蓄冷系统示意图 蓄冷技术按蓄冷介质主要可分为水蓄冷、冰蓄冷、共晶盐蓄冷几大类，其中 水蓄冷为显热蓄冷，而其它均为潜热蓄冷。 ( 1 ) 水蓄冷 水蓄冷是一种利用4 - - 6 的低温水进行蓄冷的方式，由于它利用显热蓄冷的 方式，故单位体积的蓄冷容量仅为5 9 , - - , 1 1 3 k j m 3 。在理想的状态下，蓄冷槽中的 冷热水由于密度的不同被斜温层分开。在释冷的时候，低温水从蓄冷槽底部缓慢 流出，释冷结束后又以较低的流速返回蓄冷槽上部，这样就可以将冷热水的混合 降到最低程度。这种系统对于某些夜晚温度比白天明显低的地方尤为合适。水蓄 冷系统早在1 9 8 0 年以前就已经成功地投入使用，这种蓄冷方式被广泛应用主要的 原因有：投资费用低、经济效益好；控制简单、设计方便、运行可靠；由 于以水为蓄冷材料，可节省蓄冷介质费用；其设备及控制方式与传统空调相似， 浙江工业大学硕士论文无机盐溶液相变蓄冷特性及系统研究 因此运行和维护不必经过特别训练；在有条件的地方可以利用当地已有的消防 水槽做为蓄冷槽。但是水蓄冷方式的缺点也是显而易见的，也制约了它的发展： 蓄冷密度低，需要较大的储存空间，使用受到空间条件的限制；蓄冷槽体积 庞大，表面热损失也相应增加；蓄冷槽内不同温度的冷冻水容易混合，影响蓄 冷效率；开放式蓄冷槽，水与空气直接接触易滋生细菌，管路也易锈蚀【1 4 1 。 ( 2 ) 冰蓄冷 冰蓄冷是利用冰的相变潜热进行冷量储藏的一种方式，它的蓄冷密度可高达 3 3 4 k j k g 。从总体上来说，冰蓄冷系统的优点主要可以归结为以下几点：蓄冷 密度高，蓄冷槽空间小，蓄冷槽散热损失较少；冰蓄冷系统可提供低温冷冻水， 减少了泵的动力，节省了管路费用；冰蓄冷的冷风供应可减小风扇功率，降低 风扇噪声；末端冷气速度快，除湿能力强，提高了空调的品质。尽管冰蓄冷系 统有不少优点，但其缺点也同样存在：蓄冷槽及冷冻水管路温度较低，需加强 保冷防潮；系统设计相对复杂，设计、施工、操作技术要求较高；增加蓄冷 设施费用，初期投资较高；由于相变的产生往往伴随着过冷度的发生，所以主 机c o p 值也相应降低了，同时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很多【1 5 6 1 。 ( 3 ) 气态水合物蓄冷 2 0 世纪8 0 年代美国橡树岭实验室开始以r ll 、r 1 2 等为工质研究气体水合物蓄 冷。在气液平衡状态下，这种材料可在8 1 2 左右结晶，这一特性可大大提高蓄 冷系统压缩机的效率，因为此时压缩机可运行在蒸发温度为5 c 左右的空调工况， 而不是常规冰蓄冷系统中蒸发温度一5 的制冷工况，并且氟利昂气体水合物生成 时释放出较大的合成反应热( 2 0 0 - 4 0 0j g ) ，但该方法还有一系n i 与- j 题有待解决， 如制冷剂蒸汽夹带水分的清除、防止水合物膨胀堵塞等，工程应用还有一定困难 【1 7 - 1 8 】 o ( 4 ) 共晶盐蓄冷 共晶盐蓄冷是另外一种被广泛应用的蓄冷系统。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。蓄冷介质必须具备以下几个条件：合适的 相变温度，相变材料的熔化温度应该和应用的要求相符合；较大的相变潜热； 6 浙江工业大学硕士论文无机盐溶液相变蓄冷特性及系统研究 合适的导热系数( 导热系数一般宜大) ，这样有助于热量的吸收和释放；相变为 可逆相变，无过冷或过冷很小，性能稳定；无毒，对人体及环境无害；较快 的结晶速度和晶体生长速度：贮能密度较大；原料易购、价格便宜。 共晶盐具有相变温度高的特点，所以可以使用普通的空调冷水机组，克服了 冰蓄冷要求很低蒸发温度的弱点。但是共晶盐蓄冷在蓄、放冷过程中换热性能较 差，设备投资也较高，在实际应用中的层化、过冷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【i l 】。 1 3 3 几种蓄冷方式的比较 前面对各种蓄冷方式作了一些简要阐述，现对这几种蓄冷方式性能作一下综 合比较，如表1 1 所示。 表1 1 不同蓄冷方式比较【1 8 】 气体水合 式 水蓄冷静态冰蓄冷动态冰蓄冷共晶盐蓄冷 膀 物蓄冷 蓄冷槽尺寸 8 1 01 l2 30 8 9 - l 蓄冷温度( ) 7 008 1 25 1 2 机组效率比较 1 0 6 - - 0 70 。6 - 0 70 9 2 , 0 9 5o 9 8 1 热交换机性能好一般好差好 冷量损失一般大大小小 泵一风机能耗 lo 70 7 - - - 0 91 0 5l 投资比较 o 611 3 1 61 3 2 01 2 1 5 为进行比较的基准 1 3 4 蓄冷系统 根据不同的制冰方式，蓄冷系统可分为多种不同类型 1 9 - 2 1 】，如图1 3 所示 7 浙江工业大学硕士论文无机盐溶液相变蓄冷特性及系统研究 制冰方式 固冰 图1 3 蓄冷系统制冰方式分类 1 3 5 蓄冷系统运行策略及流程配置 ( 1 ) 蓄冷系统运行策略 所谓运行策略是指以设计循环周期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共同供冷做出最优的运行安排。一般可 归纳为全部蓄冷策略和部分蓄冷策略。 全部蓄冷策略其蓄冷时间与释冷时间完全错开。在夜间用电低谷期，启动制 冷机进行蓄冷，当所蓄冷量达到所需冷量时，制冷机停机；在白天释冷时，蓄冷 系统将冷量转移到用户端，制冷机不运行。全部蓄冷时，蓄冷设备要承担负荷所 需的全部冷量，故蓄冷设备的容量较大，初投资比较大。但这种策略转移尖峰电 力最多，运行费用最节省，特别适合负荷大，使用时间短的场合。此策略移峰填 谷效果明显。 部分蓄冷策略是在夜间非用电高峰时制冷设备运行，储蓄部分冷量，白天释 冷期间部分空调负荷由蓄冷设备承担，另一部分则由制冷设备承担。部分蓄冷策 略运行时间长，压缩机容量及蓄冷量均明显减少，投资费用大幅度降低，适合负 荷变化大的场合【1 9 2 2 。 ( 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上游和蓄冷槽上游两种。 并联流程 图l - 4 为制冷主机与蓄冷槽并联。其优点是可以兼顾压缩机与蓄冷槽的容量和 8 浙江工业大学硕士论文无机盐溶液相变蓄冷特性及系统研究 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：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，所以一般以采用串联流程为多。 串联流程 c o o l a n ti n t e r 图l - 4 主机和蓄冷槽并联流程示意图 l a n to u t l e t 主机在蓄冷槽下游：图1 5 所示为主机在蓄冷槽下游的串联流程，温度较高的 回流冷媒先流经蓄冷槽，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， 此方式适用于工艺制冷和低温空调制冷。 o d 0 l 锄ti 理苎，几s t o r a g e 习t a n k j 面五 3 l 肌t o u t l e t 叫卜_ 叫c h i l l e r 卜+ 图1 - 5 主机和蓄冷槽上游的串联流程示意图 主机在蓄冷槽上游：图1 - 6 所示为主机在蓄冷槽上游的串联流程，温度较高的 回流冷媒先流经主机，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【u , 1 9 1 。 蛐i 唑厂c h i 1l e r 丁s t o r a g e 砷t a n k 硫矾e t 一卜一一 图l - 6 主机和蓄冷槽下游的串联流程示意图 1 4 当前蓄冷技术研究热点及展望 ( 1 ) 建立与蓄冷相结合的低温送风空调系统 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，是 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 9 浙江工业大学硕士论文无机盐溶液相变蓄冷特性及系统研究 系统所产生的低温冷水，且运行费用低、效率高、c o p 值大、电力需求小、空气 品质优良，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【2 3 调。 ( 2 ) 开发新型的蓄冷机组和高效压缩机 对于分散的、暂时还不具备建造集中式供冷站条件的建筑，可以采用中小型 蓄冷机组。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 值口7 1 。 ( 3 ) 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、成核性能及长期稳定性是目前该技术要解决的主要问题【2 引。 ( 4 ) 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【1 7 1 。 ( 5 ) 建立科学的蓄冷系统经济性分析和评估方法 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、缩短投资回收期才能被采用【2 9 1 。 ( 6 ) 蓄冷系统的优化控制蓄冷 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 l o 浙江工业大学硕士论文无机盐溶液相变蓄冷特性及系统研究 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 n a m m 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 1 3 0 - 3 2 1 。 ( 7 ) 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，其它领域的应用不多，随着蓄冷技 术的逐步发展成熟，有望扩展其应用范围。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 间歇的，应用蓄冷技术可以带来经济效益，具有良好的应用前景【3 3 1 。 1 5 相变蓄冷材料的研究综述 蓄冷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，是和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) 优化的重要手段。 1 5 1 蓄冷材料的要求 相变蓄冷材料一般要求相变温度必须在负荷工作温度范围内，否则冷量既无 法储存也无法取用。融点在所要求的工作范围之内：单位体积的潜热比较大；融 化一凝固过程稳定可靠；没有过冷及相分离现象；蓄冷材料的传热性能好；相变 过程中体积变化小。化学性能稳定、无毒、不爆炸、无腐蚀、对材料兼容性好。 相变动力学方面要有较高的固化结晶速率。各组分来源要求容易，价格便宜。 1 5 2 蓄冷材料的分类及特性 相变蓄冷材料的种类很多，存在的形式也各种各样。迄今为止，人们研究过 的天然和合成的蓄冷材料已超过4 3 0 0 多种。美国d o w 化学公司对近两万种的蓄冷 材料进行了测试，发现只有1 的相变材料( p c m ) 可以进一步研究。 从相变材料相态的变化方式来看，可分为固一液相变、固一固相变、固一气 相变和液一气相变四类。由于气体占有的体积大，固一气相变和液一气相变体系 体积变化大、设备复杂、经济实用性差，所以尽管其相变潜热较大，实际上很少 l l 浙江工业大学硕士论文无机盐溶液相变蓄冷特性及系统研究 用于蓄冷。目前，固一液相变材料和固一固相变材料两大类研究较多。固一液相 变材料主要优点是价格便宜，但是存在过冷和相分离现象，从而导致蓄冷不理想； 易产生泄漏问题，污染环境；腐蚀性较大，封装容器价格高等缺点。与固一液相 交材料相比，固一固相变材料具有不少优点：可以直接加工成型，不需容器盛装； 固一固相变材料膨胀系数较小，相变时体积变化较小；不存在过冷和相分离现象， 不需要加入防过冷剂和防相分离剂；毒性很低，腐蚀性很小；无泄漏问题，对环 境不产生污染；组成稳定，相变可逆性好，使用寿命长；装置简单，使用方便。 固一固相变材料主要缺点是相变潜热较低，价格较耐3 4 】。 按相变温度的范围可分为：高温、中温和低温蓄冷材料，高温材料在2 0 0 - - - 1 0 0 0 范围，主要是一些无机盐类，适用于一些特殊的高温环境；中一低温材料相变 温度在2 0 2 0 0 范围，主要是一些无机盐水合物、有机物、高分子，其适用于民 用、冷藏工业等【3 5 】。 从材料的化学组成来看，可分为无机相变材料、有机相变材料和混合相变材 料三类。有机物相变材料一般相变潜热低，而且易挥发、易燃烧、价格昂贵，特 别是其热导率较低，相变过程中的传热性能差。在实际应用中通常采用添加高热 导率材料如：铜粉、铝粉或石墨等作为填充物以提高热导率，或采用翅片管换热 器，依靠换热面积的增加来提高传热性能。但这些强化传热的方法均未能解决有机 相变材料热导率低的本质问题。无机相变材料包括结晶水合盐、熔融盐等无机物； 有机相变材料包括石蜡、羧酸、酯，多元醇等有机物；混合相变材料主要是有机 和无机共融相变材料的混合物。无机盐是比较有前途的蓄冷材料，因为它们具有 较高的体积蓄冷密度而且价格适中。但是，过冷和相分离也限制了它们的应用 3 6 - 3 8 。 1 5 3 蓄冷材料的过冷问题 相变材料在相变过程中的过冷问题会使制冷主机效率( c o p ) 下斟1 1 1 。国内外对 相变材料的过冷问题进行了大量的研究。 v o n n e g u t 3 9 】早在1 9 4 7 年就用x 射线照射法来探测多种物质的晶格构造，发现 与冰的六角形晶格最为接近的物质被用来做成核添加剂会大大改善水在相变过程 中的过冷现象。次年，s m i t h - j o h a n n s e n 4 0 1 通过实验发现人造石墨乳的成核特性比 1 2 浙江工业大学硕士论文无机盐溶液相变蓄冷特性及系统研究 a g i 更优。斋藤彬夫1 4 1 4 6 】认为，在外界条件一定时，相变的发生不是一个确定事件， 他提出用概率的方法描述相变的发生与过冷度之间的关系。稻叶英男【4 7 4 9 1 在对大 量实验进行分析后认为：当使用玻璃试管时，水与试管的接触面积对过冷度的影 响不大；当使用不锈钢试管时，水与试管的接触面积对过冷的影响较大；在一定 范围内，随着试管内壁粗糙度的降低，过冷度增大，但超出此范围后，过冷度不 再受内壁粗糙度的影响；过冷度与冷却速度成正比，水中不同的杂质对过冷度有 不同的影响：水中悬浮粒子粒径小于某一值时，过冷度随悬浮粒子粒径的增大而 减小，超出这一值后，过冷度不再随之变化。w a k o m o t o 5 0 l 也报道了基体表面粗糙 度对过冷溶液发生相变的影响，他认为相变基体的表面粗糙度的增大能够较好促 进过冷溶液发生相变。s i h - l ic h e n 等【5 l - 5 2 1 报道了实验研究容器大小、成核剂添加量 和环境温度对水冰溶液成核特性的影响情况。w a t a n a b e 【5 3 】对玻璃粉末对水结晶的 过冷度和晶体生长率的影响进行了研究，他采用显微镜观察实验结果，发现玻璃 粉末可以明显抑止水的结晶过程。t i n a d a 等【5 4 】研究发现2 8 k h z 的超声波可以使水 溶液的成核特性得到大大改善。r s j o h a n n s e n 4 0 报道了用1 m h z 的超声波刺激水 体，使其具有相对较高的过冷度( 约3 ) ；k o h s a k a 5 5 j 研究发现，频率为2 1 k h z 的 超声产生的空化泡能使水在过冷度仅为5 时成核结冰。t h o z u m i t 5 6 】等详细研究了 不同频率及声强的超声波对水的作用，认为超声波对水溶液的过冷度没什么影响。 国内浙江大学张绍志【5 。7 】报道了成核添加剂对板单元蓄冰过程的影响，并给出 了非均匀相变方式结冰概率的计算方法；王葳等【5 8 】报道将8 0 0 k h z 超声加于冷却中 的水体，并且研究了连续波和脉冲波对水的过冷度的影响，发现超声可以较大幅 度地降低水的过冷度。广州能源研究所的郭开华【5 9 1 等人研究了超声波对气体水合 物成核的影响，结果表明超声波对水合物的结晶成长有明显的影响。同济大学 6 0 l 报道了成核剂对k c l 共晶盐过冷度的影响。中国科技大学的方银贵【6 1 1 ，重庆建筑大 学的孙纯武【6 2 】等也报道了成核添加剂对过冷溶液相变的影响。 总之，针对相变溶液的过冷问题已经取得许多有意义的结论，很多成果已应 用于工程。 1 5 4 蓄冷材料相变传热过程综述 相变传热问题最早是由s t e f a n 于1 8 9 0 年研究半无限大冰块的融化问题时提出 浙江工业大学硕士论文无机盐溶液相变蓄冷特性及系统研究 的。他假定固相一开始处于融解温度，需要求解的只是液体区中的温度。n e u m a n n 6 3 】 提出了更合理的模型，他考虑了过冷的问题，这时就需要求解固体和液体两个区 域中的温度场，又称为双区域相变问题。无论哪一类问题，都只是对极少数简单 情形才能获得精确解。这是因为这种相变的导热问题中，不仅固相区和液相区的 边界面的位置不确定，随时间的变化，而且边界上的能量平衡条件也是非线性 6 4 1 的。此外，液体区中还存在自然对流，增加了问题的复杂性。 纽曼得出了半无限大区域的凝固过程的解，它是相变问题的第一个，也是最 重要的一个精确解。i n g e r s o l 和z o b e l 假定薄冰层内的温度梯度保持均匀不变，分 析得出水表面上板状薄冰形成的近似解。l