冰箱组合式相变材料蓄冷的实验研究.doc

冰箱组合式相变材料蓄冷的实验研究2006年第2期制冷技术l3冰箱组合式相变材料蓄冷的实验研究陈英姿刘益才杨智辉(伊莱克斯(中国)电器有限公司长沙410118)(中南大学长沙410083)【摘要】本文从冰箱蓄冷的研究现状出发,提出了一种新的冰箱蓄冷方法一一采用组合式相变材料蓄冷的方法.通过对组合式相变材料的相变温度和相变潜热的DSC测试结果和冰箱降温保温实验结果分析可知,采用组合式相变材料蓄冷可以延长冰箱的保冷时间,可以作为一种新的冰箱蓄冷方案.【关键词】组合式相变材料相变蓄冷冰箱Experimentalinvestigationonrefrigeratoremployingphasechangeablecompoundmaterials【Abstract】Formtheinvestigationstatusforthecoolingstorageoftherefrigerator,anewmethodhasbeengiven,whichisemployingmultiplephasechangematerials.ThroughthemeasuringofthephasechangetemperatureandthelatentheatofphasechangematerialsbyusingDSC,andaccordingtotheanalysisontheexperimentalresultsofthetemperaturekeepingoftherefrigerator,oneconclusionCanbereceivedthatthetimeofkeepingthedesigntemperatureoftherefrigeratorwouldbeprolonged.AndSO,employingmultiplephasematerialswouldbeanewmethodforthecoolingstorageoftherefrigerator.【Keywords】Multiplephasechangematerials,phasechangecoolingstorage,refrigerator.0前言能量贮存是节能工作的重要环节,在相变贮能研究和应用领域,西方发达国家兴起较早,在材料及工程应用技术等方面已经形成了卓有成效的工作.近几年来,国内外都广泛开展了蓄冷技术在空调方面的研究和应用,而蓄冷技术在家用冰箱中的应用目前还很少见到.然后,家用冰箱中采用蓄冷技术可以延缓冰箱温度回升时间,减少冰箱内温度波动;减少冰箱压缩机的启动次数,节约能源;还有可以用来快速冷却啤酒,饮料等很多优点.目前在冰箱上采用的蓄冷节能器是在封闭容器内盛装固一液相变换热材料,或者固液和固固相变材料的混合体.采用相变蓄冷系统的显着特点是蓄冷密度大,但是其炯效率较低,仅与显热蓄冷系统的炯效率相当.尽管相变蓄冷系统的研究与应用已有很长的历史,但是直到1985年Bjurstrom和Carlson第一次对相变蓄冷系统蓄冷一放冷循环相变过程的炯效率分析研究,人们才真正定量化了解相变蓄冷系统的炯效率低达12%.提高相变蓄冷系统的热效率和传热速率的传统方法有两种,一是选择或合成高性能的相变材料;二是优化蓄冷系统结构和运行参数.然而,更重要的方法是依赖于对传统蓄冷系统的改进.组合式相变材料蓄冷系统是在传统相变蓄冷系统基础上提出的一种新型相变蓄冷方式,具有很大的应用潜力,下面我们就对其进行一定的研究.1组合式相变材料蓄冷系统的原理相变蓄冷的相平衡曲线见图l所示,Bellecci等首先提出并研究了采用两种水合盐为相变材料的两级相变蓄冷系统.它是组合式相变材料蓄冷概念的延伸,可以使系统效率显着提高.TC图1蓄冷剂的相平衡曲线图组合式相变材料蓄冷的新思路自1986年首次提14制冷技术2006年第2期出至今只有十多年的时间,目前在理论和实验研究方面都已取得了明显进展.但是,由于该思路本身的特点和迄今为止的研究内容仍十分有限,所以在获得工程应用之前,理论研究和实验研究工作有待于进一步进行.组合式相变材料蓄冷系统的原理就是:在同一相变蓄冷系统中应用相变温度不同的两种或两种以上相变材料,也即是选择特定的相变材料进行合理组合可望提高相变蓄冷系统的炯效率.前人的研究表明:采用多种相变材料组合,对于其显热蓄冷和放冷过程的传热速率无明显改善,但是潜热蓄冷和放冷过程的传热速率可以提高15%.如果采用纯度更高,相变温度恒定,其潜热蓄冷和放冷过程的炯效率将更高.2组合式相变材料蓄冷的试验研究方法由于组合式相变材料具有提高相变蓄冷炯效率的显着作用,故在本节对其试验方法进行一定的研究,实验研究结果见下一节.2.1问题的提出在同一蓄冷系统中采用相变温度不同的相变材料合理组合可以显着提高系统效率,并能够维持相变过程中相变速率的均匀性.这一特性对于蓄冷或放冷时间有严格限制的蓄冷系统具有重要意义.目前已知的适用于工作温度从一25cI=1O范围的相变材料有很多,这方面的主要材料可以参见相关文献,这为组合式相变材料蓄冷的研究提供了良好的选择条件.在组合式相变材料蓄冷系统研究中,相变材料可能组合方式主要有三种:2.1.1沿传热流体流动方向分别放置相变温度不同的两种或两种以上的相变材料蓄冷单元.2.1.2在冰箱冷冻室中通过合理组合,同时放置相变温度不同的两种或两种以上的相变材料.这是作者在冰箱蓄冷方面的创新设想,具体实验研究结果见下一节的内容.2.1.3还有就是在同一种蓄冷单元中放置两种溶解度不同,其相变温度也不同的蓄冷材料,组成三元或多元水合盐.迄今为止,以上提到的后面两种组合方式还没有文献报道和开展具体的研究工作.通过后面的初步实验结果,可以预计,这一新型的组合方式不仅能够实现高的系统效率而且蓄冷或放冷速率会更趋稳定.2.2试验布置物理模型组合相变材料蓄冷试验模型如图2所示,相变过程示意图如图3所示.A图2相变材料蓄冷和释冷简化模型固相区液相区图3相变过程示意图相变材料封装在一个扁平的蓄冷单元中,在同一蓄冷单元内只封装一种相变材料.不同种类的相变材料蓄冷单元按相变温度的高低顺序自左向右排列.蓄冷过程和放冷过程的流动方向相反.为模拟方便,假定:2.2.1忽略传热流体在垂直于传热流体流动方向上的流速和温度梯度;2.2.2蓄冷盒内封装的相变材料的融化过程为自然对流与接触融化的耦合,固化过程为导热控制的相变过程,其固化和融化过程如图3所示;2.2.3相变材料在给定的温度范围内只发生固液相变,并不存在过冷和性能衰减;2.2.4盒内封装的相变材料在相变前后的体积变化对相变过程的影响可以忽略不计;2.2.5忽略蓄冷盒本身的传热热阻.2.3试验方法对于采用组合式蓄冷材料的冰箱系统来说,其蓄冷试验方法与采用单一蓄冷材料的冰箱系统的蓄冷试验方法相当,也既是先对单一蓄冷材料的蓄冷相变温度和相变潜热等进行较全面的测量,然后再选择合适的蓄冷材料组合进行冰箱系统的蓄冷实验,由于本文的研究重点是组合式相变材料的实验研究,故在此就不对其详细的实验方法进行说明,有兴趣的研究人员可以和我们一起探讨.3初步研究结果3.1DSC测试结果我们采用美国PE公司生产的差示量热扫描仪(DSC)测试了由两种冰箱蓄冷水合盐组合而成的蓄冷相变材料的相变温度和相变潜热,其测试结果见表1所示.2006年第2期制冷技术l5表1差示量热扫描仪(DSC)测试结果组合相变材料配方l#配方2#相变温度()一9.5l821.303相变潜热(J/g)288.994235.337从表1中我们可以看出,不同的组合和配方具有不同的相变温度和相变潜热,而要延长冰箱的保温时间,且减少冰箱冷冻室内的传热温差,在采用相变潜热大的蓄冷水合盐进行组合的同时,还要考虑到不同材料的组合.3.2冰箱实验测试结果本次实验选用伊莱克斯某型号的冷藏冷冻箱.实验方法为:按照冰箱的冷冻能力要求,即冷冻室容积为45升时,对应的组合式蓄冷材料为3kg,也即是每种蓄冷材料配方各半配置,其他的冷冻负荷均一样,在实验时只是把对应的冷冻负荷置换成对应的蓄冷材料.实验时,把组合式蓄冷材料放置在冷冻室最/-,/廷上层的蒸发器盘管上面,位于冷冻室内胆和蒸发器盘管之间,蓄冷材料采用盒式结构封装.把蓄冷材料放置好以后,让冰箱开机运行,使冷冻冷藏箱的冷冻室温度分布和冷藏室温度分布均符合规定的温度要求,然后让冰箱断电停机保温,测量蓄冷材料封装结构的表面温度.图6中的温度为冰箱冷冻室平均回升温度.采用组合式蓄冷材料的冰箱保温实验结果见图4,进行了三次重复实验.图5为使用单一蓄冷材料的冰箱保温实验结果.图6为没有放置蓄冷材料时冰箱冷冻室的温度回升曲线.从图4中可以看出,采用了组合式蓄冷材料的冰箱温度回升时间(低于一3C)接近50小时,而图5显示了采用单一蓄冷材料的冰箱温度回升时间(低于一3C)为30小时,图6显示了没有采用蓄冷材料的冰箱冷冻室温度回升时间(低于0C)只有7小时.1一第一次实验;2一第二次重复实验;3一第三次重复实验图4采用组合备材料的冰箱温度回升曲线时间(h)图5单一蓄冷材料的冰箱温度回升曲线因此,从图4,图5和图6的对比中我们可以看出:采用组合式蓄冷材料的冰箱比采用单一蓄冷材料的冰箱具有更好的保温性能;同时,使用蓄冷材料的冰箱均比不使用蓄冷材料的冰箱的保温时间大大延长.图6没有蓄冷材料的冷冻室温度回升曲线这主要是因为组合式相变材料在相变过程中,有效地减少了与冰箱冷冻室之间的温差,提高了传热效率;另一方面是充分利用了不同相变材料的相变温度区间和相变潜热,从而延长了冰箱的总体保温时间.赠16制冷技术2006年第2期4总结从本文的研究中,我们可以初步看出,组合式相变蓄冷材料在冰箱蓄冷中的应用前景.组合式蓄冷材料具有延长冰箱保温时间的作用,与采用单一相变材料的蓄冷系统相比,采用与冰箱运行工况相匹配的组合式相变材料的蓄冷系统具有相当的优势,但必须经过大量的实验来进行验证.2006年家用/商用中央空调工程设计实例大奖赛征稿启事为了推动我国家用/商用中央空调行业技术进步和发展,为家用/商用中央空调行业提供技术交流的平台,为相关企业提高知名度提供机遇,为一些工程技术人员评定,晋升职称创造条件,上海家用电器行业协会决定继续主办,并由上海市制冷学会制冷技术编辑部,常州市艾肯网络广告有限公司中央空调资讯编辑部协办的(2006年家用/商用中央空调工程设计实例大奖赛征稿活动开始征稿.来稿将由专家组成的评审委员会进行评比.对优秀工程设计实例,除在家用中央空调,制冷技术,中央空调资讯媒体上发表,支付稿酬外,还将颁发获奖证书,并给予物质奖励.此次大奖赛征稿要求如下:1.工程范围本次大奖赛征稿限于2004年以后竣工并投入使用的家用/商用中央空调工程设计实例.已在报刊杂志,学术会议,研讨会发表过的工程设计实例和其他大奖赛录用过的工程设计实例,请勿重投.2.稿件内容2.1工程名称:所在地区,竣工时间,设计单位及主要设计人员.2.2工程概述:建筑用途,建筑总面积,建筑物层高,温度,湿度要求等.2.3专业要求:工程特色和设计方案特点的分析,技术上的创新,推广价值等.2.4在设计,工艺布局,调试,解决疑难问题,及一些具体操作工艺问题等方面的经验,体会.2.5空调设备特点及生产厂.选用该空调设备的原因(切忌罗列产品样本广告用词).2.6经济运行分析和应用效果.3.写作要求3.1来稿必须内容真实,文字通顺,数据准确.每篇稿件(包括图表篇幅内)一般不超过6000字.每篇稿件应附有空调布置示意图12幅.示意图不必标注具体尺寸,应和文稿列举的布置,构造特色相对应.3.2每篇稿件应有一段不超过200字的内容摘要,放在稿件首段.摘要内容阐明本工程设计方案的特点,优点,技术创新,推广价值等.3.3文稿及图表均可用电脑打印,请附上光盘及打印稿.字迹务须清晰端正,图表只需黑白两色,线条及符号必需清晰.3.4来稿必须采