相变蓄冷球蓄释冷过程数值模拟

相变蓄冷球蓄释冷过程数值模拟

由于能源集团的间歇性和易受天气影响，它是一个被放置的因素之一。与蓄冷结合,在日照充足时利用太阳能制冷并蓄冷,在夜间或日光不足时释冷并供给用户,有助于提高系统的稳定性和太阳能利用率,并可提高太阳能空调运行的灵活性。现有的小型太阳能空调多数不设置蓄冷装置,而大中型太阳能空调以水蓄冷为主。相比传统蓄冷方式,相变蓄冷有着突出的优点,并与太阳能空调系统有着更好的匹配性,具体体现在以下四个方面:1)水蓄冷的蓄冷密度低,蓄冷设备体积大。通常而言,相变材料的储能密度是同体积显热储能物质的5~14倍,可大大缩小蓄冷设备体积,对系统优化设计具有重要的意义。2)水蓄冷的蓄冷温度一般要求4~6℃,冰蓄冷的蓄冷温度一般要求-3~-9℃。太阳能空调研究成果表明,为了获得较高的热力COP以及太阳能利用率,以提高太阳能空调的经济性和市场竞争力,高效太阳能空调的运行工况往往采用较高的冷冻水工作温度。太阳能空调冷冻水供水温度一般在12℃以上。可见,水蓄冷和冰蓄冷工作温度无法适应太阳能空调的高效运行工况。相变蓄冷能够根据太阳能空调的制冷目标调节蓄冷单元的相变温度,与太阳能空调高效运行工况具有潜在的适配性。3)受太阳辐射强度和制冷方式的影响,太阳能空调冷冻水温度往往具有波动性,若直接供给用户往往会造成室内供冷不均匀。采用相变蓄冷,因其相变温度相对恒定,可保持供水温度稳定,提高室内热舒适性。4)太阳能空调往往在日照充足时才能实现高效运行,然而,由于建筑功能的多样性,建筑空调使用时间与太阳能空调的高效运行时间往往不尽吻合。蓄冷可以协调太阳能空调产能与建筑用能之间的差异,使太阳能空调的应用更加灵活,这也很大程度提高了系统的利用率。相变蓄冷的理论研究已较为成熟,而目前空调领域的蓄冷大多采用稳态冷源,即蓄冷相变过程中冷冻水温度相对恒定。蒋久轶等对稳态冷源工况下单个冰球蓄冷的传热过程进行了研究。李晓燕等建立了常规空调工况下蓄冷球数学模型,分析得到蓄冷过程相界面移动规律及影响因素。S.Wu等建立了蓄冷球堆积床及冰盘管蓄冷器数学模型,得到冷冻水温度及蓄冷器结构对蓄冷性能的影响。李先庭等建立了冰球式蓄冰罐数学模型,并考虑了冷冻水与冰球间的相互作用、冰球相变换热特性以及蓄冰罐的热损失。然而,相比常规空调系统,太阳能空调受太阳辐射的影响,其冷冻水温度很难保持稳定,因此,太阳能空调的相变蓄冷过程属于非稳态冷源作用下的相变蓄冷。这里针对太阳能空调的非稳态特点,在自制的相变材料基础上,对蓄冷球稳态传热过程进行理论分析,得到蓄冷球温度分布、蓄/释冷量和蓄/释冷速率的变化规律,并对运行工况和蓄冷球结构对蓄冷过程的影响进行讨论。以自制相变材料灌装蓄冷球,进行单个蓄冷球蓄/释冷实验,验证理论结果。此外,基于太阳能吸附式空调冷冻水温度的实验曲线,对太阳能空调非稳态蓄冷过程进行模拟,分析了蓄冷过程蓄冷球内温度分布及温度变化,得到了对改进太阳能空调蓄冷运行和控制有益的结论。1采用低共熔体系采用步冷曲线法对不同摩尔比例的癸酸、月桂酸混合溶液进行测试,得到二元体系的低共熔点为18.01℃,低共熔摩尔比例为70:30。以癸酸-月桂酸低共熔体系为基液,加入一定摩尔比例的油酸调整材料的相变温度,再加入纳米粒子改善材料导热性,超声振荡使各组分充分融合。以自制相变蓄冷材料加工蓄冷球,材料热物性及蓄冷球的结构参数如表1所示。2相变传热过程控制方程采用焓法对蓄冷球建立数学模型。假定:1)初始时刻球内相变材料温度均匀一致;2)蓄冷球内相变材料的热量传递以导热为主,忽略自然对流的影响;3)材料有单一相变温度,相变过程中无相分离和过冷现象;4)材料的固相与液相物理性质不同,但均不随温度变化;5)相变时固-液相界面规则地由蓄冷球内壁向球心推移。假定条件下,相变传热过程控制方程为:其中:温度与焓的关系可表示为:初始条件:边界条件:使用C++编程,空间离散步长Δr=0.001m,时间离散步长Δt=0.4s。通过数值计算可求出蓄冷球的蓄/释冷量、蓄/释冷速率、完成时间以及相变过程球内温度分布等。3温度升温实验在蓄冷球上嵌入4个铂电阻,测温点分别距离球心0mm、10mm、20mm、30mm,如图1(a)所示。铂电阻精度±0.1℃,恒温水浴精度0.01℃,温度波动度±0.05℃。充分密封后,将球浸入图1(b)所示低温恒温循环器中进行蓄冷、释冷实验。测试初始温度为25℃的蓄冷球在12℃水浴中蓄冷过程的温度变化,以及初始温度为12℃的蓄冷球在21℃水浴中释冷过程的温度变化。采用KEITHLEY2700数据采集器记录蓄冷球的逐时温度。4结果讨论4.1蓄冷过程及蓄冷速率变化规律图2为典型工况下,蓄/释冷过程蓄冷球内温度分布理论与实验值。蓄冷阶段,蓄冷球显热降温10min后开始凝固。初始时有轻微过冷,之后温度缓慢下降。170min左右球心温度已远离相变温度,可判断相变结束。此后蓄冷球各处温度逐渐趋于12℃。释冷阶段,蓄冷球显热升温10min后开始融化,温度趋于平稳。170min材料出现骤然温升,认为相变结束。再经历10min显热温升后,蓄冷球各处温度逐渐趋于21℃。凝固和融化时间均随测点与球心距离减小而延长。靠近球壁处的材料温度曲线没有明显的相变特征,这是因为相变过程中该部分材料的导热量相对较大;而球心处几何结构对称,导热量很小,相变较特征明显。理论结果与实验结果较吻合。相同工况下,蓄冷球能量变化如图3所示。蓄冷过程分为三阶段:1)初始阶段,材料发生相变放出大量潜热,蓄冷量快速积累。随着蓄冷的进行,材料固态比例增大,导热热阻增加,蓄冷速率迅速减小,但保持1W以上。初始阶段占蓄冷总时间的40.9%,蓄冷量占蓄冷总量77.8%,蓄冷效率很高。2)第二阶段,蓄冷速率减小的趋势以及蓄冷量增长的趋势均减缓,170min相变结束。3)第三阶段,蓄冷量不再有明显增长,约220min蓄冷速率低于0.1W,可认为蓄冷结束。该阶段从相变结束至蓄冷结束,蓄冷量仅占总量3.4%,但时间占蓄冷总时间22.7%,蓄冷效率很低。释冷过程呈现与蓄冷过程相似的规律。前40.5%时间内,释冷量占总量77.4%;随着释冷进行,释冷量增长及释冷速率减小的趋势均减缓;自160min相变结束至210min释冷结束,释冷量仅占总量3.7%,而时间占总时间23.8%,为低效率阶段。蓄冷总量与释冷总量分别为17.30kJ、16.46kJ。4.2影响冷态的因素分析4.2.1蓄冷球径的影响图5为一定工况下球径对蓄冷球蓄冷过程影响的理论分析结果。球径增大,单球包含材料的质量增加,总蓄冷量增大;但球径增大,单位质量材料的导热面积减小,蓄冷时间延长。蓄冷量及蓄冷时间的增长幅度随着球径的增大而增加。另一方面,球径小,蓄冷快,但球径过小,为保持总蓄冷量不变,势必要增加设备内蓄冷球个数,易造成蓄冷设备阻力过大等问题。故蓄冷球球径选择应综合考虑上述因素,保证蓄冷时间控制在设计范围内。在此基础上,分别以“蓄冷速率低于0.1W”和“相变结束(球心节点温度开始低于相变温度)”的时刻作为蓄冷完成时刻。二者蓄冷量基本相同,而后者的蓄冷时间明显较前者短,且二者蓄冷时间的差值随球径的增大而增大。从相变结束至蓄冷速率低于0.1W的这段时间,即图3、图4中“第三阶段”,蓄冷效率很低。4.2.2显热蓄冷量的影响蓄冷量和蓄冷完成时间随冷冻水温度的变化如图6所示。蓄冷量随冷冻水温度的降低基本呈线性增大,其增量主要为显热。相对潜热,显热在蓄冷量中所占比例很小,故蓄冷量的变化不大。冷冻水温度每降低1℃,蓄冷量仅增加0.24kJ。相比之下,冷冻水温度对蓄冷时间的影响较为显著。冷冻水温度越高,蓄冷时间越长,且增长幅度越大。可以看出,理论结果和实验结果较为吻合。4.2.3壁厚对蓄冷时间的影响以不同厚度的聚氯乙烯、聚乙烯、镍铜、不锈钢、铜合金、碳钢、灰铸铁为球壁,对蓄冷过程进行模拟,得到蓄冷球壁厚及球壁热导率对蓄冷时间的影响,如图7所示。相同壁厚下,蓄冷时间在一定范围内随球壁热导率的增大而缩短。当球壁热导率高于16.3W/(m·K)时,蓄冷时间基本不再随之改变。相同的球壁热导率下,蓄冷时间随壁厚的增大而近似呈线性增加,且球壁热导率越小,曲线斜率越大,壁厚对蓄冷时间的影响越显著。当球壁热导率高于13W/(m·K)时,曲线近似水平,壁厚对蓄冷时间的影响可忽略。镍铜、聚乙烯、聚氯乙烯三种材料的热导率分别高于、接近和低于自制相变蓄冷材料,以这三种材料制成壁厚为2.5mm的蓄冷球,其蓄冷量和蓄冷速率随时间的变化如图8、图9所示。三者的总蓄冷量基本相同。以聚氯乙烯为球壁的蓄冷球的蓄冷速率最低,蓄冷完成时间为240min(以相变结束作为蓄冷终止),较前两者分别高出60%和41%。可见,球壁材料对蓄冷球蓄冷速率影响显著。实际工程中,应尽量选择热导率高于或接近相变材料的蓄冷球壁材料。4.3太阳能制冷不稳态152010.由图2(a)可看出,当冷冻水温为12℃时,自制蓄冷球完成蓄冷所需时间为3h左右。对上海地区夏季某晴天太阳能吸收式制冷机冷冻水出水温度的实验值进行分析,发现全天冷冻水温度最低的3h为12:00至15:00,该时段冷冻水平均温度为11.94℃。将12:00至15:00的冷冻水温度数据导入蓄冷球数值计算模型,得到蓄冷球内距离球心不同位置4处节点的温度曲线,以及单球蓄冷量的变化如图10所示。12:00蓄冷开始,此时太阳能制冷机冷冻水出水温度为13.5℃,之后逐渐降低。蓄冷球温度在30min内降至相变温度,此后相变平稳进行。球心节点相变完成时间为165min,与12℃稳态冷冻水工况下相变完成时间很接近。相变结束后,蓄冷球温度随冷冻水温的波动呈波动状降低。由外层至内层,受冷冻水温波动的影响依次减弱且滞后。随着相变的进行,蓄冷量增长的速率减缓。15:00蓄冷结束,但各个球层均不同程度的存在未释放的显热,蓄冷总量为16.34kJ,比稳态蓄冷总量低5.55%。受太阳辐射影响,太阳能制冷机全天出水温度有着明显的“低谷阶段”,利用此阶段的低温冷冻水蓄冷可使系统能量调节得到优化。但太阳能制冷有着明显的周期性变化和不稳定性,在蓄冷球显热尚未完全释放,甚至内层材料相变尚未结束时,太阳能制冷机出水温度可能已随日照强度的减弱而回升,甚至高于材料的相变温度。此时蓄冷必须终止,否则极易造成外层材料再次吸热融化,导致“冷量流失”。可见,太阳能制冷非稳态工况下,对材料相变温度的选择及蓄冷过程的控制非常重要。一般来讲:1)应通过合理控制,优先避免潜热流失,然后避免显热流失;2)一定范围内,材料相变温度越高,外层材料越不易再次融化,潜热流失越不易发生;3)采用4.2中的结论,降低冷冻水温度,减小蓄冷球球径和壁厚,增大球壁热导率,可缩短蓄冷时间,增大在日照减弱前完成蓄冷的可能性;4)采用动态控制手段为波动的冷冻水“削峰”,即当冷冻水温度高于相变温度,暂停蓄冷循环,为蓄冷设备保温;当冷冻水温度降低并满足一定的换热温差时,恢复蓄冷循环,避免蓄冷过程中的“冷量流失”。5蓄冷量持续冷速对自制相变蓄冷球进行理论及实验研究,得到以下结论:1)蓄冷释冷过程中,蓄冷球均在170min左右完成相变,蓄/释冷量分别为17.30kJ和16.46kJ。2)随着蓄冷释冷的进行,蓄/释冷速率逐渐减缓。最初40%时间内,蓄/释冷量均占各自总量77%左右,为“高效率阶段”;末期23%左右时间内,蓄/释冷量均不足各自总量4%,为“低效率阶段”。3)随着蓄冷球球径减小、冷冻水温度降低、球壁热导率增大以及壁厚减小,蓄冷时间均缩短。球径增大可使得蓄冷量明显增加