蓄冷槽蓄冷及释冷特性实验研究

方沛明，宛 超，辛天龙

（1.广东力优环境系统股份有限公司，广东 东莞 523917；2.中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙 410083）

1 引言

随着经济的发展、城市规模的扩大和用电结构的改变，城市以及地区电网昼夜电力负荷差值越来越大，高峰负荷呈现了明显的快速增长趋势。蓄冷技术就是在此背景下获得了较大的发展[1～6]。所谓蓄冷就是在用电低谷期，制冷主机启动制冷，利用物质的显热或潜热特性，用一定的方式将冷量储存起来，在用电高峰期，把储存的冷量释放出来，以满足建筑物空调或生产工艺的需要[7]。这样，制冷系统的大部分耗电发生在夜间用电低谷时段，而在白天用电高峰时段只有能耗较少的辅助设备在运行，能起到“移峰填谷”平衡电网负荷的作用。作者主要从实验方面针对不同的蓄冷材料，对蓄冷、释冷等性能进行了研究以及对加了硼砂的蓄冷剂的蓄冷机理进行了实验研究。

2 实验说明

实验过程包括蓄冰和释冷过程。实验装置如图1所示，主要研究蓄冷槽的蓄冷及释冷特性，系统流程可以简化为：制冷部分、蓄冷部分、负荷部分（风机盘管）及数据采集部分。

图1 实验系统流程图

蓄冷槽是实验系统的核心部件，采用不锈钢板制作，外形尺寸为1 500 mm×1 500 mm×1 300 mm，蓄冷槽外采用30 mm厚的聚乙烯泡沫塑料作为保温材料。盘管的布置方式为：蓄冷盘管由21个模块构成，每个模块由40根U形管并联组成，管束顺排，载冷剂采用质量分数25%的乙二醇溶液，载冷剂出入总管与各模块支管采用分液器相连，以尽量保证各模块分配均匀；U形管采用Φ9.52 mm×0.50 mm的铜管，高度为1 100 mm，相邻蓄冷模块间距40 mm，每个模块中相邻U形管间距40 mm。

实验系统采用PLC数据采集系统，自编程对机组运行模式进行自动控制，采集的数据可实时显示及历史保存。温度是本实验系统的主要测量参数。蓄冷槽中的4个测点温度自记录开始后间隔1 min进行数据采集，1、2、3、4分别代表了蓄冷槽中各个不同点的温度（即蓄冷槽内温度传感器布置的位置），平均温度是4个测点温度的平均值。在实验过程中，设置制冰时间7 h，系统运行后，数据采集系统即自动采集记录数据并对数据进行简单处理。

在实验中，为了更好地研究水的蓄冷、释冷特性，特在水中加入一定量的硼砂，形成硼砂水溶液（质量分数0.25%）。这样做主要基于以下2个目的：1）本实验的主要目的是研究冰蓄冷的蓄冰、释冷特性，在水中添加一定的硼砂，可以更好地研究冰蓄冷蓄冰、释冷过程的相变机理；2）本实验研究的最终目的在于通过对蓄冰、释冷特性的研究，提高冰蓄冷系统的性能，采用硼砂水溶液对比实验，以改善系统性能。

3 蓄冷槽的蓄冷和释冷特性实验结果及分析

3.1 蓄冷特性

3.1.1 蓄冷槽温度变化

在蓄冷阶段，制冷系统蒸发温度为-5℃，载冷剂乙二醇的温度保持在0～-4℃，流量为5～6 L/s,蓄冷槽中的初始温度为平均温度3℃。

图2 测点温度（水）随时间变化图

图3 测点温度（硼砂水溶液）随时间变化图

蓄冷过程蓄冷槽内各个测点温度及平均温度随时间变化如图2所示。蓄冰过程中，很明显地分为2个阶段，从0到120 min为显热蓄冷，从120 min到蓄冰结束为潜热蓄冷。相变温度约-2.2℃。蓄冰初期，由于传热温差较大，换热量较大，蓄冷槽内平均温度下降速度较快，进入相变阶段后，冰沿盘管逐渐产生，换热热阻逐渐增大，进入稳定的相变阶段。这个过程时间很长，蓄冷槽内温度有小幅下降，但变化不明显。从测点1、2、3、4的变化曲线来看，蓄冷槽内温度分层现象比较明显，但各条曲线的变化趋势一致，测点4温度最低，约为-3.0℃，测点2温度最高，约为-0.9℃。这主要是因为4个测点的位置不同，在蓄冷过程中水的密度差引起的自然对流导致蓄冷槽内换热系数的不同所致。

图4 水和硼砂溶液的比较

图3是在水中加入硼砂后的蓄冷槽内测点温度随时间变化图，与图2变化趋势基本相同，蓄冷槽内硼砂水溶液的相变温度约为-2℃。图4是水和硼砂水溶液的对比实验，从图中可以看出：1）在相同的制冷工况下，硼砂水溶液（质量分数0.25%）的温度下降的更快。主要是因为添加硼砂后增强了水的导热，提高了传热效率；2）水的过冷度，减小了约0.2℃，其原因在于微量的硼砂溶解于水后，形成的微粒成为水结冰时的核，有益于促进冰晶的成核。因此，在蓄冷槽内添加一定量的硼砂，有利于减小水的过冷度，增强蓄冷槽的传热特性。

3.1.2 COP的变化

图5 蓄冷介质为水时COP变化

图6 蓄冷介质为硼砂水溶液时COP变化

图5与图6是2种不同蓄冷介质条件下，单位分钟内COP随制冷时间的变化图，由两图可以看出，蓄冷初期系统COP较高，随着时间的延缓而慢慢下降，最后进入稳定期。蓄冷初期，制冷剂的蒸发温度较高，压缩机的功耗相对较小，蓄冷槽内的蓄冷介质温度也较高，传热系数大，故蓄冷初期系统COP较高。蓄冰时，COP分别稳定在约2.0和2.1。比较可以看出，在水中加入硼砂可以在相同的运行工况下提高系统的COP。需要说明的是，图中COP随时间变化趋势明显不同，这与理论不相符合，分析其原因可能是流量计采集的数据波动造成COP的变化，在数据处理过程中应当注意剔除一些坏值。

3.2 释冷特性

3.2.1 蓄冷槽温度变化

图7 蓄冷槽内水温度变化

图8 蓄冷槽内硼砂水溶液温度变化

释冷过程蓄冷槽内各个测点温度及平均温度随时间变化如图7所示。从图中可以看出，蓄冷槽内的温度变化很快，平均温度从-2.1℃升高到3.0℃，仅仅用了100 min。在释冷过程中，也较明显地分为2个阶段，在0到70 min阶段，温度上升较慢，主要是因为释冷初期蓄冷槽内的冰存量大，吸收的主要是潜热；从70min到100min，温度上升较快，其原因在于70 min后，蓄冷槽内的冰大部分已融化，吸收的大部分是显热。蓄冷槽内的温度分层现象也比较明显，但4个测点的温度变化趋势基本一致，最高温度与最低温度差值约保持在2℃。

图8是硼砂水溶液（质量分数0.25%）的温度随时间变化图。可以看出，图8中曲线斜率比图7中曲线斜率大，蓄冷槽内的温度变化更快，释冷初期的时间减少，由于热负荷大，释冷速度快，蓄冷槽内的冰来不及融化，故当蓄冷槽内的平均温度升至1℃时，蓄冷槽内仍存在大量的冰。

通过这2个实验，可以得出以下结论：一方面是水中添加硼砂增强了蓄冷槽的传热性能；第二方面是释冷时释冷的速率比较重要，应该把释冷速率控制在一个合理范围内，以保证蓄冷槽内的平均温度稳定在冰水混合物的温度0℃，从而保证系统较低的送风温度，但在实际中要做到这一点并不是很容易。

3.2.2 载冷剂温度变化

图9 载冷剂进出蓄冷槽温度变化（水）

图9是在释冷阶段蓄冷介质为水时，载冷剂的温度随时间变化图。从图中可以看出，与图7蓄冷槽内的测点温度相对应，载冷剂的温度变化也可以分为2个阶段，在释冷初始阶段，离开蓄冷槽的载冷剂的温度上升较快，经过约10 min后，温度基本保持稳定在6℃，经过70 min后，温度再次以较快速度上升。这主要是因为在释冷初期，盘管外壁全部与冰层直接接触，换热强度大，当盘管外形成水层后，管外冰层在水的浮力作用下上浮，始终有部分与盘管直接接触，形成一层逐渐加厚的水层，换热逐渐减小。当冰继续融化而破裂后，蓄冷槽内形成温度较均匀的冰水混合物，换热均匀，载冷剂出口温度保持稳定。蓄冷槽内的冰已大部分融化后，载冷剂与管外的水进行显热交换，因此温度又快速升高。进入蓄冷槽的载冷剂温度变化较离开的载冷剂温度变化稳定，从释冷开始温度基本稳定在14℃，经过约70 min后，温度以较快速度上升。在一定时间内，进入蓄冷槽的载冷剂与离开蓄冷槽的载冷剂的温差基本保持稳定在8℃。

4 结论

结合理论分析并通过实验对小型冰蓄冷系统制冰、释冷特性进行研究，由实验结果可以得出：

1）制冰、释冷过程中，蓄冷槽内温度分层现象比较明显，蓄冷槽内测点温度的变化趋势基本一致，蓄冰时存在较大的过冷度；蓄冷槽内间距越小，中心温度越低，四周温度越高，蓄冷槽温度梯度越大；

2）在水中添加一定量硼砂能够减小水的过冷度，增大水的换热系数，增强蓄冷槽的换热性能，提高系统COP；

3）释冷时，载冷剂进出蓄冷槽的温度变化快慢与释冷过程紧密相关，在一定时间内，进出蓄冷槽的载冷剂的温差基本保持稳定。

在制冰、释冷过程中，蓄冷槽内温度分层现象比较明显，载冷剂温度、蓄冷速率、取冷速率，系统COP在不同实验阶段存在较大区别。在水中添加一定量硼砂虽然使相变温度有所降低，但是却增强了换热，在保证系统COP的基础上，有利于改善系统性能，如制冰、释冷特性。

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