能量梯級復(fù)合蓄熱回收空調(diào)系統(tǒng)的研究

能量梯級復(fù)合蓄熱回收空調(diào)系統(tǒng)的研究

家用空調(diào)冷凝器熱回收系統(tǒng)在我國的應(yīng)用研究由于夏季寒冷的運(yùn)行，空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的冷熱量非常大，通常是冷負(fù)荷的1.25倍左右。冷凝熱直接排入大氣,不僅造成極大的能源浪費(fèi),而且使環(huán)境溫度升高,產(chǎn)生嚴(yán)重?zé)嵛廴?。事?shí)上在夏季,很多建筑物都有生活熱水的需求,考慮將冷凝熱的全部或部分回收用于加熱生活熱水,可以達(dá)到節(jié)約能源,滿足生活熱水需求一舉兩得的目的。本研究將在相變蓄熱冷凝熱回收的基礎(chǔ)上,進(jìn)行改良,給出設(shè)計(jì)系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法,并進(jìn)行了系列實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,采用復(fù)合蓄熱的方法可以使得冷凝熱回收率得到很大的提高,空調(diào)蓄熱完畢后繼續(xù)運(yùn)行,冷水通過水蓄熱器預(yù)熱、相變蓄熱器加熱后可持續(xù)制得符合生活需要的熱水。近年來,國外各大空調(diào)制造商為了很好地解決冷凝熱的回收以達(dá)到節(jié)能目的,紛紛推出新一代的節(jié)能產(chǎn)品。但國外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)把大部分注意力放在大型空調(diào)制冷機(jī)組方面,而小型的家用空調(diào)冷凝熱的回收產(chǎn)品并不多見。我國對于冷凝排熱熱回收系統(tǒng)的研究相對國外少些,還沒有將熱回收理論與家用空調(diào)相結(jié)合,解決實(shí)際生活中存在的問題,致使國內(nèi)家用空調(diào)冷凝熱的回收研究很少,更不用說是有相關(guān)的產(chǎn)品。但與此同時(shí),隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,家用空調(diào)器的普及率迅猛上升,夏季空調(diào)冷凝熱的大量排放勢必造成能源的大量浪費(fèi)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重,嚴(yán)重阻礙了我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。所以開發(fā)出相關(guān)家用空調(diào)器冷凝熱回收技術(shù),前景廣闊。1復(fù)合蓄熱回收空調(diào)系統(tǒng)原理熱水的使用時(shí)間和空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間往往存在著不同步性,晚上是熱水的使用高峰期,而空調(diào)的高峰期往往在中午及下午。此外,冷凝熱的排放不是持續(xù)性的、其排放的熱量也具有波動性,而蓄熱器恰恰能解決這些問題,解決兩者之間的不同步與不平衡。水蓄熱器結(jié)構(gòu)簡單、導(dǎo)熱性好、熱交換效率高,但其蓄熱能力較差,造成水蓄熱器體積較大。而相變材料相變潛熱大,占用體積小,但其導(dǎo)熱性較差?；谏鲜鰡栴},依據(jù)能量梯級利用原理,本研究采用一種將相變蓄熱與水蓄熱結(jié)合在一起的復(fù)合蓄熱熱回收空調(diào)系統(tǒng),即在空調(diào)機(jī)組回路的冷凝器上串聯(lián)一個(gè)相變蓄熱器和一個(gè)水蓄熱器。壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑過熱蒸汽先經(jīng)過相變材料蓄熱器,與相變材料進(jìn)行熱量交換,使得冷凝過程中品位較高的過熱熱以潛熱的形式存于相變材料中,再經(jīng)過水蓄熱器,將制冷劑中部分溫度較低的相變熱儲存于水中。熱回收用復(fù)合蓄熱器與常規(guī)風(fēng)冷冷凝器(或冷卻塔)采用串聯(lián)連接,以減少冷凝器的工作負(fù)荷,減少能量消耗,增強(qiáng)節(jié)能效果。在放熱過程中,冷水分別流經(jīng)水蓄熱器和相變蓄熱器,增加水蓄熱器后,水蓄熱器中熱水預(yù)先對冷水進(jìn)行加熱,起到預(yù)熱作用,使制取的熱水在一定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到生活熱水所需的溫度,但畢竟水蓄熱器蓄熱能力較小,在空調(diào)關(guān)機(jī)的情況下不可能保證長時(shí)間的預(yù)熱作用;如果在空調(diào)開機(jī)情況下,蓄熱和放熱可以同時(shí)進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)持續(xù)制取滿足生活需要的熱水。2充填蓄熱器設(shè)計(jì)復(fù)合蓄熱熱回收空調(diào)系統(tǒng)原理如圖1所示,包括制冷空調(diào)機(jī)組、量熱器、相變蓄熱器、水蓄熱器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等(數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括熱電偶、熱電阻、功率變送器、組態(tài)王軟件等)。從圖1可以清楚地看到,高溫高壓的制冷劑過熱蒸汽由壓縮機(jī)出來后,分別流經(jīng)相變蓄熱器、水蓄熱器,然后又通過冷凝器回到制冷機(jī)組中。相變蓄熱器按回收1h額定制冷量7500W的空調(diào)器設(shè)計(jì)的,內(nèi)填充蓄熱材料為石蠟;相變蓄熱器槽體選為540mm×230mm×250mm,采用2mm不銹鋼板,外部采用厚度30mm的聚氨酯保溫。蓄熱器內(nèi)盤管采用?9.52銅管,主管采用?12銅管,如圖2所示,制冷劑從主管進(jìn)入換熱盤管,分為4路,各自經(jīng)過2200mm長的盤管后匯合到另一主管。水蓄熱器如圖3所示,其形狀為圓柱形,直徑300mm、長400mm,從相變蓄熱器出來的制冷劑從進(jìn)液口進(jìn)入水蓄熱器,通過分流器分為5路與水蓄熱器內(nèi)的水換熱。當(dāng)需要熱水時(shí),冷水從進(jìn)水口進(jìn)入水蓄熱器被預(yù)熱后進(jìn)入相變蓄熱器吸收熱量。從理論上講,制冷劑在相變蓄熱器內(nèi)已將其冷凝顯熱釋放,在水蓄熱器內(nèi)會發(fā)生液化,為減小其阻力,以免增大壓縮機(jī)背壓,水蓄熱器換熱管采用橫置。整個(gè)裝置在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),只考慮了在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度,因而選取的冷凝溫度是恒量,選取與之匹配的相變材料石蠟,但在實(shí)際應(yīng)用中,由于環(huán)境溫度不斷變化,冷凝溫度也不可能恒定,故在應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中時(shí),應(yīng)充分考慮實(shí)際狀況,選取合適的冷凝溫度并及時(shí)調(diào)整相變材料的種類,保證蓄熱高效運(yùn)行;同時(shí)兩個(gè)蓄熱器在安裝時(shí),同樣只考慮了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境,實(shí)際應(yīng)用中也必須考慮實(shí)際條件,做到安裝合理,保證設(shè)備的運(yùn)行效率。3實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析3.1熱水加熱作用實(shí)驗(yàn)環(huán)境:環(huán)境溫度15℃,量熱器內(nèi)溫度24℃由于水蓄熱器內(nèi)換熱盤管較少,所以水的溫度升高稍慢,但足可以起到預(yù)熱作用。如圖3曲線所示,水蓄熱器內(nèi)水溫從13℃經(jīng)80min被加熱到45℃。由于實(shí)驗(yàn)是在冬季做的,室內(nèi)氣溫偏低,水箱內(nèi)起始水溫也偏低。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對復(fù)合蓄熱熱回收空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了熱力分析,得到復(fù)合蓄熱器回收熱量占總冷凝熱的比例為19.6%,遠(yuǎn)高于相變蓄熱熱回收空調(diào)系統(tǒng)的13.2%。3.2水蓄熱器系統(tǒng)放熱實(shí)驗(yàn)一:蓄熱完畢后,在空調(diào)關(guān)機(jī)的情況下通入水蓄熱器溫度20℃、流量100L·h-1的冷水。在水蓄熱器的預(yù)熱作用下,相變蓄熱器進(jìn)口冷水溫度在30min內(nèi)可達(dá)30℃以上。由于相變蓄熱器進(jìn)水溫度的提高,且開始石蠟溫度達(dá)60℃以上,制取的生活熱水溫度約45℃。隨著水蓄熱器內(nèi)溫度的逐漸降低,制取的熱水溫度也逐漸降低,相變蓄熱器進(jìn)出口水溫變化如圖5所示。放熱實(shí)驗(yàn)二:通入溫度為25℃、流量100L·h-1的冷水,相變蓄熱器內(nèi)水溫變化如圖6,在開始階段由于被預(yù)熱的水溫較高且石蠟溫度較高,制取的生活熱水溫度接近50℃。隨著水蓄熱器內(nèi)溫度降低及石蠟溫度降到相變溫度,制取的熱水溫度隨之下降。在前40min(總流量44.7L)制取的熱水溫度在40℃以上,滿足對生活熱水的溫度要求。3.3入水溫度和流量空調(diào)運(yùn)行50min后,相變蓄熱器內(nèi)溫度達(dá)到55℃以上,水蓄熱器內(nèi)溫度已達(dá)到44℃左右。通入溫度為25℃、流量300L·h-1的冷水后,石蠟的溫升明顯放緩,趨于平坦,說明此時(shí)石蠟的吸收的熱量與石蠟傳給水的熱量基本相等。冷水經(jīng)水蓄熱器預(yù)熱后被相變蓄熱器加熱,溫度達(dá)40℃以上。3.4相變溫度溫度在環(huán)境溫度16～20℃的情況下,對相變蓄熱器及水蓄熱器做了24h的保溫實(shí)驗(yàn)。在開始時(shí)刻石蠟溫度下降較快,因?yàn)榇藭r(shí)石蠟處于液態(tài),且與外界環(huán)境溫差較大,對流換熱強(qiáng)烈。不到100min,石蠟溫度即已降到相變溫度,開始向外界釋放相變潛熱。由于相變潛熱相對很大且傳熱溫差減小,溫降明顯放緩。24h后相變蓄熱器內(nèi)石蠟溫度大部分已低于40℃。位于相變蓄熱器中心的溫度24h后仍45℃左右,因?yàn)樗闹芤呀?jīng)凝固的石蠟可以為此點(diǎn)起到保溫作用。4空調(diào)系統(tǒng)變滲透膜200.經(jīng)過對復(fù)合蓄熱器的蓄放熱狀況、空調(diào)運(yùn)行狀況等的一系列研究,可以得到以下結(jié)論:(1)空調(diào)系統(tǒng)在增加蓄熱裝置后,空調(diào)機(jī)組正常運(yùn)行,沒有受到蓄熱器的干擾;(2)在放熱過程中,水蓄熱器起到有效預(yù)熱作用,使通入的冷水有充分的時(shí)間進(jìn)行加熱,達(dá)到生活熱水所需的40℃以上溫度;(3)由于水的蓄熱容量有限,所以不能長時(shí)間的起到預(yù)熱作用;(4)復(fù)合蓄熱器可以有效回收冷凝熱的19.6%以上,提高了傳統(tǒng)冷凝熱回收空調(diào)的回收率;(5)空調(diào)蓄熱完畢后繼續(xù)運(yùn)行,冷水分別通過水蓄熱器、相變蓄熱器后溫度可持續(xù)制取溫度在40℃以上的生活熱水,而且水流量較大。我國是一個(gè)能源供應(yīng)十分緊張的國家,改革開放以來,政府雖用了大量的財(cái)力建設(shè)電廠,仍滿足不了每年用電以5%～7%增長的需要?？照{(diào)作為能源