CO2水合物蓄冷系统的循环特性实验研究

2018-12-11

制冷学报 2018年6期

(上海理工大学能源与动力工程学院上海 200093)

据统计，我国空调能耗占建筑总能耗的60%以上[1]，且负荷的峰谷时间与城市电网的峰谷时间吻合[2]，随着峰谷电价比的增大，蓄冷空调技术的推广有了更为有利的条件[3]。与常规空调冷水机组相比，冰蓄冷制冷机组的蒸发温度和蒸发压力大大降低，性能系数COP也下降，耗电量却增加了20%[4]，冰蓄冷的节能效果并不明显[5]。对比直接接触式蓄冷系统和盘管式蓄冷系统的能效比和火用效率，发现直接接触式蓄冷系统具有明显的优势[6]。目前，对于直接接触式蓄冷的研究主要包括直接接触式冰蓄冷和直接接触式水合物蓄冷。

J. J. Tomlinson等[7]指出同类型气体水合物蓄冷系统在节能方面优于冰蓄冷系统。郑克晴等[8]基于单个上升气泡在制冰溶液中的特性，发现体积传热系数随进气质量流量的增加、进气温度的下降、喷嘴直径的减小而增加。李晓燕等[9]建立了直接接触式蓄冷器的物理模型，采用热平衡法研究了直接接触式蓄冷器的蓄冷特性。章学来等[10]设计了直接接触式蓄冷实验台，实验研究了系统蓄冷罐内的传热特性，发现充灌量会影响蓄冷罐内的温度分布。

国内外对直接接触式水合物蓄冷技术的研究较少[11-14]。谢振兴等[15]研制了一台蓄冷用CO2水合物的压缩式循环实验装置，发现水合物在CO2气泡上升过程中生成，在气液界面处堆积。周兴法等[16]研究了CO2水合物的蓄冷特性，发现水合物生长速率随着充注压力的升高而增大。上述研究主要对蓄冷过程中的温度变化进行探讨，未从制冷系统循环的角度进行分析。本文采用直接接触式CO2水合物反应釜，研究了初始充注压力为3.5～4.0 MPa时系统的循环特性和蓄冷特性。通过实验数据绘制了不同充注压力下的系统p-h图和蓄冷速率图，结合循环的p-h图分析了不同初始充注压力下系统的蓄冷速率。

1 实验装置和方法

1.1 实验装置

实验装置如图1所示。数据采集系统包括：温度测量(精度为±0.15 ℃)、压力测量(精度为±0.1%)及质量流量测量(精度为±0.1%)。实验台温度、压力及水质量流量计的数据采集采用Agilent(安捷伦)34 970 A数据采集仪，采集数据的时间间隔为5 s；CO2质量流量计配有专门的采集器，即AEM290智能流量积算仪。

图1 实验装置Fig.1 Experimental device

1.2 实验方法

实验流程为：1)先向反应釜内注入自来水，封闭抽真空后向反应釜充注CO2气体至设定压力；2)开启数据采集器并启动恒温槽；3)依次开启气冷器风机和压缩机，当釜内生成水合物之后，下层温度下降至0 ℃时，迅速关闭压缩机，待釜内压力稳定后关闭冷却器，导出数据。实验工况如表1所示。

本装置用CO2水合物反应釜来替代CO2压缩式制冷循环的蒸发器，根据能量守恒，反应釜内的蓄冷速率与制冷剂侧的制冷量相等。耿时江等[17]已对反应釜内的蓄冷量进行了计算及分析，本文不再赘述。

系统蓄冷速率反映了系统瞬时蓄冷量的大小，蓄冷量为CO2在反应釜进出口焓差与CO2质量流量的乘积，即：

q=mCO2(h1-h2)

(1)

式中：q为蓄冷速率，kW；mCO2为CO2质量流量，kg/s；h1、h2分别为CO2在反应釜出口、入口焓值，kJ/kg。

表1 实验工况Tab.1 Test conditions

2 实验结果与讨论

2.1 循环特性分析

根据采集的数据绘制系统在各初始充注压力下的p-h图，如图2所示，1-2-3-4-5为p-h图上的整个循环过程。由图2可知，随系统初始充注压力的升高，系统运行时间缩短。初始充注压力为3.5 MPa和3.6 MPa时，系统循环为亚临界循环；初始充注压力升至3.7～4.0 MPa时，系统高压侧的CO2为超临界状态，系统循环在跨临界区的时间分别为8、10、9、8 min，系统循环在跨临界区的时间比例依次增大，由于系统的蓄冷过程CO2量越来越少，高压侧压力降至CO2临界压力以下时，系统循环过程为亚临界循环。

4-5过程为CO2在反应釜内的吸热过程，即蓄冷过程：CO2经散流器进入水中，与水直接接触换热进行显热蓄冷；换热过程中，由于部分CO2溶解在水相中，当CO2+H2O混合相温度降至5～6 ℃时，生成大量疏松多孔的固态CO2水合物，从而进行潜热蓄冷。反应过程中消耗了大量的CO2，使CO2在4和5之间即反应釜前后有约0.2 MPa的压降。反应釜内水的初始温度为26 ℃，节流后两相CO2的温度由1.2 ℃降至-3.2 ℃，反应釜内水温超过两相CO2的温度20 ℃以上，可知水和CO2之间存在较大的传热温差，换热后使反应釜出口处的CO2有一定的过热度。

图2 不同初始充注压力下系统p-h图Fig.2 The p-h diagram of different initial charge pressure

2.2 蓄冷速率分析

根据计算结果绘制不同初始充注压力下系统的蓄冷速率图，如图3所示。随初始充注压力的增大，系统在开始时刻的蓄冷速率依次增大，但都在蓄冷结束时刻降至一个较低的水平。原因是系统不断消耗CO2，CO2质量流量减小，节流后的两相CO2干度较大，所携带的制冷量小，使系统蓄冷速率较小。对比不同初始充注压力下的蓄冷速率可知，系统初始充注压力越大，系统蓄冷速率下降速度越快，蓄冷速率曲线越陡峭。

当初始充注压力为3.5 MPa和3.6 MPa时，系统蓄冷速率分别由2.43 kW降至0.66 kW，由3.29 kW降至1.11 kW，曲线较为平缓。当初始充注压力分别为3.7、3.8、3.9、4.0 MPa时，系统蓄冷速率依次由4.30降至1.07 kW，由5.41降至1.13 kW，由6.33降至1.25 kW，由6.92降至1.85 kW，蓄冷速率变化范围依次增大。观察图3中3.7 MPa曲线可知，7～8 min时蓄冷速率下降最快，曲线斜率最大，原因是8 min时系统循环由跨临界循环变为亚临界循环，节流后的CO2干度迅速增大，使蓄冷速率迅速下降。同理，观察3.8、3.9、4.0 MPa曲线可知，蓄冷速率分别在8～9 min、7～8 min、7～8 min时下降最快，曲线斜率最大。

图3 不同初始充注压力下蓄冷速率Fig.3 The cool storage rate under different initial charge pressure

2.3 循环特性对蓄冷速率的影响

在系统的显热蓄冷阶段CO2不断溶解在水中，在潜热蓄冷阶段CO2参与水合反应，整个过程不断消耗CO2，使CO2质量流量不断减少，系统高压侧压力下降，进而使节流后的两相CO2干度不断增大，系统蓄冷速率不断减小，因此蓄冷过程中系统循环是非稳态的。

结合图2和图3分析可知：当初始充注压力为3.5 MPa时，3 min时高压侧压力为6.8 MPa，回热器高压管路出口处的CO2为过热状态，此状态下CO2进入膨胀阀节流后得到的两相CO2干度为0.82，所携带的制冷量小，系统蓄冷速率为2.08 kW。41 min时系统高压侧压力降至5.62 MPa，节流后的CO2状态已经接近干饱和蒸气，系统蓄冷速率为0.66 kW。

当初始充注压力为3.6 MPa时，3 min时高压侧压力为7.0 MPa，回热器高压管路出口的CO2为过热状态，系统蓄冷速率为2.65 kW。因为系统的蓄冷过程不断消耗CO2，26 min时，高压侧压力降至5.6 MPa，系统蓄冷速率为1.11 kW。

当初始充注压力为3.7 MPa时，3 min时高压侧压力为8.0 MPa，高于CO2的临界压力，此时CO2为超临界状态，系统蓄冷速率为3.76 kW。8 min时系统高压侧压力降至接近CO2临界压力，系统蓄冷速率为2.28 kW。8 min前系统为跨临界循环，8 min后系统为亚临界循环。

当初始充注压力为3.8 MPa时，3 min时高压侧压力为8.2 MPa，此时CO2为超临界状态，系统蓄冷速率为4.85 kW。10 min时系统高压侧压力降至接近CO2临界压力，系统蓄冷速率为2.32 kW。10 min前系统为跨临界循环，10 min后系统为亚临界循环。17 min时，高压侧压力降至5.50 MPa，系统蓄冷速率为1.13 kW。

当初始充注压力为3.9 MPa时，3 min时高压侧压力为8.3 MPa，此时CO2为超临界状态，系统蓄冷速率为6.00 kW。9 min时系统高压侧压力降至接近CO2的临界压力，系统蓄冷速率为2.17 kW。9 min前系统为跨临界循环，9 min后系统为亚临界循环。15 min时高压侧压力降至5.80 MPa，系统蓄冷速率为2.17 kW。

当初始充注压力为4.0 MPa时，3 min时高压侧压力为8.6 MPa，此时CO2为超临界状态，系统蓄冷速率为6.47 kW。7 min系统高压侧压力降至接近CO2临界压力，系统蓄冷速率为4.26 kW。7 min前系统为跨临界循环，7 min后系统为亚临界循环。11 min时高压侧压力降至6.80 MPa，系统蓄冷速率为1.85 kW。