不同进水口温度下相变蓄热器传热特性研究

张时华 周 易 徐笑锋

上海海立电器有限公司

0 引言

热泵技术是近年来全世界备受关注的新能源技术，经过电力做功可以从空气、水或者土壤中提供被人们所利用的高品位热能。热泵技术也是中国达到“双碳”目标的有效途径与解决办法［1］。热泵热水器利用空气源热能通过压缩机提供热水，是继电热水器、太阳能热水器及燃气热水器后的“第四代热水器”［2］。但是，由于水箱体积较大，输出功率大、出热水速度较慢等问题，制约了其应用推广［3］。

相变储能是一种将热能利用材料相变潜热存储的技术手段，可有效地解决热能在时间、空间上的不匹配问题，具有储热密度大、性能稳定等特点［4-6］。涂志刚等［7］以碳纳米管（CNTs）/石蜡纳米复合材料作为相变蓄热介质,将纳米复合材料应用于热泵热水器中，探讨了相变蓄热式热泵热水器的传热性能。与传统带水箱的蓄热式热泵热水器相比，纳米复合材料的添加使相变蓄热式热泵热水器蓄热箱体积减少约二分之一，热效率明显提高，可达86%,说明CNTs/石蜡纳米复合材料可以作为热泵热水器的蓄热材料。余萌［8］通过制冷剂与相变材料直接换热的方式，设计了与空气源热泵系统相结合的高效相变蓄热装置——冷凝蓄热器。从能耗、环境以及经济角度看，该系统相较于准二级压缩空气源热泵系统具有更强的低温适应性，为其在严寒地区的大规模供热应用提供了切实可行的方案。邹得球等［9］分析了相变储热材料在太阳能热水器和热泵热水器中的应用情况,指出了相变材料在热水器中的合理布置存在的问题，提出未来在相变储热材料的性能优化、相变材料与热水器的结合形式优化、太阳能热水器与热泵热水器的有效组合方面需要进一步探索。综上所述，相变储能技术应用在热泵热水器中可有效提升系统性能，减小蓄热水箱体积并即时出热水，但是其具体的蓄热结构及系统设计仍待优化研究。

本文针对蓄热式热泵热水器，设计了基于套管换热器的三工质换热蓄热体。通过商业软件建立三维瞬态模型，设置边界条件，探索不同进水口温度下蓄热材料、水、制冷剂之间的传热性能，并对蓄放热过程中的蓄热材料相变问题进行了讨论。

1 模型建立

系统包括压缩机、蓄热箱体、蒸发器、电子膨胀阀等设备，如图1所示。压缩机采用制热量1 900 W的某品牌压缩机，压缩机出口温度小于等于90 ℃，制冷剂选取R134a。相变材料选取PCM1 赤藻糖醇基复合相变材料，其热物性见表1。

表1 相变材料热物性表

图1 系统示意图

采用套管式换热器，内管水进行换热，外管制冷剂循环加热，套管外部的不锈钢箱体内填充相变蓄热材料，如图2、图3 所示。蓄热箱体尺寸为310×220×325 mm，箱体内套管换热器长度为6.5 m，外管管径25 mm，内管管径12.7 mm。制冷剂通过压缩机压缩为高温高压的气体，进入换热器后对水与蓄热材料进行加热。充热阶段蓄热材料由固体融化为液体进行相变蓄热；放热阶段由蓄热材料先进行放热，如热水需求量较大，压缩机再次启动并提供热量。设置环境温度为15 ℃，进水口温度分别为15、20、25 ℃，模拟计算蓄热材料放热阶段出水口温度变化及相变材料平均温度变化。

图2 套管换热器示意图

图3 蓄热箱体示意图

假设蓄热箱体处于绝热状态下，制冷剂的热量QR见式（1）：

式（1）中：TR1和TR2——分别是蓄热箱体中制冷剂的进出口温度；

CR——制冷剂的比热容。

制冷剂的热量被水吸收，热量Qw表达式见式（2）：

式（2）中：Qw——管道中水吸收的热量；

Tin——进水温度；

Tout——出水温度；

Tave——进出水的平均温度；

ρw——水平均温度时的密度；

Cw——水平均温度时的比热容。

忽略重力的影响，熔融过程中PCM内部不存在自然对流，因此，只发生在相变过程中的PCM 是一个纯热传导的问题。PCM中的能量守恒方程为：

式中：ρ——PCM1的密度；

H——PCM1的焓；

k——PCM1的热导率。

在相变材料和套管换热器中，选择水作为供热介质，管道内液体水的能量守恒方程为：

管道内液体水的动量守恒方程为：

管道内液体水的连续性方程：

式中：ρw——水的密度；

Cw——水的比热容；

Tw——水的温度；

——管道中水流速度矢量；

P——水的静压。

计算网格选取均匀性结构化网格，对管路连接区域加密网格分布。分别对物理模型选取10 万、15万、20万网格数进行网格划分，结果验证了网格独立性，为了计算精确与计算速度最终选取15万网格数模型，时间步长选取5 s，网格图如图4所示。

图4 物理模型网格图

2 结果分析

相变材料放热过程平均温度如图5所示。从图5中可以明显看出，相变材料在800 s左右开始相变且有稳定的相变平台。此阶段蓄热材料由固态融化为液态，在10 000 s左右结束相变。可以明显地看出，进水口温度越低，相变材料相变越快，开始得越早，这是由于大温差导致的热流密度较大导致。进水口温度为25 ℃的相变平台最为滞后。

图5 相变材料温度变化图

图6 为相变材料放热过程中的液相质量分数图，过程中蓄热材料由液态凝固为固态释放热量给水。由于热流密度不同的原因，进口水温为15 ℃前期蓄热材料融化速率较快，进水口温度为25 ℃蓄热材料融化速率较慢。最终三个不同工况均趋于稳定，直至蓄热材料完全凝固为固体。出水口水温变化如图7 所示。由于导热系数与热阻的设定，在2 000 s左右水温升至55 ℃，达到热水器供水国标。在400 s 左右由于相变材料的持续潜热供热，出水口温度稳定在80 ℃左右。同样由于进水口温度不同，进水口温度25 ℃较进水口温度15 ℃延迟1 000 s 左右达到80 ℃的出水温度。进水口温度15 ℃时，80 ℃热水出水时间最短，大约在6 000 s左右，较进水口温度为25 ℃时80 ℃热水供应时间短14.5%左右。该蓄热式热泵热水器系统可有效提供60 ℃热水12 000 s 左右，模拟计算验证了系统的可行性。

图6 液相质量分数图

图7 出水口温度变化图

3 结论

通过设计热泵热水器系统结构与蓄热箱体，建立蓄热式热泵热水器的三维非稳态物理模型，设定三种不同进水口温度的工况，模拟计算了蓄热材料的相变传热特性与出水口温度变化，可得到以下结论：

1）进水口温度越低，水与蓄热材料的换热温差更大，热流密度更大，相变时间越短，提供热水时间更短，成反比关系。

2）蓄热式热泵热水器可有效提供热水12 000 s左右，热水供应量由相变材料填充量决定，模拟验证了蓄热式热泵热水器的技术可行性。