相变蓄冷及其在太阳能空调中的应用研究

在我国能源短缺，电力紧张的情况下，蓄冷空调技术在常规空调系统中的应用可以起到平衡电网负荷的作用。太阳能空调的间歇性及易受天气影响等特点是制约其普及的因素之一。与蓄冷结合，在日照充足时利用太阳能制冷并蓄冷，在夜间或日照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，并提高太阳能空调系统运行的灵活性。 本文对与太阳能空调匹配的相变蓄冷材料、蓄冷球、蓄冷器以及太阳能空调相变蓄冷系统进行了一系列理论及实验研究。主要工作如下： 1.结合当前国内外学者的研究成果，对空调蓄冷系统常用的相变材料、蓄冷器结构以及几种典型系统形式进行了总结与概括。 2.依据太阳能空调蓄冷系统对相变材料的要求，以癸酸、月桂酸两种脂肪酸作为相变材料的基液，得到二元体系的低共熔点；并选择水杨酸甲酯、苯甲酸乙酯、正己酸、油酸、正十四烷、正十六烷六种有机物作为相变材料的添加剂，以得到相变温度、相变特性以及传热特性适宜的蓄冷材料。 3.采用步冷曲线法、差示扫描量热仪、Hot Disk热分析仪对上述制备的相变蓄冷材料的热物性进行测试，得到各组相变材料中与系统制冷目标相匹配的添加剂摩尔分数，并综合所测得的热物性对材料进行筛选。对比发现，以油酸为添加剂的相变材料C-L/O0.08的相变温度为14.97℃，相变潜热为114.1kJ/kg，过冷度最小，结晶过程最平稳，热导率、比热容均具有明显优势，是待选材料中最理想的太阳能空调蓄冷相变材料。 4.在自制C-L/O0.08相变蓄冷材料的基础上研制相变蓄冷球。单个蓄冷球包含材料质量为126.4g，外径70mm，壁厚2mm，球壳材料为聚乙烯。实验测试了蓄冷、释冷过程中蓄冷球内部的温度分布及温度变化。建立了稳态工况下蓄冷球蓄冷和释冷过程的数学模型，对蓄冷球的结构参数、运行工况等影响因素进行了分析讨论。研究发现，载冷剂温度、蓄冷球球径、壁厚及球壳材料对蓄冷球蓄/释冷量、蓄/释冷速率和蓄/释冷时间都有着较为明显的影响。 5.研制封装球蓄冷器，并搭建太阳能空调相变蓄冷系统实验台。白天，蓄冷器在太阳能吸附式制冷机非稳态的冷冻水供水温度工况下进行蓄冷；夜间，蓄冷器通过室内冷辐射顶板进行释冷，并向用户供冷。通过实验，得到了蓄冷器进出水温度及蓄冷球球心温度的变化过程，分析得到蓄/释冷量和蓄/释冷速率的变化规律。同时，基于太阳能吸收式和吸附式制冷机冷冻水供水温度的实验曲线，对太阳能空调非稳态蓄冷过程进行模拟，分析蓄冷、释冷过程中蓄冷球温度分布及温度变化，得到了对改善太阳能空调蓄冷运行和控制有益的结论。