常规空调工况用相变材料的研制与应用基础研究

近年来,随着国民经济的发展,集中空调系统的拥有量越来越大,集中空调作为大型公共建筑能耗最大的单项设备,其电力耗费占到整个建筑物的一半以上,已经成为我国节能减排的重点领域之一。在制冷空调领域,大力推广应用蓄冷空调技术是解决城市峰期用电紧张,谷期电力过剩的有效措施之一。目前应用较多的蓄冷空调系统当属冰蓄冷空调系统。但水的凝固点低,使得冰蓄冷空调系统中制冷机的蒸发温度、制冷性能系数COP和制冷量较常规空调大为降低,另外,在空调工况和蓄冰工况时要配置双工况制冷主机,增加了系统的复杂性。因此,本文提出在常规集中空调中应用相变蓄冷技术,研制适合常规空调工况的相变蓄冷介质,在常规空调系统流程中增设该相变蓄冷介质的蓄冷器。在用电低谷时蓄冷,用电高峰时释放冷量,达到“移峰填谷”的目的。 本文开展了供常规空调工况用相变蓄冷材料的研制及应用基础的研究。即对适合常规空调工况的相变蓄冷介质的制备、热物性,以及蓄冷球传热过程和蓄冷器蓄冷和释冷过程的动态特性进行了系统研究,主要研究工作和研究成果如下: (1)研制了一种新型常规空调用有机相变蓄冷介质HS-1(基液),针对有机相变蓄冷介质导热系数低的问题,对有机相变蓄冷材料HS-1进行了改性研究。采用将纳米TiO2和纳米Cu分别与有机相变蓄冷介质HS-1直接共混、添加分散剂和超声振荡等方法,制备了均匀稳定的纳米复合蓄冷材料。利用Zeta电位分析法,确定了分散剂的种类。深入研究了表面活性剂对分散性的影响、超声时间对分散性的影响、最佳超声时间下分散剂浓度对分散性的影响以及纳米与非纳米添加剂对分散性的影响。最终确定了纳米TiO2复合有机相变蓄冷介质(TiO2/HS-1)和纳米Cu复合有机相变蓄冷介质(Cu/HS-1)制备的最佳工艺条件。用DLVO理论和空间稳定理论解释了纳米复合材料的悬浮稳定机理。 (2)采用差示扫描量热仪(DSC)测量了纳米复合蓄冷材料的相变潜热、相变温度及比热。纳米复合蓄冷材料HS-2的潜热值为146.56kJ/kg,凝固温度7.4℃,熔化温度8.5℃。在经过50次的蓄冷、释冷循环后,其相变潜热和相变温度基本保持稳定,说明该蓄冷材料热稳定性很好,基本没有相分离。采用非稳态测量方法(闪光扩散法)测量相变材料的导热系数,实验结果表明浓度为0.3g/L的TiO2纳米复合蓄冷材料HS-2的导热系数比蓄冷材料HS-1高17.7%。 (3)针对一种自行开发的纳米复合有机相变蓄冷材料,对其进行了蓄冷球内凝固问题的研究。建立了PCM蓄冷球凝固问题模型,并用焓法进行了近似求解。为了验证理论结果的正确性,建立了小型蓄冷实验台,对相变蓄冷材料HS-2的蓄冷球,进行凝固蓄冷实验研究。由实验所得到的相界面的变化规律以及蓄冷球内的温度分布情况和理论计算结果基本上是一致的,说明理论计算是正确的。 (4)进行了蓄冷球融化释冷特性的研究,在考虑固液密度差,固态物上浮的实际情况,建立了PCM蓄冷球融化问题的模型,采用显热容法对蓄冷球融化过程进行计算机模拟。重点研究蓄冷球在释冷过程中考虑固液密度差的情况下,固态物上浮和蓄冷球球径等对蓄冷球释冷特性的影响,并通过实验加以验证。为常规空调系统蓄冷技术的应用提供了理论依据和参考数据。 (5)进行蓄冷系统蓄冷和释冷的动态模拟及实验研究。建立了蓄冷器的模型,模型分为载冷剂与蓄冷球两个部分,两部分由蓄冷球外壳隔开。即将整个蓄冷器沿其长度方向分为几段,假设每段内的载冷剂温度均匀,而蓄冷球体内各点的温度看作是时空的函数来进行研究,采用显热容法对蓄冷器模型进行数值求解,得出载冷剂流量和进口温度对蓄冷器蓄冷和释冷的影响,从而获得蓄冷器的蓄冷和释冷规律。在自行设计和建立的小型蓄冷系统实验装置上进行蓄冷工况和释冷工况的相应实验。通过实验来进一步验证理论研究的正确性,并找出理论与实验存在的差异及引起差异的原因,给出影响蓄冷器蓄冷释冷的因素。 本论文的研究获得了常规空调工况的纳米复合相变蓄冷介质,将使空调用相变蓄冷器及蓄冷球的设计和工程应用更为合理化,为常规空调相变蓄冷技术的应用提供了应用理论基础和技术储备,也为其进一步产品化提供重要的指导作用。