CO2水合物蓄冷系統性能的實驗研究

耿時江，謝應明，楊亞彬

（上海理工大學，上海 200093）

CO2水合物蓄冷系統性能的實驗研究

耿時江*，謝應明，楊亞彬

（上海理工大學，上海 200093）

本文采用直接接觸式CO2水合物蓄冷系統，在釜內初始水溫26 ℃以及充注壓力(3.5～4.0) MPa條件下，研究不同充注壓力下的蓄冷特性。實驗結果表明：在充注壓力為3.5 MPa時，兩相CO2在反應釜的初始入口干度為0.88；系統蓄冷速率為2.38 kW，釜內中下層溫度突升明顯；充注壓力增至(3.6～4.0) MPa時，兩相CO2的初始入口干度依次降至0.78、0.64、0.51、0.40、0.35，蓄冷速率也依次增至3.28 kW、3.73 kW、4.82 kW、5.94 kW和6.40 kW，釜內中下層溫度分離；系統的蓄冷過程不斷消耗CO2，兩相CO2的入口干度不斷增大，系統蓄冷速率減??；系統充注壓力越高，蓄冷特性越好。

二氧化碳；水合物；蓄冷；充注壓力；直接接觸式

0 引言

現如今，普通商業建筑中的空調系統消耗了其接近60%的電能，造成嚴重的電力負擔[1]，蓄冷空調技術已成為空調需求側管理的主要手段[2]，冰蓄冷空調系統利用峰谷電價的不同，在夜間電價低時段制備并蓄冰，在白天電價高時段通過融化冰釋放冷量，滿足供冷需求，對電力需求達到移峰填谷的目的[3-4]。冰盤管蓄冷作為傳統的商業蓄冷方式，其換熱器屬于間壁式換熱器，冰在蒸發盤管管路上形成，由于冰的導熱系數很低，盤管上形成的冰層造成了制冷劑和水之間很大的導熱熱阻，并且導熱熱阻隨著冰層的增厚而增大[5]，在空調工況下，由于制冷機組蒸發溫度低，冰蓄冷空調系統的COP比常規制冷系統低23%左右[6]，冰蓄冷技術并不節能[7]，其蓄冷性能并不理想。為此，國內外學者紛紛對直接接觸換熱蓄冷技術展開研究，目前主要分為直接接觸式冰蓄冷和直接接觸式水合物蓄冷兩類。

章學來等[8]采用直接接觸式冰蓄冷技術，研究了連續相高度、連續相溫度、節流閥開度對蓄冷容器內容積換熱系數的影響；鄭克晴等[9]采用空氣作為擴散相，通過大量實驗研究了直接接觸式冰漿生成器中的單氣泡傳熱特性，定性分析了擴散相溫度、流量，以及連續相高度、噴嘴直徑等因素對容積換熱系數的影響；WASHED等[10]對用Flurinert FC-84作制冷劑的直接接觸式冰蓄冷系統進行了研究，并將影響兩種流體間直接接觸換熱的所有重要變量擬合到仿真模型中，以此評估其傳熱特性；THONGWIK等[11]采用CO2和水直接進行直接接觸式換熱冰蓄冷實驗，發現二者之間的換熱效率接近100%。

直接接觸式水合物蓄冷的實驗研究很少[12-14]。本課題組進行了相關的實驗研究，謝振興等[15]研制了一臺直接接觸式CO2水合物蓄冷實驗裝置，并研究了系統初始充注壓力對CO2水合物生成特性及蓄冷特性的影響，實驗發現充注壓力越高，水合比例越大，水合物蓄冷量越大；周興法等[16]采用直接接觸式水合物反應釜研究了過冷度對CO2水合物生成的影響，并發現在釋冷過程中水合物的相變溫度在(10～14) ℃，得到了典型的釋冷曲線。以上研究主要對蓄冷過程中溫度變化進行探討并證明水合物生成是放熱過程，并未從制冷系統循環角度進行分析。本文采用直接接觸式CO2水合物反應釜，通過實驗在研究水合物的生成特性的基礎上，深入分析了系統的循環過程的干度和蓄冷速率變化特性。

1 實驗裝置原理和數據處理

1.1 實驗裝置原理

如圖1所示，實驗裝置由直接接觸反應釜、干燥器、壓縮機、氣冷器、節流閥幾個主要部分和散流器、質量流量計（精度等級為0.2）、壓力傳感器（精度為±0.1%）、熱電偶（精度為±0.15 ℃）等輔助設備組成。圖2是直接接觸反應釜結構圖，反應釜是由不銹鋼材料制成，外形為圓柱罐形，內徑0.300 m，高度0.353 m，最高耐壓10 MPa；釜底部裝有環形散流器，外徑0.280 m，18個直徑5 mm的噴嘴均勻布置在散流器上，可分散兩相CO2，提高傳質傳熱效率，其他部件這里不做贅述。

高壓CO2經膨脹閥變成低溫低壓兩相流體，后經反應釜底部散流器進入水相中，進而與水直接接觸換熱，使水溫下降，進行顯熱蓄冷；換熱過程中，由于部分CO2溶解在水相中，當CO2+H2O混合相溫度降至(5～6) ℃時，生成大量疏松多孔的固態CO2水合物，從而進行潛熱蓄冷，在反應釜中吸收熱量的氣相CO2從釜頂被壓縮機吸走，升溫升壓后在氣冷器和膨脹閥中降溫降壓，再次變成低溫低壓的兩相流體，并進入反應釜中，從而完成循環。表1為本研究的實驗工況。

圖1 實驗裝置原理圖

圖2 直接接觸式水合物反應釜

表1 實驗工況

1.2 實驗數據處理

因本裝置把一般的CO2壓縮式制冷循環的蒸發器換成CO2水合物反應釜，CO2和水直接接觸進行蓄冷，根據能量守恒，反應釜內的蓄冷速率與制冷劑側的制冷量相等，故做如下計算。

系統蓄冷速率反應了系統的瞬時蓄冷量大小，為CO2在反應釜進出口焓差與CO2質量流量的乘積，即：

式中：

q——蓄冷速率，kW；

系統總蓄冷量是系統從壓縮機啟動到停機整個時間段內的蓄冷量，為對蓄冷速率在τ時間內的積分，即：

式中：

Q——蓄冷量，kJ；

τ——時間，s。

因系統循環是非穩態過程，系統平均蓄冷速率反映了系統在整個時間段τ內的平均蓄冷速率水平，為總蓄冷量Q與從壓縮機啟動到停機所用時間τ的比值，即：

式中：

CO2在反應釜的入口處于兩相區，為濕飽和蒸汽狀態，其干度可根據入口處焓值和該壓力下的飽和液體焓值和飽和氣體焓值求得，具體過程如下：

移項即得：

式中：

x——CO2在反應釜的入口干度；

h'——CO2在釜內壓力下的飽和液體焓值，kJ/kg；

h''——CO2在釜內壓力下的飽和氣體焓值，kJ/kg。

2 實驗結果和討論分析

2.1 水合物的生成特性

圖3為不同充注量下水合物生成和流量變化曲線。由圖3可看出，曲線分為顯熱蓄冷和潛熱蓄冷兩個階段。顯熱階段兩相CO2進入反應釜與水直接接觸換熱并帶走水的熱量，使得釜內各層溫度不斷下降，達到顯熱蓄冷的目的；潛熱蓄冷階段是一個復雜的物理相變和化學反應過程，當反應釜內水溫降至水合物相平衡溫度時，釜內CO2水合物開始大量生成，并釋放大量的水合熱，在這個階段，CO2+H2O生成水合物的方程[11-12]可表述為：

水合物在氣液界面處生成和堆積，并且不斷向上生長，大量多孔且密實的水合物熱導率很低，從圖3(a)可以看出生成水合物時，大量熱量的釋放無法被全部帶走，致使釜內各層溫度的突升。

由圖3(c)～圖3(f)可以看出，在生成水合物時，下層溫度下降短暫放緩，然后再次下降，不再有圖3(a)中的溫度突升過程，而且與中層溫度產生了溫度的分離。結合圖4分析可知，充注量3.5 MPa時，兩相CO2在反應釜的初始入口干度為0.88，并且隨著CO2的不斷消耗而不斷增大，致使蓄冷速率不斷減小，不能帶走全部的水合熱；當初始充注壓力增大至3.6 MPa、3.7 MPa、3.8 MPa、3.9 MPa、4.0 MPa，兩相CO2的初始入口干度依次降至0.78、0.64、0.51、0.40、0.35，蓄冷速率也依次增至3.28 kW、3.73 kW、4.82 kW、5.94 kW、6.40 kW，生成水合物時釋放的大部分熱量可以被兩相CO2帶走，因此不但未發生圖3(a)中的下層溫度突升的現象，而且下層溫度繼續下降。

圖3(b)～圖3(f)的中層溫度突升越來越趨于平緩，這是充注壓力增加時，蓄冷速率不斷增大導致的。以上是導致低充注壓力時各層溫度突升明顯，高充注壓力時中下溫度分層的主要原因。

圖3 不同充注壓力下水合物生成和CO2流量變化曲線

圖4 不同充注壓力下反應釜入口干度和蓄冷速率曲線

2.2 干度和蓄冷速率變化特性

由于系統的蓄冷過程不斷消耗CO2，循環中的CO2量越來越少，蓄冷速率隨時間不斷變化，因此系統循環是非穩態過程，觀察圖4可知，各充注壓力下兩相CO2在反應釜的入口干度隨時間不斷增大，系統蓄冷速率不斷減??；由圖5可知，隨充注壓力的增加，兩相CO2的平均干度減小，系統平均蓄冷速率增大，因此所需蓄冷時間減少，結合式(1)～式(5)，計算得出在充注壓力(3.5～4.0) MPa下，系統總蓄冷量分別為2,471.4 kJ、2,639.7 kJ、3,041.7 kJ、3,126.0 kJ、3,413.2 kJ、3,976.1 kJ，平均蓄冷速率依次為1.0 kW、1.5 kW、2.2 kW、2.9 kW、3.5 kW、4.2 kW，可見在較高的充注壓力下系統的蓄冷時間更短，平均蓄冷速率更高，總蓄冷量越大，有著更好的蓄冷特性。

圖5 不同充注壓力下反應釜平均入口干度和平均蓄冷速率

表2 不同充注壓力下的蓄冷情況

3 結論

本文通過實驗研究了不同充注壓力對CO2水合物系統蓄冷特性的影響，得到了如下結論。

1）在較低充注壓力下，兩相CO2入口干度大，蓄冷速率小，不能帶走全部的水合熱，因此釜內中下層溫度突升明顯；較高充注壓力下，兩相CO2入口干度小，蓄冷速率大，水合熱可以被兩相CO2帶走，下層溫度下降，中層的水合物阻礙了換熱，因此產生了中下層溫度的分離。

2）各充注壓力下系統的蓄冷過程不斷消耗CO2，兩相CO2的入口干度隨時間不斷增大，系統蓄冷速率減小。

3）隨初始充注壓力的增大，兩相CO2的平均干度減小，蓄冷時間減少，系統平均蓄冷速率增大，總蓄冷量增大。

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Experimental Research on Performance of CO2Hydrate Cool Storage System

GENG Shi-jiang*, XIE Ying-ming, Yang Ya-bin
(University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

For the direct-contact CO2hydrate cool storage system, the cool storage characteristics were analyzed under the initial water temperature of 26 ℃ and refrigerant charge pressure of (3.5～4.2) MPa in the reaction kettle. The experimental results show that, under the charge pressure of 3.5 MPa, the inlet vapor quality of two-phase CO2in the reaction kettle was 0.88; the cool storage rate was 2.38 kW, and the middle and lower temperature rose significantly. As the charge pressure increases up to (3.6～4.0) MPa, the inlet vapor quality of CO2is decreased to 0.78, 0.64, 0.51, 0.40 and 0.35, and the cool storage rate is increased to 3.28 kW, 3.73 kW, 4.82 kW, 5.94 kW and 6.40 kW, respectively, which leads to a temperature separation phenomenon between middle and lower part in the kettle. As the cool storage process consumes CO2constantly, the inlet vapor quality of CO2increases and the cool storage rate decreases. The cool storage performance can be improved greatly as the charge pressure increases.

Carbon dioxide; Hydrate; Cool storage; Charge pressure; Direct-contact

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.06.108

*耿時江（1990-），男，碩士研究生，從事直接接觸式蓄冷研究。聯系地址：上海市軍工路516號，郵編：200093。聯系電話：13052092110。E-mail：1031355546@qq.com。

國家自然科學基金資助項目（No.50806050），上海市教委科研創新項目（No.14YZ097）。