CO2水合物蓄冷系統(tǒng)的循環(huán)特性實(shí)驗(yàn)研究

(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)空調(diào)能耗占建筑總能耗的60%以上[1]，且負(fù)荷的峰谷時(shí)間與城市電網(wǎng)的峰谷時(shí)間吻合[2]，隨著峰谷電價(jià)比的增大，蓄冷空調(diào)技術(shù)的推廣有了更為有利的條件[3]。與常規(guī)空調(diào)冷水機(jī)組相比，冰蓄冷制冷機(jī)組的蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力大大降低，性能系數(shù)COP也下降，耗電量卻增加了20%[4]，冰蓄冷的節(jié)能效果并不明顯[5]。對(duì)比直接接觸式蓄冷系統(tǒng)和盤(pán)管式蓄冷系統(tǒng)的能效比和火用效率，發(fā)現(xiàn)直接接觸式蓄冷系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)[6]。目前，對(duì)于直接接觸式蓄冷的研究主要包括直接接觸式冰蓄冷和直接接觸式水合物蓄冷。

J. J. Tomlinson等[7]指出同類型氣體水合物蓄冷系統(tǒng)在節(jié)能方面優(yōu)于冰蓄冷系統(tǒng)。鄭克晴等[8]基于單個(gè)上升氣泡在制冰溶液中的特性，發(fā)現(xiàn)體積傳熱系數(shù)隨進(jìn)氣質(zhì)量流量的增加、進(jìn)氣溫度的下降、噴嘴直徑的減小而增加。李曉燕等[9]建立了直接接觸式蓄冷器的物理模型，采用熱平衡法研究了直接接觸式蓄冷器的蓄冷特性。章學(xué)來(lái)等[10]設(shè)計(jì)了直接接觸式蓄冷實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)研究了系統(tǒng)蓄冷罐內(nèi)的傳熱特性，發(fā)現(xiàn)充灌量會(huì)影響蓄冷罐內(nèi)的溫度分布。

國(guó)內(nèi)外對(duì)直接接觸式水合物蓄冷技術(shù)的研究較少[11-14]。謝振興等[15]研制了一臺(tái)蓄冷用CO2水合物的壓縮式循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置，發(fā)現(xiàn)水合物在CO2氣泡上升過(guò)程中生成，在氣液界面處堆積。周興法等[16]研究了CO2水合物的蓄冷特性，發(fā)現(xiàn)水合物生長(zhǎng)速率隨著充注壓力的升高而增大。上述研究主要對(duì)蓄冷過(guò)程中的溫度變化進(jìn)行探討，未從制冷系統(tǒng)循環(huán)的角度進(jìn)行分析。本文采用直接接觸式CO2水合物反應(yīng)釜，研究了初始充注壓力為3.5～4.0 MPa時(shí)系統(tǒng)的循環(huán)特性和蓄冷特性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了不同充注壓力下的系統(tǒng)p-h圖和蓄冷速率圖，結(jié)合循環(huán)的p-h圖分析了不同初始充注壓力下系統(tǒng)的蓄冷速率。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括：溫度測(cè)量(精度為±0.15 ℃)、壓力測(cè)量(精度為±0.1%)及質(zhì)量流量測(cè)量(精度為±0.1%)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)溫度、壓力及水質(zhì)量流量計(jì)的數(shù)據(jù)采集采用Agilent(安捷倫)34 970 A數(shù)據(jù)采集儀，采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為5 s；CO2質(zhì)量流量計(jì)配有專門(mén)的采集器，即AEM290智能流量積算儀。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)流程為：1)先向反應(yīng)釜內(nèi)注入自來(lái)水，封閉抽真空后向反應(yīng)釜充注CO2氣體至設(shè)定壓力；2)開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集器并啟動(dòng)恒溫槽；3)依次開(kāi)啟氣冷器風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)，當(dāng)釜內(nèi)生成水合物之后，下層溫度下降至0 ℃時(shí)，迅速關(guān)閉壓縮機(jī)，待釜內(nèi)壓力穩(wěn)定后關(guān)閉冷卻器，導(dǎo)出數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

本裝置用CO2水合物反應(yīng)釜來(lái)替代CO2壓縮式制冷循環(huán)的蒸發(fā)器，根據(jù)能量守恒，反應(yīng)釜內(nèi)的蓄冷速率與制冷劑側(cè)的制冷量相等。耿時(shí)江等[17]已對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)的蓄冷量進(jìn)行了計(jì)算及分析，本文不再贅述。

系統(tǒng)蓄冷速率反映了系統(tǒng)瞬時(shí)蓄冷量的大小，蓄冷量為CO2在反應(yīng)釜進(jìn)出口焓差與CO2質(zhì)量流量的乘積，即：

q=mCO2(h1-h2)

(1)

式中：q為蓄冷速率，kW；mCO2為CO2質(zhì)量流量，kg/s；h1、h2分別為CO2在反應(yīng)釜出口、入口焓值，kJ/kg。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Tab.1 Test conditions

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 循環(huán)特性分析

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)繪制系統(tǒng)在各初始充注壓力下的p-h圖，如圖2所示，1-2-3-4-5為p-h圖上的整個(gè)循環(huán)過(guò)程。由圖2可知，隨系統(tǒng)初始充注壓力的升高，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間縮短。初始充注壓力為3.5 MPa和3.6 MPa時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)為亞臨界循環(huán)；初始充注壓力升至3.7～4.0 MPa時(shí)，系統(tǒng)高壓側(cè)的CO2為超臨界狀態(tài)，系統(tǒng)循環(huán)在跨臨界區(qū)的時(shí)間分別為8、10、9、8 min，系統(tǒng)循環(huán)在跨臨界區(qū)的時(shí)間比例依次增大，由于系統(tǒng)的蓄冷過(guò)程CO2量越來(lái)越少，高壓側(cè)壓力降至CO2臨界壓力以下時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程為亞臨界循環(huán)。

4-5過(guò)程為CO2在反應(yīng)釜內(nèi)的吸熱過(guò)程，即蓄冷過(guò)程：CO2經(jīng)散流器進(jìn)入水中，與水直接接觸換熱進(jìn)行顯熱蓄冷；換熱過(guò)程中，由于部分CO2溶解在水相中，當(dāng)CO2+H2O混合相溫度降至5～6 ℃時(shí)，生成大量疏松多孔的固態(tài)CO2水合物，從而進(jìn)行潛熱蓄冷。反應(yīng)過(guò)程中消耗了大量的CO2，使CO2在4和5之間即反應(yīng)釜前后有約0.2 MPa的壓降。反應(yīng)釜內(nèi)水的初始溫度為26 ℃，節(jié)流后兩相CO2的溫度由1.2 ℃降至-3.2 ℃，反應(yīng)釜內(nèi)水溫超過(guò)兩相CO2的溫度20 ℃以上，可知水和CO2之間存在較大的傳熱溫差，換熱后使反應(yīng)釜出口處的CO2有一定的過(guò)熱度。

圖2 不同初始充注壓力下系統(tǒng)p-h圖Fig.2 The p-h diagram of different initial charge pressure

2.2 蓄冷速率分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制不同初始充注壓力下系統(tǒng)的蓄冷速率圖，如圖3所示。隨初始充注壓力的增大，系統(tǒng)在開(kāi)始時(shí)刻的蓄冷速率依次增大，但都在蓄冷結(jié)束時(shí)刻降至一個(gè)較低的水平。原因是系統(tǒng)不斷消耗CO2，CO2質(zhì)量流量減小，節(jié)流后的兩相CO2干度較大，所攜帶的制冷量小，使系統(tǒng)蓄冷速率較小。對(duì)比不同初始充注壓力下的蓄冷速率可知，系統(tǒng)初始充注壓力越大，系統(tǒng)蓄冷速率下降速度越快，蓄冷速率曲線越陡峭。

當(dāng)初始充注壓力為3.5 MPa和3.6 MPa時(shí)，系統(tǒng)蓄冷速率分別由2.43 kW降至0.66 kW，由3.29 kW降至1.11 kW，曲線較為平緩。當(dāng)初始充注壓力分別為3.7、3.8、3.9、4.0 MPa時(shí)，系統(tǒng)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，蓄冷速率變化范圍依次增大。觀察圖3中3.7 MPa曲線可知，7～8 min時(shí)蓄冷速率下降最快，曲線斜率最大，原因是8 min時(shí)系統(tǒng)循環(huán)由跨臨界循環(huán)變?yōu)閬喤R界循環(huán)，節(jié)流后的CO2干度迅速增大，使蓄冷速率迅速下降。同理，觀察3.8、3.9、4.0 MPa曲線可知，蓄冷速率分別在8～9 min、7～8 min、7～8 min時(shí)下降最快，曲線斜率最大。

圖3 不同初始充注壓力下蓄冷速率Fig.3 The cool storage rate under different initial charge pressure

2.3 循環(huán)特性對(duì)蓄冷速率的影響

在系統(tǒng)的顯熱蓄冷階段CO2不斷溶解在水中，在潛熱蓄冷階段CO2參與水合反應(yīng)，整個(gè)過(guò)程不斷消耗CO2，使CO2質(zhì)量流量不斷減少，系統(tǒng)高壓側(cè)壓力下降，進(jìn)而使節(jié)流后的兩相CO2干度不斷增大，系統(tǒng)蓄冷速率不斷減小，因此蓄冷過(guò)程中系統(tǒng)循環(huán)是非穩(wěn)態(tài)的。

結(jié)合圖2和圖3分析可知：當(dāng)初始充注壓力為3.5 MPa時(shí)，3 min時(shí)高壓側(cè)壓力為6.8 MPa，回?zé)崞鞲邏汗苈烦隹谔幍腃O2為過(guò)熱狀態(tài)，此狀態(tài)下CO2進(jìn)入膨脹閥節(jié)流后得到的兩相CO2干度為0.82，所攜帶的制冷量小，系統(tǒng)蓄冷速率為2.08 kW。41 min時(shí)系統(tǒng)高壓側(cè)壓力降至5.62 MPa，節(jié)流后的CO2狀態(tài)已經(jīng)接近干飽和蒸氣，系統(tǒng)蓄冷速率為0.66 kW。

當(dāng)初始充注壓力為3.6 MPa時(shí)，3 min時(shí)高壓側(cè)壓力為7.0 MPa，回?zé)崞鞲邏汗苈烦隹诘腃O2為過(guò)熱狀態(tài)，系統(tǒng)蓄冷速率為2.65 kW。因?yàn)橄到y(tǒng)的蓄冷過(guò)程不斷消耗CO2，26 min時(shí)，高壓側(cè)壓力降至5.6 MPa，系統(tǒng)蓄冷速率為1.11 kW。

當(dāng)初始充注壓力為3.7 MPa時(shí)，3 min時(shí)高壓側(cè)壓力為8.0 MPa，高于CO2的臨界壓力，此時(shí)CO2為超臨界狀態(tài)，系統(tǒng)蓄冷速率為3.76 kW。8 min時(shí)系統(tǒng)高壓側(cè)壓力降至接近CO2臨界壓力，系統(tǒng)蓄冷速率為2.28 kW。8 min前系統(tǒng)為跨臨界循環(huán)，8 min后系統(tǒng)為亞臨界循環(huán)。

當(dāng)初始充注壓力為3.8 MPa時(shí)，3 min時(shí)高壓側(cè)壓力為8.2 MPa，此時(shí)CO2為超臨界狀態(tài)，系統(tǒng)蓄冷速率為4.85 kW。10 min時(shí)系統(tǒng)高壓側(cè)壓力降至接近CO2臨界壓力，系統(tǒng)蓄冷速率為2.32 kW。10 min前系統(tǒng)為跨臨界循環(huán)，10 min后系統(tǒng)為亞臨界循環(huán)。17 min時(shí)，高壓側(cè)壓力降至5.50 MPa，系統(tǒng)蓄冷速率為1.13 kW。

當(dāng)初始充注壓力為3.9 MPa時(shí)，3 min時(shí)高壓側(cè)壓力為8.3 MPa，此時(shí)CO2為超臨界狀態(tài)，系統(tǒng)蓄冷速率為6.00 kW。9 min時(shí)系統(tǒng)高壓側(cè)壓力降至接近CO2的臨界壓力，系統(tǒng)蓄冷速率為2.17 kW。9 min前系統(tǒng)為跨臨界循環(huán)，9 min后系統(tǒng)為亞臨界循環(huán)。15 min時(shí)高壓側(cè)壓力降至5.80 MPa，系統(tǒng)蓄冷速率為2.17 kW。

當(dāng)初始充注壓力為4.0 MPa時(shí)，3 min時(shí)高壓側(cè)壓力為8.6 MPa，此時(shí)CO2為超臨界狀態(tài)，系統(tǒng)蓄冷速率為6.47 kW。7 min系統(tǒng)高壓側(cè)壓力降至接近CO2臨界壓力，系統(tǒng)蓄冷速率為4.26 kW。7 min前系統(tǒng)為跨臨界循環(huán)，7 min后系統(tǒng)為亞臨界循環(huán)。11 min時(shí)高壓側(cè)壓力降至6.80 MPa，系統(tǒng)蓄冷速率為1.85 kW。

3 結(jié)論

本文通過(guò)CO2水合物的蓄冷實(shí)驗(yàn)研究了直接接觸式蓄冷系統(tǒng)的循環(huán)特性和蓄冷特性，得到如下結(jié)論：

1)初始充注壓力為3.5、3.6 MPa時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)在亞臨界區(qū)；初始充注壓力為3.7、3.8、3.9、4.0 MPa時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)進(jìn)入跨臨界區(qū)。

2)蓄冷過(guò)程中，由于不斷的消耗CO2，CO2質(zhì)量流量不斷減小，使節(jié)流后的兩相CO2干度不斷增大，系統(tǒng)蓄冷速率不斷減小，因此蓄冷過(guò)程中系統(tǒng)循環(huán)是非穩(wěn)態(tài)的。

3)系統(tǒng)初始充注壓力越高，系統(tǒng)蓄冷速率下降速度越快，蓄冷速率曲線越陡峭。