新型封裝冰蓄冷實驗研究

姜 恒

(廣州大學，廣東 廣州 510000)

1 概述

城市化的擴張，空調技術的成熟，空調設備的運行能耗在建筑能耗中所占的比重愈來愈大[1]。在2016年3月《國家十三五規劃》中提出重點推進的八大重點工程中就有能源儲備設施，并且重點提出要實施大規模儲能技術的技術研發應用，將儲能納入國家級規劃中[2]。自20世紀90年代中期，國內開始針對冰蓄冷進行科學研究，隨著蓄冷空調技術的推廣和國家節能政策的推出，并且可以利用峰谷電價，為用戶減少費用支出，提高設備的運行效率等優點愈發突出[1]。目前廣泛應用于市場上的冰蓄冷的封裝設備主要有冰球式和冰板式。冰蓄冷封裝裝備結構簡單、安裝、運行方便，可針對用戶冷量要求進行靈活調節，具有廣闊的應用前景。

目前冰球蓄冷槽的代表性生產廠家有Cristopia,CRYOGEL,Reaction,杭州華電華源環境工程有限公司等[3]。天津大學團隊針對新開發的立式封裝板冰蓄冷設備做了大量的研究[4-9]。劉震炎以減小流動阻力的方式設計橢形單體蓄冷板，并進行了建模分析[10]。A.Barba針對PCM在三種不同的幾何形狀下的釋冷過程的實驗[11]。Ahmed A.Altohamy提出了一種新的冰球內表面粗糙度對冰球式蓄冷系統性能影響的實驗方法[12]。Cabeza L F提到關于將PCM封裝袋納入到建筑墻壁中實現被動冷卻[13]。Resetar I等開發一個樹枝狀封裝，并展示樹枝狀幾何結構對PCM與周圍環境之間的傳熱情況[14]。目前市面上存在的封裝式冰蓄冷設備主要是冰球式、板式，均存在一定的缺點。冰球式和板式的蓄冰設備內部均要留有一定的空氣層，為了防止膨脹變形，但是由于空氣的熱阻比之水要大，相變結冰時會影響表層的換熱[11]。同時，由于球的比表面最小，因此導致換熱能力差，隨著冰球式的內部相變材料相變，熱阻變大，導致蓄冷后期的傳換熱效率大大下降。

2 實驗研究

2.1 實驗系統

實驗采用開式系統，整個試驗系統由恒溫槽、蓄冷槽、流量計、熱電偶溫度計、水泵和閥門等多設備組成。系統圖見圖1。實驗采用30%乙二醇溶液作為載冷劑。

2.2 實驗方法

實驗采用控制變量法，通過PLC調整供回水的流量，以此保證實驗過程中蓄冷槽部分的水位維持在同一水平面。PLC的控制流程是通過蓄冷槽側的水位感應測點，依次將0 V～5 V的信號輸入水泵，因此控制水泵的流量大小來維持水位。實驗采用的對照組的封裝模塊是球形蓄冷模塊，球形蓄冷模塊的大小直徑為4 cm，比表面積為1.5 cm2/g。實驗組的封裝袋，其大小為15 cm×12 cm，共有三種不同的質量，分別為100 g/袋，120 g/袋和150 g/袋。每組封裝模塊總質量為600 g。經過計算其球形的比表面積在1.5 cm2/g，100 g/袋的比表面積在1.8 cm2/g，120 g/袋比表面積為1.5 cm2/g，150 g/袋比表面積為1.2 cm2/g(見圖2)。

實驗步驟是通過恒溫槽降溫將恒溫槽，水管和蓄冷槽內部的載冷劑的溫度降至-8 ℃，其次將總質量為600 g的封裝模塊組放入蓄冷槽中。當蓄冷槽內部溫度重新恢復-8 ℃維持不變，且觀察到封裝模塊相變時，停止實驗。

3 實驗分析

實驗過程中主要利用安捷倫記錄供回水流量信號(4 mA～20 mA)、供回水溫度和槽內溫度。因此冷量的輸入可以利用Q=CM1T1-CM2T2進行計算。

其中，Q為時刻的冷量，即為蓄冷速率；M1為回水流量；T1為回水溫度；M2為供水流量；T2為供水溫度。

然后利用Q對時間進行積分，即為輸入的總冷量與時間變化趨勢。

圖3為球形蓄冷模塊的蓄冷量隨時間變化曲線和實驗過程中槽內溫度的變化。槽內溫度測點位于槽內底部，從槽內溫度可以看出，開式系統實驗可以表現出冰蓄冷實驗的變化，因此利用開式系統進行實驗是可行的。圖3a)為球形蓄冷設備隨時間的變化趨勢，由于供回水流量的波動導致其冷量產生波動，因此可以看出其蓄冷量的變化曲線具有一定的波動。由圖可知其蓄冷量和蓄冷速率的變化趨勢符合理論的研究，在實驗初期，其槽內溫度在-8 ℃時將球放入蓄冷槽內，冰球內部的水為液態，與槽內載冷劑進行熱交換，在相變之前為顯熱過程，而后球內蓄冷相變結冰為潛熱交換過程，再之后，冰的溫度下降，再次變成顯熱交換。但在冰球內部的水相變時，隨著冰量的增加，冰層厚度愈來愈大，導致導熱熱阻增大，傳換熱速率降低[15]。所以圖中的蓄冷量的變化速率由大變小直至平穩。平緩期在100 min之后，冰球的蓄冷量不再增加，僅僅呈現一定的波動，也就意味著此時冷量的輸入已經與蓄冷槽的損失量持平,已經無法向冰球內輸入冷量。

100 g/袋的封裝袋的蓄冷實驗與球形的蓄冷實驗對比，由圖4可以看出，同為600 g總水量，封裝袋的蓄冷量和蓄冷速率比之球形蓄冷量和蓄冷速率要更大，這是由于袋體厚度較薄，且比表面積比之球形要大，100 g/袋在裝水后的最大厚度在9 mm左右，而球形的蓄冷封裝的最大厚度在40 mm，因此隨著蓄冰量的增加，導熱熱阻增加，傳換熱效率降低，蓄冷的速率下降，但是由于袋體比球體的厚度要小，比表面積大，因此袋體的單位時間的蓄冷速率要高于球形的蓄冷速率(見圖4)。100 g/袋的封裝袋總蓄冷量遠超球形蓄冷設備的蓄冷量，并且蓄冷完成時間在100 min左右。從圖中可以看出，球形的蓄冷完成時間要比袋子的完成時間要短，這是由于隨著蓄冰量的增加，冰層變厚，導致導熱熱阻的增大，以至于蓄冷實驗后期，無法將水完全完成蓄冰。這也是球形的冰蓄冷封裝設備的缺點所在。在實驗初期，前20 min內，兩者蓄冷量接近，蓄冷的速度也相近，此時由于水由常溫降至結冰時的顯熱蓄冷以及相變時冰層較薄，熱阻較低，所以兩者的傳換熱效率相近。而隨著蓄冰量愈來愈大，球形蓄冷設備內部冰層越來越厚，導致熱阻增大，蓄冷量增加緩慢，趨于平穩。

式中，Ei為農產品中重金屬i的單因子指數；Ai為農產品中重金屬i的實測濃度；Si為農產品重金屬i的限量標準值，采用GB 2762（中華人民共和國衛生部，2012）中規定的食物中污染物限量標準。

根據圖5可以看出，120 g/袋的封裝袋和球形封裝的總水量相等的情況下，球形封裝的蓄冷量小于封裝袋的蓄冷量，這也是由于實驗后期冰層的熱阻的原因，120 g/袋的封裝袋在常溫常壓下最大厚度在10 mm左右，而球的最大直徑為40 mm，蓄冷實驗的初期，冰球和冰袋的蓄冷量增加較快，隨著水相變成冰，冰層厚度的增加，導致冰球的導熱熱阻也在快速增加，結果導致冰球的蓄冷速率的下降，直至平緩，而袋體的厚度較小，因此在實驗后期，冰層的厚度也不會導致無法進行導熱，所以，整個實驗中，冰球式的蓄冷量要小于120 g/袋的封裝袋的蓄冷量。從蓄冷速度分析，在實驗初期時兩者皆位于顯熱蓄冷過程中時，兩者的速率相近，而后球形的蓄冷速率超過封裝袋的蓄冷速率，但原因在于封裝袋時散布在蓄冷槽中，且封裝袋屬于柔性的封裝板類，因此會造成封裝袋的疊加(如圖6所示)，導致載冷劑不能在封裝袋之間有效的流動，其總的有效的換熱面積大幅度減小，導致速率降低。而球形的冰蓄冷設備的外殼屬于硬殼，因此互相之間不會疊加，影響比表面積。在實驗后期，160 min左右時，其120 g/袋的封裝袋的實驗的蓄冷速度要大于100 min左右時刻的速度，這是由于封裝袋中水相變結冰，造成了一個堅硬的外殼體，為封裝袋之間的載冷劑增加了空間，提高了換熱面積，因此使得換熱效率增加，蓄冷速度有些許提升。

150 g/袋的比表面積為1.8 cm2/g，球形比表面積為1.5 cm2/g。從圖7可以看出，150 g/袋的封裝冰蓄冷設備的蓄冰量超過了球形冰蓄冷設備的蓄冰量，這與蓄冷實驗的換熱速率有關，這可以看出在實驗進行的后期，150 g/袋的蓄冷實驗的蓄冷速度與球形的蓄冷速度相比要高。150 g/袋的封裝袋在常壓下的厚度在11 mm左右，比之球的直徑要小的多，這也意味著與球形的相比較，同樣的環境下，總水量相同的情況下，150 g/袋封裝袋的蓄冷量比球形的蓄冷量更高。從蓄冷速度來看，150 g/袋的封裝袋的蓄冷速度要小于球形封裝的蓄冷速度，一是由于袋形封裝設備的疊加導致的無載冷劑在封裝袋之間產生流動，二是由于有150 g/袋的封裝袋的比表面積要比球形的比表面要大。

圖8為不同封裝袋和球形的蓄冷量隨時間變化的曲線，由圖8可以看出在總水量相同的情況下，不同的封裝袋的蓄冷量比球形的蓄冷量要大。從蓄冷的速度來看，在實驗初期，球形的蓄冷速度是要略大于120 g/袋封裝袋和150 g/袋蓄冷速度，這也是由于在槽內部的封裝袋之間的緊貼，載冷劑無法在封裝袋之間流動，封裝袋的表面積無法全部發揮作用，導致傳換熱面積減小，傳換熱速率降低。從蓄冷完成時間來看，將蓄冷量曲線變得平緩為蓄冷完成，冰球式的最先完成蓄冷，之后是100 g/袋的封裝袋完成蓄冷，之后為150 g/袋和120 g/袋的封裝袋蓄冷設備。從表1看出，當封裝袋比表面積越來越大，其蓄冷量也在減小，蓄冷速度也減小，由于冰的導熱熱阻亦阻礙了封裝內部的水相變結冰。

表1 5種封裝式冰蓄冷實驗對比分析

根據上述實驗可以看出，根據所設計的冰蓄冷封裝袋存在一定的問題。因此根據目前所有的實驗可以驗證其冰蓄冷封裝設備的蓄冰量在同等水量的情況下，其冰蓄冷封裝袋的蓄冰量是要超過球形的封裝設備的蓄冰量的。因此從整體的蓄冷量來看，其效果是要好于球形的蓄冷封裝設備的。但是由于封裝袋的緊貼疊加，導致其大部分的表面積并沒有起到一定的作用，因此根據此時，可以將封裝袋結構進行一定的改變，將封裝袋中部加壓，使封裝袋的上下表面的部分貼合，一方面使得封裝袋疊在一起時會留有一定空隙，另一方面可以讓封裝袋的上下表面距離減小，當距離減小可以使相變結冰時，使得冰層厚度減小，保證傳換熱效率，增加蓄冷量。根據所提出的想法進行了封裝袋的設計，如圖9所示。

僅根據設計做了封裝袋的120 g/袋的設計，球形的冰蓄冷封裝設備的比表面積與封裝袋的120 g/袋的比表面積相同，以此進行實驗研究。實驗結果如圖10所示。

對于加了壓痕的封裝袋來說，其目的其一在于減少上下表面的距離，其二是為了使得作為載冷劑的乙二醇溶液能夠在封裝袋之間流通，加強換熱，其三在壓痕處存在較薄的水層，因為此處較薄，因此傳熱快，此處的水會率先相變結冰，擁有促晶的作用。從圖9可以看出，封裝袋上加壓痕的封裝袋從蓄冷量和蓄冷速率均是超過球形冰蓄冷設備和不加壓痕的封裝袋蓄冰設備。因此利用此方法可以更高效的進行蓄冷。

因此采用此種方法進行優化，對新型封裝袋的冰蓄冷設備是有明顯效果的，使得蓄冰量更高，蓄冷速率更高。

4 結論

根據現有的封裝式的冰蓄冷設備的缺點進行新型冰蓄冷封裝設備的設計和研究，采用袋式結構，可以解決膨脹空間的問題，強化了傳熱，并且比表面積更大，也提高了傳換熱效率。從制作工藝角度來看，其制作工藝更加簡單便捷。因此封裝袋的封裝式冰蓄冷設備的效果和經濟效益來說更加的高。

1)本文采用了開式系統對冰蓄冷過程進行實驗，并利用PLC對系統進行控制，此種系統更易于實驗過程的現象觀察和實驗操作。

2)通過新設計的封裝袋冰蓄冷發現不同比表面積的封裝袋蓄冷速率不同，同樣的流量情況下，比表面積越小，其蓄冷速度越快，蓄冷時間越短。

3)在同樣的流量和實驗環境下，球形的封裝式冰蓄冷設備的蓄冷量低于實驗的三種不同的封裝袋式冰蓄冷設備的蓄冷量。

4)在同樣的流量和比表面積下，不加壓痕的120 g/袋的封裝設備的蓄冷速率小于球形的蓄冷速率，但加壓痕的120 g/袋的封裝設備的蓄冷速率要大于球形的封裝設備的蓄冷速率。

目前所研究的封裝袋式的冰蓄冷設備擁有一定的缺點，但是從效率和經濟效益來看，此設備對于封裝式冰蓄冷來說有更高的價值。此后需要針對封裝袋的冰蓄冷設備進行更加詳細全面的研究，并針對缺點進行改進和設備的優化。