不同進(jìn)水口溫度下相變蓄熱器傳熱特性研究

張時(shí)華 周 易 徐笑鋒

上海海立電器有限公司

0 引言

熱泵技術(shù)是近年來(lái)全世界備受關(guān)注的新能源技術(shù)，經(jīng)過電力做功可以從空氣、水或者土壤中提供被人們所利用的高品位熱能。熱泵技術(shù)也是中國(guó)達(dá)到“雙碳”目標(biāo)的有效途徑與解決辦法［1］。熱泵熱水器利用空氣源熱能通過壓縮機(jī)提供熱水，是繼電熱水器、太陽(yáng)能熱水器及燃?xì)鉄崴骱蟮摹暗谒拇鸁崴鳌保?］。但是，由于水箱體積較大，輸出功率大、出熱水速度較慢等問題，制約了其應(yīng)用推廣［3］。

相變儲(chǔ)能是一種將熱能利用材料相變潛熱存儲(chǔ)的技術(shù)手段，可有效地解決熱能在時(shí)間、空間上的不匹配問題，具有儲(chǔ)熱密度大、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)［4-6］。涂志剛等［7］以碳納米管（CNTs）/石蠟納米復(fù)合材料作為相變蓄熱介質(zhì),將納米復(fù)合材料應(yīng)用于熱泵熱水器中，探討了相變蓄熱式熱泵熱水器的傳熱性能。與傳統(tǒng)帶水箱的蓄熱式熱泵熱水器相比，納米復(fù)合材料的添加使相變蓄熱式熱泵熱水器蓄熱箱體積減少約二分之一，熱效率明顯提高，可達(dá)86%,說明CNTs/石蠟納米復(fù)合材料可以作為熱泵熱水器的蓄熱材料。余萌［8］通過制冷劑與相變材料直接換熱的方式，設(shè)計(jì)了與空氣源熱泵系統(tǒng)相結(jié)合的高效相變蓄熱裝置——冷凝蓄熱器。從能耗、環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)角度看，該系統(tǒng)相較于準(zhǔn)二級(jí)壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)具有更強(qiáng)的低溫適應(yīng)性，為其在嚴(yán)寒地區(qū)的大規(guī)模供熱應(yīng)用提供了切實(shí)可行的方案。鄒得球等［9］分析了相變儲(chǔ)熱材料在太陽(yáng)能熱水器和熱泵熱水器中的應(yīng)用情況,指出了相變材料在熱水器中的合理布置存在的問題，提出未來(lái)在相變儲(chǔ)熱材料的性能優(yōu)化、相變材料與熱水器的結(jié)合形式優(yōu)化、太陽(yáng)能熱水器與熱泵熱水器的有效組合方面需要進(jìn)一步探索。綜上所述，相變儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用在熱泵熱水器中可有效提升系統(tǒng)性能，減小蓄熱水箱體積并即時(shí)出熱水，但是其具體的蓄熱結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍待優(yōu)化研究。

本文針對(duì)蓄熱式熱泵熱水器，設(shè)計(jì)了基于套管換熱器的三工質(zhì)換熱蓄熱體。通過商業(yè)軟件建立三維瞬態(tài)模型，設(shè)置邊界條件，探索不同進(jìn)水口溫度下蓄熱材料、水、制冷劑之間的傳熱性能，并對(duì)蓄放熱過程中的蓄熱材料相變問題進(jìn)行了討論。

1 模型建立

系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、蓄熱箱體、蒸發(fā)器、電子膨脹閥等設(shè)備，如圖1所示。壓縮機(jī)采用制熱量1 900 W的某品牌壓縮機(jī)，壓縮機(jī)出口溫度小于等于90 ℃，制冷劑選取R134a。相變材料選取PCM1 赤藻糖醇基復(fù)合相變材料，其熱物性見表1。

表1 相變材料熱物性表

圖1 系統(tǒng)示意圖

采用套管式換熱器，內(nèi)管水進(jìn)行換熱，外管制冷劑循環(huán)加熱，套管外部的不銹鋼箱體內(nèi)填充相變蓄熱材料，如圖2、圖3 所示。蓄熱箱體尺寸為310×220×325 mm，箱體內(nèi)套管換熱器長(zhǎng)度為6.5 m，外管管徑25 mm，內(nèi)管管徑12.7 mm。制冷劑通過壓縮機(jī)壓縮為高溫高壓的氣體，進(jìn)入換熱器后對(duì)水與蓄熱材料進(jìn)行加熱。充熱階段蓄熱材料由固體融化為液體進(jìn)行相變蓄熱；放熱階段由蓄熱材料先進(jìn)行放熱，如熱水需求量較大，壓縮機(jī)再次啟動(dòng)并提供熱量。設(shè)置環(huán)境溫度為15 ℃，進(jìn)水口溫度分別為15、20、25 ℃，模擬計(jì)算蓄熱材料放熱階段出水口溫度變化及相變材料平均溫度變化。

圖2 套管換熱器示意圖

圖3 蓄熱箱體示意圖

假設(shè)蓄熱箱體處于絕熱狀態(tài)下，制冷劑的熱量QR見式（1）：

式（1）中：TR1和TR2——分別是蓄熱箱體中制冷劑的進(jìn)出口溫度；

CR——制冷劑的比熱容。

制冷劑的熱量被水吸收，熱量Qw表達(dá)式見式（2）：

式（2）中：Qw——管道中水吸收的熱量；

Tin——進(jìn)水溫度；

Tout——出水溫度；

Tave——進(jìn)出水的平均溫度；

ρw——水平均溫度時(shí)的密度；

Cw——水平均溫度時(shí)的比熱容。

忽略重力的影響，熔融過程中PCM內(nèi)部不存在自然對(duì)流，因此，只發(fā)生在相變過程中的PCM 是一個(gè)純熱傳導(dǎo)的問題。PCM中的能量守恒方程為：

式中：ρ——PCM1的密度；

H——PCM1的焓；

k——PCM1的熱導(dǎo)率。

在相變材料和套管換熱器中，選擇水作為供熱介質(zhì)，管道內(nèi)液體水的能量守恒方程為：

管道內(nèi)液體水的動(dòng)量守恒方程為：

管道內(nèi)液體水的連續(xù)性方程：

式中：ρw——水的密度；

Cw——水的比熱容；

Tw——水的溫度；

——管道中水流速度矢量；

P——水的靜壓。

計(jì)算網(wǎng)格選取均勻性結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)管路連接區(qū)域加密網(wǎng)格分布。分別對(duì)物理模型選取10 萬(wàn)、15萬(wàn)、20萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果驗(yàn)證了網(wǎng)格獨(dú)立性，為了計(jì)算精確與計(jì)算速度最終選取15萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)模型，時(shí)間步長(zhǎng)選取5 s，網(wǎng)格圖如圖4所示。

圖4 物理模型網(wǎng)格圖

2 結(jié)果分析

相變材料放熱過程平均溫度如圖5所示。從圖5中可以明顯看出，相變材料在800 s左右開始相變且有穩(wěn)定的相變平臺(tái)。此階段蓄熱材料由固態(tài)融化為液態(tài)，在10 000 s左右結(jié)束相變。可以明顯地看出，進(jìn)水口溫度越低，相變材料相變?cè)娇欤_始得越早，這是由于大溫差導(dǎo)致的熱流密度較大導(dǎo)致。進(jìn)水口溫度為25 ℃的相變平臺(tái)最為滯后。

圖5 相變材料溫度變化圖

圖6 為相變材料放熱過程中的液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖，過程中蓄熱材料由液態(tài)凝固為固態(tài)釋放熱量給水。由于熱流密度不同的原因，進(jìn)口水溫為15 ℃前期蓄熱材料融化速率較快，進(jìn)水口溫度為25 ℃蓄熱材料融化速率較慢。最終三個(gè)不同工況均趨于穩(wěn)定，直至蓄熱材料完全凝固為固體。出水口水溫變化如圖7 所示。由于導(dǎo)熱系數(shù)與熱阻的設(shè)定，在2 000 s左右水溫升至55 ℃，達(dá)到熱水器供水國(guó)標(biāo)。在400 s 左右由于相變材料的持續(xù)潛熱供熱，出水口溫度穩(wěn)定在80 ℃左右。同樣由于進(jìn)水口溫度不同，進(jìn)水口溫度25 ℃較進(jìn)水口溫度15 ℃延遲1 000 s 左右達(dá)到80 ℃的出水溫度。進(jìn)水口溫度15 ℃時(shí)，80 ℃熱水出水時(shí)間最短，大約在6 000 s左右，較進(jìn)水口溫度為25 ℃時(shí)80 ℃熱水供應(yīng)時(shí)間短14.5%左右。該蓄熱式熱泵熱水器系統(tǒng)可有效提供60 ℃熱水12 000 s 左右，模擬計(jì)算驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

圖6 液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖

圖7 出水口溫度變化圖

3 結(jié)論

通過設(shè)計(jì)熱泵熱水器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與蓄熱箱體，建立蓄熱式熱泵熱水器的三維非穩(wěn)態(tài)物理模型，設(shè)定三種不同進(jìn)水口溫度的工況，模擬計(jì)算了蓄熱材料的相變傳熱特性與出水口溫度變化，可得到以下結(jié)論：

1）進(jìn)水口溫度越低，水與蓄熱材料的換熱溫差更大，熱流密度更大，相變時(shí)間越短，提供熱水時(shí)間更短，成反比關(guān)系。

2）蓄熱式熱泵熱水器可有效提供熱水12 000 s左右，熱水供應(yīng)量由相變材料填充量決定，模擬驗(yàn)證了蓄熱式熱泵熱水器的技術(shù)可行性。