蓄冰球內(nèi)定向凝固過程蓄冷特性的實(shí)驗(yàn)研究

郭俊菲,王欣怡,宋宇佳,楊肖虎,,何雅玲

(1.西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院,710049,西安;2.西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

近年來,電力需求顯著增加,且晝夜供需嚴(yán)重不平衡。建筑空調(diào)系統(tǒng)是電力資源的主要耗能終端之一,呈現(xiàn)出白天負(fù)荷高、夜晚負(fù)荷低的顯著峰谷特性。蓄冷空調(diào)技術(shù)作為一種具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)雙重效益的供冷新技術(shù)[1-2],通過利用夜間谷電相變蓄冷以削減白天峰電制冷需求,有利于電力削峰填谷。冰球蓄冷技術(shù)是冰蓄冷空調(diào)常用的一種形式,具有廣泛的應(yīng)用。對(duì)相變材料(PCM)蓄冷/釋冷動(dòng)態(tài)過程的熱物理特性和改善后期傳熱惡化的研究離不開對(duì)蓄冰球內(nèi)凝固相變過程的深入理解。學(xué)者們對(duì)此進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究[3-8]。

劉圣春等搭建了多組分溶液表面凝固性能研究裝置,對(duì)純水和不同濃度氯化鈉溶液在不同材料表面的凝固特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[9]。Anish等實(shí)驗(yàn)研究了不同相變材料(赤藻糖醇、棕櫚酸和硬脂酸)的凝固融化行為[10-11]。白青松等搭建了固液相變可視化測(cè)量系統(tǒng),對(duì)方腔中內(nèi)嵌通孔金屬泡沫的蓄冰過程開展了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明:未凝固相局部自然對(duì)流導(dǎo)致凝固相界面發(fā)生傾斜,呈現(xiàn)下部略快于上部的凝固界面[12]。王華生等對(duì)圓環(huán)形腔內(nèi)的凝固問題進(jìn)行研究,得到了熱阻法近似解,結(jié)果表明圓環(huán)形腔蓄冷量大而蓄冷時(shí)間又短的最佳半徑比為0.15～0.25[13]。賈敬芝通過數(shù)值模擬分析方法探究了冰球式蓄冷槽內(nèi)冰球凍結(jié)和放熱特性,錯(cuò)排方式能夠提高冰球在預(yù)冷階段的冷卻速率,從而降低凍結(jié)時(shí)間[14],在解凍過程中,錯(cuò)排方式融冰相變過程的時(shí)間明顯小于順排方式,而融冰后的顯熱階段兩種排列方式的差異不大。張魯燕等建立了蓄冷球的封閉空間二維模型,并考慮了固相與液相的密度差的影響,通過對(duì)該球非固定融化過程的傳熱傳質(zhì)數(shù)值模擬,獲得了球體內(nèi)部溫度場(chǎng)及液相體積比隨時(shí)間變化的規(guī)律,討論了不同傳熱溫差和球徑對(duì)蓄冷時(shí)間及蓄冷特性的影響,結(jié)果表明蓄冷球半徑越大相界面移動(dòng)速度越慢,融化時(shí)間顯著增加[15]。仇中柱等建立了3種不同蓄冷球球徑堆疊方式的相變蓄冷裝置模型,對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬以研究其內(nèi)部傳熱及相變特性,探究了不同流速和不同直徑的蓄冷球內(nèi)凝固率變化[16]。陳晨等采用焓-多孔度法追蹤固液相界面,分析了蓄冷腔體尺寸和幾何形狀對(duì)凝固時(shí)間和相界面演化的影響[17]。Ling等利用VOSET和IBM耦合模型模擬凝固和融化過程的相界面變化[18]。Kant等對(duì)PCM融化和凝固過程中的傳熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,探究了恒、變(正弦)熱源對(duì)融化時(shí)間的影響[19]。Hong等對(duì)冰球式蓄冷系統(tǒng)相變換熱過程進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化研究,建立了單個(gè)冰球和蓄冰槽系統(tǒng)的流動(dòng)傳熱模型,對(duì)冰球內(nèi)部溫度和固液相界面變化進(jìn)行了分析[20-22]。

綜上所述,眾多文獻(xiàn)中針對(duì)多種相變蓄能材料的凝固/融化特性進(jìn)行了探究,但對(duì)于封裝純水的單個(gè)球形蓄冷單元的凝固過程和傳熱過程缺乏可視化實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。凝固相界面的動(dòng)態(tài)推進(jìn)特性決定了蓄冷材料溫度分布、蓄冷量隨時(shí)間的變化規(guī)律。本文以封裝純水的半球形蓄冷單元為研究對(duì)象,在恒溫冷卻條件下,對(duì)凝固過程中的相變傳熱行為進(jìn)行了可視化觀測(cè),記錄了相界面推移和溫度分布等關(guān)鍵熱過程參量,為后期冰蓄冷空調(diào)性能優(yōu)化提供工程參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

為了可視化觀測(cè)凝固過程中相界面的推移過程,以及探究蓄冰球內(nèi)純水凝固過程的傳熱特性,設(shè)計(jì)了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組:實(shí)驗(yàn)1是可視化觀測(cè)組,實(shí)驗(yàn)過程中每隔3 min進(jìn)行一次拍照記錄,通過改變有機(jī)玻璃水槽中乙二醇冷媒的溫度,從而改變其所提供的冷卻邊界溫度(-5、-6、-7 ℃),實(shí)現(xiàn)3種實(shí)驗(yàn)工況,研究不同冷卻邊界條件對(duì)蓄冰球內(nèi)純水凝固過程中凝固行為特性的影響;實(shí)驗(yàn)2是溫度觀測(cè)組,通過在不同半徑的同心半球內(nèi)沿經(jīng)線、緯線布置測(cè)點(diǎn),記錄在初溫相同、冷卻邊界條件為-5、-6、-7 ℃時(shí)相變材料的溫度分布。對(duì)沿經(jīng)線不同緯度和徑向測(cè)點(diǎn)的溫度變化作分析,揭示球體內(nèi)相變介質(zhì)凝固過程的換熱機(jī)理。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

固液相變傳熱可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,該系統(tǒng)主要包括相變換熱裝置、冷媒循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集單元3大模塊。相變換熱裝置是本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心測(cè)試部分,冷媒循環(huán)系統(tǒng)為蓄冰半球提供恒定的球面溫度邊界條件,其中恒溫水浴的溫控精度為0.1 ℃。數(shù)據(jù)采集單元包括溫度采集單元和圖像采集單元。溫度采集單元記錄相變材料(純水)的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù),圖像采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀測(cè)并記錄凝固過程中的相界面形貌及瞬態(tài)位置。在回水管路上設(shè)有回水閥和微型磁驅(qū)動(dòng)齒輪泵,供水管路上設(shè)有供水閥,在供回水管路之間還設(shè)有旁通管路。在實(shí)驗(yàn)過程中,微型磁驅(qū)動(dòng)齒輪泵自帶的調(diào)頻器用于調(diào)節(jié)進(jìn)入水槽的乙二醇冷媒流量從而使水槽內(nèi)液面保持平衡,微型磁驅(qū)動(dòng)齒輪泵以及恒溫水浴自帶的循環(huán)泵用于提供冷媒循環(huán)動(dòng)力。壁厚為20 mm的透明有機(jī)玻璃水槽外覆聚氨酯泡沫保溫層(導(dǎo)熱系數(shù)為0.02 W·m-1·K-1),用于降低冷量損失。

1—透明有機(jī)玻璃水槽;2—活動(dòng)插板;3—蓄冰半球;4—圓環(huán)壓板;5—螺栓;6—溢流管;7—微型磁驅(qū)動(dòng)齒輪泵;8—旁通閥;9—回水閥;10—供水閥;11—恒溫水浴;12—安捷倫數(shù)據(jù)采集儀;13—筆記本電腦;14—高清相機(jī);15—若干熱電偶。

相變換熱測(cè)試裝置由蓄冰半球、活動(dòng)插板、圓環(huán)壓板等組成。蓄冰半球?yàn)榘霃?0 mm、邊緣圓環(huán)10 mm的紫銅金屬半球?；顒?dòng)插板、圓環(huán)壓板均由高透明有機(jī)玻璃料制作而成,活動(dòng)插板內(nèi)部設(shè)有排液孔和排氣孔,排液孔和排氣孔與上部的溢流管進(jìn)行連接,與半球殼的接邊圓環(huán)配合面上設(shè)有密封墊圈槽,并與密封墊圈進(jìn)行配合。本實(shí)驗(yàn)選用銅-康銅T型熱電偶(Omega-T),測(cè)量溫度范圍為-200 ℃～260 ℃,熱電偶直徑為0.255 mm,熱響應(yīng)時(shí)間為0.1 s。所有熱電偶在測(cè)試前均由校準(zhǔn)系統(tǒng)(Omega CL3515R)進(jìn)行校準(zhǔn),測(cè)量不確定度估計(jì)為0.1 ℃。

溫度測(cè)量時(shí),利用Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀采集實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù),每隔1 s采集一次數(shù)據(jù),測(cè)量誤差為±1.0 ℃。溫度測(cè)點(diǎn)分為兩組,一組布置于透明有機(jī)玻璃水槽內(nèi),水槽內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)布置設(shè)計(jì)圖如圖2所示。水槽的X軸、Z軸方向各放置一條軟木棒,Y軸平行放置兩條軟木棒,使用AB膠與水槽固定連接,軟木棒均為40 mm,每隔10 mm布置一個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn),將熱電偶用細(xì)絲纏繞包裹固定于軟木棒上,并用AB膠固定,將熱電偶檢測(cè)端裸露在水槽內(nèi),與乙二醇冷媒接觸。該組溫度測(cè)點(diǎn)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水槽內(nèi)溫度均勻性,保障實(shí)驗(yàn)精確性,避免由于蓄冰半球邊界冷卻條件不均勻帶來的實(shí)驗(yàn)誤差。水槽內(nèi)外壁面布置溫度測(cè)點(diǎn),Tin和Tout分別是內(nèi)壁和外壁的溫度,用作估算有機(jī)玻璃水槽的冷量損失。

圖2 水槽內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)布置設(shè)計(jì)圖

另一組溫度測(cè)點(diǎn)布置于半球內(nèi),在半球球殼選定兩條相互垂直的經(jīng)線和緯線,沿著該經(jīng)/緯線每隔30°均勻布置9個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。將細(xì)木棒從孔穿入球殼內(nèi)部并指向球心。在半徑R分別為10、20、30 mm的同心球面上分別布置9個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),在球心處布置一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),共28個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。圖3給出了半球內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)。每個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的編號(hào)及位置見表1。

圖3 半球內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖及實(shí)物圖

表1 球內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)編號(hào)及位置

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

把蓄冰半球內(nèi)填滿蒸餾水,將蓄冰半球內(nèi)的空氣通過排氣孔和溢流管排出,蓄冰半球通過活動(dòng)插板與圓環(huán)壓板使用螺栓緊固。在水槽中充注質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31.2%的乙二醇-水溶液(冷媒),打開恒溫水浴、關(guān)閉供回水閥、打開旁通閥,溫度設(shè)定為實(shí)驗(yàn)工況所需溫度進(jìn)行內(nèi)循環(huán),使部分冷媒迅速降至低溫。待降至所需溫度關(guān)閉旁通閥,打開供水閥、回水閥,打開微型磁驅(qū)動(dòng)齒輪泵進(jìn)行外循環(huán),使水槽內(nèi)冷媒溫度降低到所需溫度并保持恒定,將安裝好蓄冰半球的活動(dòng)插板迅速放入水槽中。連通數(shù)據(jù)采集儀、筆記本電腦和高清相機(jī)并開始實(shí)驗(yàn),同時(shí)監(jiān)測(cè)蓄冰半球中純水凝固過程中的相變材料的實(shí)時(shí)溫度響應(yīng)、相界面形貌及瞬態(tài)位置。待觀測(cè)到蓄冰半球中純水已完全凝固且半球內(nèi)球心處溫度與水槽中水溫接近,表明凝固過程已結(jié)束,實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

1.4 不確定度分析

本實(shí)驗(yàn)中,主要的監(jiān)測(cè)變量是蓄冰過程中的溫度變化,溫度的測(cè)量采用T型熱電偶及安捷倫數(shù)據(jù)采集器(Agilent 34970A)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,測(cè)量過程中產(chǎn)生的測(cè)量誤差可按下式[23]計(jì)算

(1)

式中:δT為熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)的總誤差;δTa為熱電偶在其測(cè)溫范圍內(nèi)的允許誤差,Omega T型熱電偶在其測(cè)溫范圍內(nèi)的允許誤差為±0.1 ℃;δTb為熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線誤差,T型熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線誤差約等于0;δTc為儀表誤差,Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集器對(duì)應(yīng)的T型熱電偶誤差為±1.0 ℃。

綜上所述,本實(shí)驗(yàn)過程中溫度測(cè)量的總誤差為

(2)

由上面的計(jì)算結(jié)果可知,采用Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集器通過Omega T型熱電偶測(cè)量溫度的誤差為±1.0 ℃,該直接測(cè)量誤差能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求,說明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性較高。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 相界面形貌變化及推移過程

圖4給出了在冷卻邊界條件Tw為-7 ℃、初溫Ti為25 ℃工況下,充注蒸餾水的蓄冰半球從初始狀態(tài)到完全凝固整個(gè)過程中各階段固液相界面的推移過程。呈現(xiàn)出固液相界面隨著時(shí)間由外向內(nèi)、由球面向球心逐漸推移的變化過程。

(a)0 min (b)60 min (c)84 min

由相界面可視化的結(jié)果分析,從蓄冰半球放入低溫環(huán)境開始至完全凝固,蓄冰半球內(nèi)的相變材料經(jīng)歷了降溫階段和凝固階段兩個(gè)階段。由圖4可見,降溫階段為從放入恒低溫環(huán)境初始時(shí)刻至60 min,凝固階段為60～192 min。

在降溫階段,隨著時(shí)間變化積累蓄冰半球內(nèi)的相變材料區(qū)域逐漸呈現(xiàn)由球殼指向球心的錐狀渾濁體為冰漿混合物,并未凝固形成冰。由此可知,降溫階段相變材料在溫差驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行冷量交換。由于銅半球具有良好的導(dǎo)熱性能,因此冷量迅速傳遞。在此階段中,蓄冰半球內(nèi)的相變材料主要發(fā)生顯熱變化進(jìn)行顯熱蓄冷,無明顯相變行為。

當(dāng)60 min時(shí)球殼界面處生長(zhǎng)出了冰層,開始進(jìn)入凝固階段。在觀測(cè)面上冰層沿周向區(qū)別不明顯,厚度近似相同,這是因?yàn)樵谀屉A段初期重力影響不大,自然對(duì)流現(xiàn)象不明顯,導(dǎo)熱為主要熱量傳遞方式。84 min時(shí)固液相界面開始明顯變化,由圖4可看出,固液相界面大致呈圓形,由球殼至球心逐漸推移,與冷量傳遞方向一致,周向變化基本保持一致,靠近球殼處冰層顏色比靠近相界面處顏色更深,表明外層冰層更密實(shí)。在整個(gè)凝固階段中,蓄冰半球內(nèi)的相變介質(zhì)進(jìn)行潛熱蓄冷,固液相界面隨著時(shí)間由外向內(nèi)、由球面向球心處呈圓形逐漸推移。

2.2 測(cè)點(diǎn)溫度變化分析

2.2.1 沿徑向測(cè)點(diǎn)溫度變化 圖5給出了初溫25 ℃、冷卻邊界條件-7 ℃時(shí),通過球心的徑向4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)O、A3、B3、C3的溫度變化曲線?？蓪囟茸兓€分為降溫階段、凝固階段、二次降溫階段、恒溫階段4個(gè)階段。在降溫階段,球內(nèi)溫度從初始溫度(室溫)在短時(shí)間內(nèi)急劇下降至0 ℃,進(jìn)行顯熱蓄冷。到達(dá)相變材料凝固點(diǎn)時(shí),進(jìn)入凝固過程,測(cè)點(diǎn)溫度保持不變,此時(shí)進(jìn)行潛熱蓄冷。當(dāng)溫度二次降低進(jìn)入二次降溫階段,表明相變過程已結(jié)束,此時(shí)進(jìn)行顯熱蓄冷。當(dāng)球內(nèi)所有溫度測(cè)點(diǎn)的溫度降至與冷卻邊界溫度近似時(shí),表明蓄冷過程結(jié)束。

圖5 沿通過球心徑向方向4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)溫度變化

2.2.2 沿經(jīng)線不同緯度測(cè)點(diǎn)溫度變化 圖6給出了初溫25 ℃、冷卻邊界條件-7 ℃時(shí),R分別為10、20、30 mm時(shí)半球上沿經(jīng)線不同緯度5個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)溫度變化。由圖可見,在整個(gè)實(shí)驗(yàn)記錄過程中,不同緯度的溫度測(cè)點(diǎn)的溫度變化規(guī)律相同,由凝固階段的局部放大圖可見,同一經(jīng)線上不同緯度的測(cè)點(diǎn)溫度凝固階段始終保持相同,同時(shí)進(jìn)入凝固階段完成相變行為。由上述分析可見,在球形相變介質(zhì)相變過程中,沿經(jīng)線不同緯度測(cè)點(diǎn)的熱物理行為特性保持基本一致,反映出重力對(duì)其內(nèi)部溫度分布無顯著影響,在蓄冰半球純水凝固過程中自然對(duì)流影響微弱。

(a)R=10 mm

2.3 冷卻邊界條件的影響

圖7給出了初溫25 ℃、不同冷卻邊界條件對(duì)徑向溫度變化的影響。如圖7a所示,對(duì)于R為10 mm球面平均溫度變化,即冷卻邊界條件對(duì)其球形相變介質(zhì)內(nèi)部區(qū)域的凝固階段用時(shí)有顯著影響:冷卻邊界溫度越低,凝固階段用時(shí)越短,與-7 ℃相比,-5、-6 ℃工況下可分別縮短凝固階段用時(shí)55%、28.3%;-5 ℃工況下凝固階段用時(shí)近似為-7 ℃工況下的2倍,-6 ℃工況下凝固階段用時(shí)近似為-7 ℃工況下的1.5倍。在二次降溫階段,溫度下降迅速,用時(shí)近似,均為2 300 s。

(a)R=10 mm

從圖7b可以看出,-5 ℃工況下凝固階段用時(shí)近似為-7 ℃的1.5倍。圖7c給出了對(duì)于R為30 mm時(shí),即蓄冰半球靠近冷卻邊界處,不同冷卻邊界條件的凝固階段用時(shí)相近,約為500 s。在二次降溫階段,冷卻邊界溫度越低,溫度下降速率越快,用時(shí)越短。-7 ℃最快,-6 ℃次之,-5 ℃最慢。

從圖7來看,當(dāng)冷卻邊界條件為-5、-6 ℃時(shí)可明顯觀察到,在降溫至相變溫度之后出現(xiàn)了溫度的突變,表現(xiàn)出顯著的過冷現(xiàn)象:Tw=-5 ℃,過冷度ΔTs=-2.90 ℃;Tw=-6 ℃,過冷度ΔTs=-1.64 ℃。Tw=-7 ℃,過冷度基本消失。

3 結(jié) 論

本文通過搭建可視化球形相變蓄冷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),記錄蓄冷過程中相變介質(zhì)的溫度分布和相界面推移,分析球形介質(zhì)凝固相變過程的換熱機(jī)理。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,得到以下結(jié)果:

(1)蓄冰半球純水凝固過程中,固液相界面隨著時(shí)間由外向內(nèi)、由球面向球心呈圓形逐漸推移。凝固階段相同時(shí)刻,冷卻邊界條件溫度越低、推移速度越快、固液相界面半徑更小、更接近于球心。

(2)在球形相變介質(zhì)相變過程中,重力對(duì)其內(nèi)部溫度分布無顯著影響,自然對(duì)流影響微弱。

(3)冷卻邊界條件對(duì)各區(qū)域凝固階段用時(shí)有顯著影響,冷卻邊界溫度越低,凝固階段用時(shí)越短,與-7 ℃相比,-5、-6 ℃可分別縮短凝固階段用時(shí)55%、28.3%。在冰球式冰蓄冷空調(diào)的運(yùn)行過程中,蓄冷過程提供的冷卻邊界條件越低,蓄冷速率越快,蓄冷性能可進(jìn)一步提高。