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蓄冷空调系统设计

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发表于 2015-3-6 11:20:51 | 显示全部楼层 |阅读模式

一、分类

美国制冷工业协会(ARI)1994年出版的《蓄冷设备热性能指南》将蓄冷设备广义地分为显热式蓄冷和潜热式蓄冷。

最常用的蓄冷介质是水、冰和其他相变材料,不同蓄冷介质具有不同的单位体积蓄冷能力和不同的蓄冷温度。

1. 水。显热式蓄冷以水作为蓄冷介质,是利用水温变化可蓄存的显热量,水的比热为4.184KJ/Kg.K(1.0Kcal/Kg·℃)。蓄冷槽的
  体积和效率取决于供冷回水与蓄冷槽供水之间的温差,对于大多数建筑的空调系统来说,此温差可为8~11℃。水蓄冷的蓄冷温度为4~6℃,是空调常用冷水机组可适应的温度。此外,空调水蓄冷系统的设计,应异于常规空调系统的设计,就是说应该尽可能提高空调回水温度,以充分利用蓄冷水槽的体积。蓄冷水槽所需体积受蓄冷水和回水之间保持分层程度的影响。一般蓄冷温差为8℃,每蓄冷1冷吨时(符号为RTH,折合3024千卡)需0.417m3 (或0.118m3 /KWH);如温差为11℃,则蓄冷水量可减为0.303m3 /RTH(0.086m3 /KWH)。
  2. 冰。蓄冰则是利用冰的融解潜热335KJ/Kg(80Kcal/Kg)。蓄冷槽的体积取决于槽中冰水百分比,一般蓄冰槽的体积为0.068~0.085m3 /RTH(0.02~0.025m3/KWH)。 冰蓄冷的蓄存温度为水的凝固点-0℃。为了使水冻结,制冷机应提供-3~-7℃的温度,它低于常规空调用制冷设备所提供的温度。当然,蓄冰装置可以提供较低的空调供水温度,有利于提高空调供回水温差,以减小配管尺寸和水泵电耗。
  3. 共晶盐(Eutectic Salt)。为了提高蓄冰温度,不改变冷水机的空调工况运行,可以采用除冰以外的其他相变材料。目前常用的相变材料为共晶盐,即无机盐与水的混合物。对于用作为蓄冷介质的共晶盐有如下要求:
      a. 融解或凝固温度为5~8℃。
      b. 融解潜热大,导热系数大。
      c. 比重大。
      d. 无毒、无腐蚀。
    二、水蓄冷装置:
  为防止和减少蓄冷水槽内因温度较高的水流和温度较低的水流发生混合,引起能量损失,水蓄冷系统中水槽结构和配置时,通常有几种方案可供选择:隔膜或隔板式、复合水槽式、迷宫式、水分层式。水槽可用钢筋混凝土或钢板制作,也可单建蓄冷水槽或利用消防水池等。  





三、蓄冰装置
  冰盘管式蓄冷装置是由沉浸在水槽中的盘管构成换热表面的一种蓄冰设备。在蓄冷过程,载冷剂(一般为重量百分比为25%的乙烯乙二醇水溶液)或制冷剂在盘管内循环,吸收水槽中水的热量,在盘管外表面形成冰层。取冷过程则有内融冰和外融冰两种方式,各具特点。
  外融冰方式。温度较高的空调回水直接送入盘管表面结有冰层的蓄冰水槽,使盘管表面上的冰层自外向内逐渐融化,故称为外融冰方式。由于空调回水与冰直接接触,换热效果好,取冷快,来自蓄冰槽的供水温度可低达1℃左右。此外,空调用冷水直接来自蓄冰槽,故可不需要二次换热装置。但是,为了使外融冰系统能达到快速融冰放冷,蓄冰槽内水的空间应占一半,也就是说蓄冰槽的蓄冰率(IPF)不大于50%,故蓄冰槽容积较大。同时,由于盘管外表面冻结的冰层不均匀,易形成水流死角,而使冰槽局部形成永不融化的冰层,故需采取搅拌措施,以促进冰的均匀融化。
  内融冰方式。来自用户或二次换热装置的温度较高的载冷剂(或制冷剂)仍在盘管内循环,通过盘管表面将热量传递给冰层,使盘管外表面的冰层自内向外逐渐融化进行取冷,故称为内融冰方式。冰层自内向外融化时,由于在盘管表面与冰层之间形成薄的水层,其导热系统仅为冰的25%左右,故融冰换热热阻较大,影响取冷速率。为了解决此问题,目前多采用细管、薄冰层蓄冰。

  1.盘管式蓄冰装置:

(1)蛇形盘管
    此种形式的冰蓄冷盘管以美国B.A.C公司为代表,如图2-6。

 盘管为钢制、连续卷焊而成的立置蛇形盘管,外表面热镀锌,管外径1.05"(26.67mm),冰层厚度约30mm,因此,盘管外表面积折合为0.62m2 /RTH。盘管可以制成不同长度,如图2-7所示盘管,长度为5.5m者,其潜冷量为238RTH(约836KWH)。
  盘管放置在蓄冰水槽内,蓄冰槽体可为钢制、玻璃钢制或钢筋混凝土制,槽体壁面覆有80~100mm厚保温层。此种冰盘管式蓄冷槽可为外融冰式,也可设计为内融冰式。当采用外融冰方式时,为了融冰均匀,可在盘管下部设置压缩空气管,从管中泵送出空气,起搅拌作用。当然,长期送入空气将使槽中水呈弱酸性,对盘管有腐蚀作用。为了保证安装与维护,当采用钢制或玻璃钢制整体式蓄冰槽时,槽体距墙壁或槽体之间一般应保450mm距离。。

(2)图形盘管
    此种形式的冰蓄冷盘管以美国Clamac公司和Dunham-Bush公司的Ice-Cel为代表,如图2-8。

 盘管为聚乙烯管,Clamac公司的冰盘管管外径为16mm,Ice-Cel盘管的管外径为19mm。该类型蓄冰装置为内融冰方式,并做成整体式蓄冰筒,筒体为高密度聚乙烯板,外设保温层或采用双层玻璃纤维壁体,内夹保温材料,故耐腐蚀。
  此种圆形冰盘管,由于管径较细,管间距离较小,设计的冰层厚度较薄,盘管的相对换热表面积较大,故有利于融冰与蓄冰。但是,由于筒体为圆形,故占地面积较大。Clamac公司典型蓄冰筒的型号为1190A型,直径2.26m,高度2.57m,潜冷蓄冷能力为162RTH。Ice-Cel典型蓄冰罐的型号为TS240型,直径2.54m,高度2.48m,潜冷蓄冷能力为240RTH。 圆形冰盘管与蛇形冰盘管由于单路管长达数十米,故流体流动阻力较大,约8~10m水柱。
  (3)U形盘管
    此种形式的冰蓄冷盘管以美国Fafco公司的Fafco-Icestor为代表,如图2-9。该种冰盘管由耐高温低温的Polyolefin石蜡脂喷射成型。每片盘管由200根外径为6.35mm的中空管组成,管两端与直径50mm的集管相联。典型盘管型号为HXR-12型,每根管全长为12英尺,每片潜冷蓄冷量为10.4RTH,重量18.9公斤,盘管换热面积为15.14m2 。为了适应不同的房高,管的全长分别做为8、10、12、18、24英尺,每片潜冷蓄冷量分别为6.9、8.6、10.4、15.8、17.6RTH。此类型的冰盘管,由于管径很细,故易堵塞。

      U型蓄冰盘管为内融冰式,置于钢制或玻璃钢制槽体内构成整体式蓄冰槽;或以约12片为一组,置于钢筋混凝土槽体或筏基内,其布置如图2-10。

蓄冷设备的种类(下)

四、封装式蓄冰装置
  将蓄冷介质封装在球形或板形小容器内,并将许多此种小蓄冷容器密集地放置在密封罐或开式槽体内,从而形成封装式蓄冰装置。如图2-11。运行时,载冷剂在球形或板形小容器外流动,将其中蓄冷介质冻结、蓄冷,或使其融解,取冷。  

封装在容器内的蓄冷介质有二种,即冰和其他相变材料,现分述如下:
  1. 冰
  此种类型的封装容器目前有三种形式,即冰球、冰板和蕊芯摺囊式冰球。此种蓄冷装置运行可靠,流动阻力小,但载冷剂充注量比较大。以冰球式蓄冰罐为例,乙二醇需要量约27.6Kg/RTH,冰/水重量约37.8Kg/RTH,蓄冰罐本体重量约8.3Kg/RTH,但是,载冷剂的流动阻力仅约2.0mH2O。
      (1)冰球
  冰球封装式蓄冰装置以法国CIAT公司和深圳中亚特公司为代表。封装球为硬质塑料制空心球,壁厚1.5mm,外径95mm或77mm。封装球内充注水,予留约9%的膨胀空间,水在其中冻结蓄冷。外径95mm冰球,换热表面约2.8m2 /RTH,每立方米罐体空间容纳Φ95mm冰球1300个,Φ77mm冰球2550个,总蓄冷量约16.2RTH,潜冷蓄冷量约13.8RTH。 值得注意的是,不论采用开放式槽体还是封密罐,均需注意冰球要密集堆放,防止载冷剂从自由水面或无球空间旁通流过。
  (2)冰板
  冰板封装式蓄冰装置以美国Reaction公司为代表,如图2-12。中空冰板的外形尺寸为812×304×44.5mm,由高密度聚乙烯制成,板中充注去离子水,其换热表面积为2.32m2/RTH。

      冰板有次序地放置在卧式圆形密封罐内,冰板约占罐体积的80%,罐中载冷剂的流程可为1、2和4流程。密封蓄冰罐尺寸小至直径1.5m、长度2.4m,大至直径3.6m、 长度21m,其潜冷蓄冷能力从76RTH至3600RTH。蓄冰罐可置于室内,室外或地下。
  (3)蕊芯摺囊式冰球
  蕊芯蓄冰摺囊为台湾产品,如图2-13。蕊芯摺囊由高弹性高强度聚乙烯制成,摺皱有利于适应冻结和融冰时内部冰/水体积变化而产生的膨胀与收缩。同时,两侧设有中空金属蕊芯,一方面可增强热交换,另一方面起配重作用,在开放式槽体内放置时冻结后不会浮起。

   蕊芯摺囊式冰球直径为130mm,长度242mm,球内充注95%的水和5%添加剂,以促进冻结。每1000个摺囊球的潜冷蓄冷量为58.85RTH。
  2. 其他相变材料
  当前采用的其他相变材料主要是共晶盐,可以美国Transphase公司为代表,其蓄冷介质以五水硫酸纳化合物为主,充注在高密度聚乙烯板式容器内。

高温相变蓄冷介质材料的关键有二点:
  (1)不过冷。蓄冷介质应具有准确的冻结点,以保冻结完全以及取冷时供冷水温不致过高。
  (2)不层化。通常共晶盐在过饱和状态融解时,一部分无机盐可能沉在容器的底部,而使部分液体浮在容器上部,此种现象称为"层化"。层化现象可使共晶盐在反复冻结与融解以后,融解潜热大幅度降低,这样将大大降低蓄冷装置的蓄冷能力。影响层化的因素很多,主要是共晶盐种类,核化方法,以及封装容器的厚度。
  目前高温相变蓄冷的缺点是造价较高,而且,冻结融解温度为5~6℃的相变材料尚待进一步开发研究。

五、动态制冰装置:
  1. 片冰滑落式
  上述两种蓄冰装置其蓄冰层或冰球系一次冻结完成,故称为静态蓄冰。蓄冰时,冰层冻结的越厚,制冷机的蒸发温度越低,性能系数也越低。如果控制冻结冰层的厚度,每次仅冻结薄层片冰,而进行高运转率地反复快速制冷,则可提高制冷机的蒸发温度(约-4~-8℃),比采用冰盘管时提高2~3℃。片冰滑落式蓄冰装置就是在制冷机的板式蒸发器表面上不断冻结薄片冰,然后滑落至蓄冰水槽内,进行蓄冷,此种方法又称为动态制冰。该种类型的蓄冰装置的代表性厂家有Turbo、Mueller和Morris等公司。图2-14为片冰滑落式蓄冰装置的典型示意图。

蓄冰过程。图2-14(a)为片冰冻结及蓄冷过程。通过水泵将蓄冰水槽的水自上向下喷洒在制冷机的板状蒸发器表面,使其冻
  结成薄冰层。当冰层厚度达到3~6mm时,通过制冰机上的四通阀,将高温气态制冷剂通入蒸发器,使与蒸发器板面接触的冰融
  化,则片冰靠自重滑落至蓄冰水槽内,如此反复进行"冻结"和"取冰"过程。蓄冰水槽的蓄冰率为40~50%。
    取冷过程。图2-14(b)为融冰取冷过程。空调回水仍可自上向下地喷洒在制冷机的板状蒸发器表面,或向蓄冰水槽均匀送入
  空调回水,使槽内片冰不断融化,而送出温度颇低的空调用水。为了满足全日供冷需要,取冷过程制冷机可同时运行,以降低
  流经板状蒸发器表面的空调回水,使其降温后流入蓄冰水槽,这样,可以延缓融冰过程,以保证供冷要求。 片冰滑落式蓄冰
  装置,取冷供水温度低,融冰放冷速率极快,特别适合尖峰用冷。但是,该种蓄冰装置初投资较高,而且需要层高较高的机房。
  2. 冰晶式蓄冰装置
  冰晶式蓄冰装置也属于动态制冰,它是通过冰晶制冷机将低浓度的乙烯乙二醇水溶液冷却至低于0℃,然后,将此状态的过冷水溶液送入蓄冰水槽,溶液中即可分解出0℃的冰晶。这种过程犹如自然界降过冷态的雨,着地立即形成"雨冰";又如冬季凌晨过冷状态的雾与树木接触,在其上形成冰层,即所谓"树挂"。如果过冷温度为-2℃,即可产生2.5%的直径约100微米的冰晶。
  由于单颗粒冰晶十分细小,冰晶在蓄冰水槽中分布十分均匀,水槽蓄冰率约50%。结晶化的溶液可用泵直接输送。冰晶制冷制冷机产品以加拿大Sunwell公司和美国Mueller公司为代表,单台最大制冷能力不超过100冷吨。以TS-30型为例,其制冰能力为30冷吨,配有半封闭活塞式制冷机,水冷壳管式冷凝器,吸气分液蓄液器,气液回热器等。其特殊之处在于蒸发器部分,该机配有6个长度为1.83m的套筒式蒸发器,内管直径约300mm。制冷剂R-22从内外管之间的夹层内通过;冰/水双相液为8%的乙二醇水溶液,在内管中过冷。为了保持内管内壁表面温度均一,配有三台电动擦拭机,每台负责二个套筒蒸发器。该机外型尺寸为2.36m长、1.75m宽、2.16m高,可以制造冰晶,也可像普通冷水机组一样备制冷水。
  3、气体水合物相变材料蓄冰
  这是一种新型的蓄冷技术,自80年代以来,人们提出利用一种称为气体水合物的包络状水结晶体,作为蓄冷的高温相变材料,主要是利用那些常规制冷剂形式的气体水合物。致冷剂气体水合物具有适合空调蓄冷的理想性质,其形成结晶的温度在8~12℃,结晶形成时释放的反应热较大,(330~380KJ/Kg)传热性能也比较好,此外,这种高温相变蓄冷材料具有很好的化学稳定性,腐蚀性低、安全性好。 1994年以来,已受到我国国家自然科学基金委员会支持,目前已建成实验台,并从中测试,提示了气体水合物形成的一些基本规律,并获得了构造这类高性能空调蓄冷材料的基础数据和方法,相信不久的将来会将之使用在工程实践中去。


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发表于 2017-11-22 18:58:41 | 显示全部楼层
没用的,楼主,就算你怎么换马甲都是没有用的,你的亿万拥戴者早已经把你认出来了,你一定就是传说中的最强ID。
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发表于 2018-5-14 16:26:20 | 显示全部楼层
怎么这么多AD者!
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发表于 2018-8-10 21:45:14 | 显示全部楼层
这次我离开你,是风,是雨,是夜晚;你笑了笑,我摆一摆手,一条寂寞的路便展向两头了。
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