【摘 要】
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随着社会发展,能源问题越来越成为人类面临的主要问题之一,目前国内对火电的依赖依然较强,供电缺口较大,对能源资源的合理配置刻不容缓。同时物质水平的提高,越来越多的小型冷热设备如饮料或咖啡现调机在生活中逐渐开始普及,同时也伴随小型制冷系统带来的巨大能源消耗。文章以饮料现调机为例,剖析了这一设备存在的产品成本和运行效率矛盾的问题,由于饮料机具有供应冷饮的需求,因此需要配置大功率压缩机进行制冷;同时现有的
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随着社会发展,能源问题越来越成为人类面临的主要问题之一,目前国内对火电的依赖依然较强,供电缺口较大,对能源资源的合理配置刻不容缓。同时物质水平的提高,越来越多的小型冷热设备如饮料或咖啡现调机在生活中逐渐开始普及,同时也伴随小型制冷系统带来的巨大能源消耗。文章以饮料现调机为例,剖析了这一设备存在的产品成本和运行效率矛盾的问题,由于饮料机具有供应冷饮的需求,因此需要配置大功率压缩机进行制冷;同时现有的蓄冷带来的低温饮品十分有限,无法解决饮品供水温度波动大,以及压缩机频繁启停的问题,易引起压缩机损耗并增加维护成本,对资源以及能源带来了双重压力和浪费,而现有的冷水罐蓄冷方法,卫生隐患大,并且蓄冷量无法有效解决当饮料供应量瞬时增加时饮料温度波动的问题。相变材料具有蓄能密度高以及相变温度波动小的特点,针对饮料机蓄能能力弱、压缩机启停频繁以及供水温度波动大等问题,文章采用相变蓄冷技术对饮料机进行优化设计,并做了以下工作:1、基于显热蓄冷蒸发换热器的结构,以相变材料正十四烷替换原结构的铝作为蓄冷材料,设定蒸发温度为275.15K。研究中对该蓄冷换热器的换热运行周期全过程进行数值模拟,分析其内部换热特性以及采用相变材料的可行性。结果显示采用相变材料装置在预冷中固相率β达到0.253,相变材料传热较慢,主要依赖对流换热实现,共实现温度低于291.65K供水1670m L,较显热蓄冷换热器提升19.3%。水管出口温度波动较小,但存在出口平均温度较高的问题,供水结束后固相率β下降至0.155,相变材料冷量利用率较低。根据模拟结果和分析,为相变换热器的优化设计提供了指导。2、基于模拟结果呈现的换热特点对其相关运行参数进行了进一步修改,降低蒸发温度为273.65K后再次进行了完整运行周期的模拟。模拟结果显示蒸发温度降为273.65K后预冷阶段固相率β提升至0.293,较蒸发温度为275.15K时蓄冷量提升15.8%,但蒸发温度降低后主要提升相变材料的对流换热,对导热提升有限。蒸发温度为273.65K实现供水1925m L,较蒸发温度为275.15K提高15.3%,实现了供水量的增大但难以降低水管出口温度。供水结束后β由0.293降低为0.165,固相残余量增加6.5%,蓄冷量的增大难以促进对换热效果的优化且降低了冷量利用率。除此以外对内部换热特点进行了分析与总结,作为后续换热器优化的指导;3、针对两种蒸发温度的相变蓄冷蒸发换热器模拟的工况搭建实验台进行实验,结果显示实验与模拟结果基本一致,主要误差来自实验中难以达到壁面绝热条件、实验中相变材料的相变在一个微小温度范围内而非恒定温度、实验中蒸发器壁面温度并非恒定温度,所出现的误差处于合理范围,误差率均小于10%,可验证数学模型合理;4、对相变蓄冷蒸发换热器的换热器面积重新进行了核算,并基于两次模拟中的换热特点以及存在的问题,重新设计了换热器结构,并采用实验已经验证的数学模型进行了数值模拟计算。结果显示预冷过程相同时间内实现固相率β达到0.464,较原模型降低蒸发温度为273.65K后的蓄冷量提升58.4%,供水量达到3598m L,提升87%,供水结束后固相率β由0.464下降至0.067,固相材料利用率达到85.6%,且水管出口温度得到显著下降,换热效果优化显著,冷量利用率提升明显。基于相变蓄冷技术的高蓄能密度,以及其相变释冷过程中温度波动小的优点,对换热器进行了研究以及深度优化,可以有效增大低温饮品供水量,使供水温度波动减小,降低压缩机启停频率,减小压缩机损耗,研究将进一步促进相变蓄冷技术小型化发展,促进能源资源的合理配置研究的推进。
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