隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,電力供應(yīng)和需求的矛盾日益加劇,雖然建設(shè)大型燃煤電站和小型燃油電站可以緩解電力緊張的局面,但是經(jīng)濟(jì)的增長、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、人民生活水平的提高使得電力需求直線上升,而且電力需求量晝夜變化大,出現(xiàn)巨大的峰谷差現(xiàn)象,即峰期電力緊張、谷期電力過剩.統(tǒng)計數(shù)字表明:我國東北電網(wǎng)的zui大峰谷差已達(dá)zui大負(fù)荷的37%,華北電網(wǎng)已達(dá)40%.出現(xiàn)電荷峰谷差的zui大原因就是空調(diào)用電的急劇增加.據(jù)統(tǒng)計,夏季空調(diào)用電占高峰用電負(fù)荷的比重,深圳約為40%,廣州約為30%,上海約為20%.一般來說,當(dāng)空調(diào)用電的比例超過15%,就成為影響電荷峰谷差的主要因素了.
為了平衡用電負(fù)荷、滿足電力需求,我國主要從改變發(fā)電量來適應(yīng)電力需求的變化,但存在如下問題:
(1)由于燃煤發(fā)電機(jī)組存在zui小出力,所以調(diào)峰能力有限;
(2)雖然燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)適合調(diào)峰的要求,但是由于燃燒燃料,成本高,投資大,增加了能源的外部使用成本;
(3)原子能發(fā)電只能承擔(dān)基本負(fù)荷,不適用于調(diào)峰,抽水蓄能電站電力調(diào)峰,但其電力轉(zhuǎn)換效率低于75%,初投資大,建設(shè)周期長,且要有合適的地理位置.
這些問題的存在,為蓄冷空調(diào)技術(shù)的發(fā)展提供了用武之地.蓄冷空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用,不僅可以調(diào)節(jié)能量供需,移峰填谷,平衡能量系統(tǒng),而且可以降低能耗,節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用,實現(xiàn)能量的合理利用.
1、蓄冷空調(diào)技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀
所謂蓄冷空調(diào),即在夜間電網(wǎng)低谷時間(同時也是空調(diào)負(fù)荷很低的時間),制冷主機(jī)開機(jī)制冷并由蓄冷設(shè)備將冷量儲存起來,待白天電網(wǎng)高峰用電時間(同時也是空調(diào)負(fù)荷高峰時間),再將冷量釋放出來滿足高峰空調(diào)負(fù)荷的需要或生產(chǎn)工藝用冷的需求.蓄冷空調(diào)技術(shù)始于20世紀(jì)30年代,主要用于劇院、體育館等間歇性、負(fù)荷集中的場所.當(dāng)時蓄冷只著眼于減小制冷機(jī)容量和初投資.隨著設(shè)備制造業(yè)的不斷發(fā)展,制冷機(jī)成本顯著降低.但是,由于電耗的增加使得蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用大大提高,以致于該項技術(shù)的發(fā)展陷于停頓.20世紀(jì)70年代以來,能源緊張、電力行業(yè)改革和實施需求側(cè)負(fù)荷管理(Demand_Side Management,縮寫為DSM)以及環(huán)保意識的增強(qiáng),蓄冷技術(shù)在歐美得到廣泛的應(yīng)用.20世紀(jì)90年代美國大約30%的制冷系統(tǒng)采用蓄冷技術(shù),本世紀(jì)初美國大約75%~80%的公共建筑中采用蓄冷空調(diào)系統(tǒng).日本和我國的中國臺灣省20世紀(jì)80年代以來非常重視這項技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用.目前,日本在電動集中空調(diào)系統(tǒng)中已有60%采用蓄冷技術(shù).我國中國臺灣省自1984年建成*個冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)以來,蓄冷空調(diào)技術(shù)發(fā)展很快,到1994年底就已經(jīng)建成225個蓄冷空調(diào)系統(tǒng),總冷量高達(dá)2×106kwh,移嫁高峰用電超過5.2×104kw.1994年我國計委、電力部等部門決定實行電力供應(yīng)峰谷不同電價政策,以推動削峰填谷電的應(yīng)用,緩解電力建設(shè)和新增用電的矛盾.1995年4月我國成立了全國蓄冷空調(diào)研究中心,1999年元月改名為中國節(jié)能協(xié)會蓄冷空調(diào)專委會.1998年底國務(wù)院頒布的國發(fā)[1998]32號文件及華北電管局華北電集營[1998]30號文件強(qiáng)調(diào)"為了緩解高峰用電對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的壓力,保證經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高對電網(wǎng)的需要,要加大推動峰谷電價差的力度,鼓勵用戶采用節(jié)電技術(shù)措施,鼓勵用戶多用低谷電,加快推廣蓄冷空調(diào)等削峰填谷的技術(shù)措施".在這些政策的推動下,我國蓄冷技術(shù)市場迅速發(fā)展,蓄冷已成為新興技術(shù)產(chǎn)業(yè).雖然我國蓄冷空調(diào)起步比較晚,但全國范圍內(nèi)采用蓄冷空調(diào)的工程逐年增加,據(jù)不*統(tǒng)計,我國至1997年底,開發(fā)、生產(chǎn)蓄冷設(shè)備的公司有11家,蓄冷工程數(shù)33個,zui大蓄冷系統(tǒng)的容量為7.48萬RTH(進(jìn)口設(shè)備),總蓄冷量約為20萬RTH,可移峰10萬kW,1998年以后各種冰蓄冷項目有50項左右.總之,蓄冷技術(shù)的應(yīng)用在我國有廣闊的發(fā)展前景。
2、氣體水合物蓄冷技術(shù)
氣體水合物是由常規(guī)氣體(或易揮發(fā)液體)和水形成的包絡(luò)狀晶體,其重要特點(diǎn)是可以在冰點(diǎn)以上結(jié)晶固化,其一般的反應(yīng)方程為:
氣體水合物屬新一代蓄冷介質(zhì),又稱"暖冰".它克服了冰、水、共晶鹽等蓄冷介質(zhì)的致命弱點(diǎn).其相變溫度在5~12℃之間,適合常規(guī)空調(diào)冷水機(jī)組.其蓄冷密度與冰相當(dāng),熔解熱約為302.4~464kJ/kg,儲一釋冷過程的熱傳遞效率高,而且可采用直接接觸式儲、釋冷系統(tǒng),進(jìn)一步提高傳熱效率.其低壓蓄冷系統(tǒng)的造價相對較低,被認(rèn)為是一種比較理想的蓄冷方式.
20世紀(jì)80年代初,氣體水合物作為新一代的蓄冷工質(zhì)提出后,立刻受到各國科技工作者的青睞,他們紛紛建立實驗室,對其進(jìn)行進(jìn)一步研究,形成了所謂的"氣體水合物暖冰蓄冷"技術(shù).
其中以美國橡樹嶺國家實驗室和日本國家化學(xué)實驗室以及Keio大學(xué)機(jī)械工程系的研究zui受世人矚目.我國科研機(jī)構(gòu)對氣體水合物的蓄冷技術(shù)研究始于90年代.中國科學(xué)院廣州能源所在基礎(chǔ)研究方面研究了單元?dú)怏w水合物HFCl34a、HFCl52a、HCFCl41b以及混合氣體水合物HFCl34a/HCFCl41b和HFCl52a/HCFCl41b的生成過程和相平衡持性.建立了水合物結(jié)晶可視化低溫顯微實驗臺,觀察到水合物連續(xù)生成過程圖象,確認(rèn)水合物的生長過程屬于分形生長.實際應(yīng)用方面,廣州能源所成功研制了內(nèi)置換熱/外置促晶的蓄冷系統(tǒng).華南理工大學(xué)王世平、呂樹申等研究了HCFCl41b、HCFCl42b、HFCl34a氣體水合物的分解放冷過程.研究了醇類添加劑的加入對水合物熱導(dǎo)率的影響.以R11和R12為工質(zhì),模擬了實用氣體水合物的蓄、放冷過程,得出了混合制冷劑沸騰傳熱模型和經(jīng)驗方程.
中國科學(xué)院低溫中心則在可視化蓄冷過程、強(qiáng)化技術(shù)和熱導(dǎo)率測試等方面展開了一些研究工作.歸納起來,作者認(rèn)為氣體水合物蓄冷技術(shù)的研究可以分為以下幾個方面.2.1氣體水合物蓄冷工質(zhì)的選擇理想蓄冷工質(zhì)的選擇應(yīng)滿足以下目標(biāo).
(1)蓄冷密度大(>270kJ/kg), (表現(xiàn)為相變物質(zhì)的相變潛熱大);
(2)適當(dāng)?shù)南嘧儨囟群凸ぷ鲏毫?6~12℃,0.1~0.3MPa);
(3)適當(dāng)?shù)臒嵛镄?;表現(xiàn)為高的熱導(dǎo)率、低的相變體積變化,及一定的過冷度和溶解度;
(4)化學(xué)性能穩(wěn)定,無環(huán)境污染,沒有ODP和GWP效應(yīng);
(5)材料價格合理,有實用性.
早期研究的氣體水合物蓄冷工質(zhì)是CFC-11和CFC-12.由于它們對大氣臭氧層有破壞作用,國內(nèi)外隨后對一些替代制冷劑氣體水合物,包括HCFC和HFC類制冷劑的蓄冷過程進(jìn)行了研
究.表1是一些已經(jīng)得到研究的制冷劑氣體水合物的性質(zhì).
表1制冷劑氣體水合物性質(zhì)(已研究過的)
由于含氯氟里昂氣體破壞大氣層臭氧層,所以采用替代工質(zhì)將是明智和長遠(yuǎn)的設(shè)計.而混合工質(zhì)也常常會有意想不到的效果,但所選工質(zhì)應(yīng)盡量滿足上述目標(biāo),且與實際系統(tǒng)相匹配.
目前來看,作為替代工質(zhì)的HFCl34、HFCl52a和HCFCl41b等都具有較好的蓄冷特性.
2.2氣體水合物促晶技術(shù)的研究
由于大多數(shù)的制冷劑與水互不相溶,所以在生成水合物的過程中存在著誘導(dǎo)期長,過冷度大,生長速度慢的問題.要使氣體水合物蓄冷技術(shù)走向?qū)嵱?,水合物的快速均勻生成是關(guān)鍵.
為了促進(jìn)水合物快速均勻生成,除了對反應(yīng)物進(jìn)行攪拌,zui常規(guī)的辦法就是向反應(yīng)物中添加表面活性劑或添加物.目前采用的添加劑有:SDS,乙烯乙二醇,正丁醇,金屬或金屬氧化物粉末(銅粉,鋅粉,鐵粉等),無機(jī)鹽(NaCl,CaCl。等),有機(jī)菌類.從效果上看,還沒有一種添加劑能夠地改善水合物的結(jié)晶特性.因此,繼續(xù)尋找或研制新的添加劑是很有必要的.
此外,利用外場來促進(jìn)水合物結(jié)晶的研究也已經(jīng)得到了開展.通過實驗發(fā)現(xiàn),特殊組合的磁場會對制冷劑氣體合物的生成過程產(chǎn)生顯著的影響.在磁場作用下,水合物的生成方向和生長區(qū)域會發(fā)生變化,引導(dǎo)時間縮短,生成量增多,并測出了磁場強(qiáng)度與引導(dǎo)時間和水合率的關(guān)系.通過實驗,研究了超聲波對制冷劑氣體水合物生成過程的影響.結(jié)果表明,超聲波對水合物的結(jié)晶生長有明顯的影響,階梯形的超聲探頭作用下的成核引導(dǎo)時間比指數(shù)形錐體引導(dǎo)時間長,促進(jìn)水合物生長的超聲波功率范圍是58~1000w.
2.3氣體水合物蓄冷裝置的設(shè)計
目前國外實際應(yīng)用的氣體水合物蓄冷裝置都是間接接觸式,分為兩類:①外置式換熱/促晶;②內(nèi)置式換熱/結(jié)晶。.所謂外置式換熱/促晶是指氣體水合物的生成反應(yīng)及反應(yīng)過程中的熱交換都在蓄冷槽的外部進(jìn)行,蓄冷槽只起到儲存氣體水合物的作用.而內(nèi)置式換熱/結(jié)晶是指氣體水合物的生成反應(yīng)及反應(yīng)過程中的熱交換都在蓄冷槽的內(nèi)部進(jìn)行.這兩種蓄冷方式都要求水合物一水介質(zhì)必須具有足夠的流動性.
在國內(nèi),華南理工大學(xué)建立了*套氣體水合物蓄冷實驗裝置(如圖1所示).蓄冷罐的罐體高為600mm,內(nèi)徑為175mm,外徑為200mm.罐體材料為無色透明的有機(jī)玻璃.在罐內(nèi)接近上、下端蓋處各有一由D16×1(mm)的紫銅管繞成的盤管,分別作為冷凝器和加熱器用;兩端不銹鋼端蓋用PE棉包裹,防止漏冷.上端蓋有6個接口.其中兩個為冷卻水的進(jìn)出口;一個接精密真空表和壓力表,一個為熱電偶導(dǎo)出口,一個為接真空泵的接口,余下的是蓄冷媒的加入口.下端除了加熱水的進(jìn)出口外,還有一個排液口,作排放罐內(nèi)液體用.
實驗時,在罐體的外側(cè)包裹兩層PE棉保溫,但會保留兩個長方形的視孔,外壓一塊與之尺寸相當(dāng)?shù)挠袡C(jī)玻璃板以便觀察實驗現(xiàn)象.
圖1華南理工大學(xué)氣體水合物蓄冷裝置
分析這種裝置蓄冷過程的傳熱過程可知,大致可分為3個傳熱單元:水合物結(jié)晶產(chǎn)生反應(yīng)熱一槽中液體(水和氟利昂)中的熱量被氟利昂沸騰氣泡帶走,其間引起擾動一通過在冷凝器表面的冷凝由冷凍水帶走熱量.其傳熱需借助氟利昂液滴和氣泡這一媒介.這種做法實質(zhì)上是以犧牲蓄冷槽的整體換熱性能來保證致水合劑與水的充分混合.中科院廣州能源研究所與中科院低溫技術(shù)實驗中心共同研制了一種采用內(nèi)置換熱/外置促晶方式的氣體水合物蓄冷裝置(如圖2所示).
圖2廣州能源所氣體水合物蓄冷裝置
蓄冷槽為圓柱體,內(nèi)外殼均為不銹鋼板制成,內(nèi)外殼之間間隙為45mm,其間用聚氨酯發(fā)泡材料填充用以保溫.蓄冷槽上端用法蘭密封.在槽的前后,都開有雙層視窗,用來觀察儲冷釋冷過程(可以對整個相變蓄冷過程進(jìn)行攝制錄象,并對圖象進(jìn)行處理分析和再演示,并通過圖象對促晶生成、相界面形態(tài)和運(yùn)動等情況進(jìn)行定量化分析).槽內(nèi)為可拆卸的乒15mm×1mm換熱盤管,總長6.8m.
由于致水合介質(zhì)的密度大于水,在重力作用下,部分致水合介質(zhì)分離下來,自然集于蓄冷槽下部(三區(qū)),而部分水集于上部(一區(qū)).氣體水合物的密度介于水和致水合介質(zhì)之間,則懸浮于中部水中(二區(qū)).下降管(9)由三區(qū)的致水合介質(zhì)區(qū)域引出,下降管(10)由一區(qū)的水域引出.由管(9)、(10)引出的水和致水合介質(zhì)會合后進(jìn)入促晶器(12),在促晶器中充分混合,在低于水合物臨界分解溫度的條件下,形成微小水合物晶體,然后經(jīng)回流管(13)回到蓄冷槽,由噴淋管(11)噴回槽中.噴出液體的動能達(dá)到進(jìn)一步的混合效果.
隨著相變結(jié)晶過程的進(jìn)行,蓄冷槽中氣體水合物(晶體)越來越多,流動性越來越差.這時靠槽中的擾動促使致水合介質(zhì)和水充分接觸和充分混合已較困難,這時內(nèi)置式換熱/結(jié)晶式蓄冷裝置就難以進(jìn)一步結(jié)晶蓄冷.本裝置所采用的內(nèi)置式換熱/外置式促晶方式就能克服這個難題.因為這時即使整個槽中介質(zhì)的的擾動差,但只要蓄冷槽中的水合反應(yīng)沒*完成,就有致水合介質(zhì)(液體)和水分別存在于蓄冷槽的上部和下部,它們能分別經(jīng)下降管(9)、(10)到促晶器進(jìn)行充分混合,形成晶體,回到槽中進(jìn)一步反應(yīng)結(jié)晶.同時結(jié)晶熱也可通過內(nèi)置式換熱器有效地傳給載冷介質(zhì),保證結(jié)晶不斷進(jìn)行下去.
關(guān)于這方面的研究還沒有結(jié)束.目前,提出了一種采用引射器的蓄冷系統(tǒng).該蓄冷系統(tǒng)利用引射器引射制冷劑液體,使其在混合腔中氣化并與水充分混合,以達(dá)到促進(jìn)水合物生成速度的目的.實驗表明,該系統(tǒng)能有效的減小結(jié)晶過冷度,縮短誘導(dǎo)時間.
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