CN111322798A - 一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器 - Google Patents

一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器，所述微管蒸发器为管翅式结构，包括制冷剂微管和翅片，所述制冷剂微管通过间隔设置的所述翅片固定连接；在x轴和y轴方向，所述翅片与邻近的所述制冷剂微管之间的距离为3cm，在z轴方向，相邻所述翅片之间的距离为5cm。本发明通过对翅片和制冷剂管道的优化，使得制冷效率大幅度提高，并且有效减少了冷量的浪费。

Description

一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器
技术领域
本发明涉及能源利用技术领域，更具体的说是涉及一种用于分布式光伏直驱冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器。
背景技术
太阳能具有较强的瞬时性与间歇性，因此目前的分布式光伏利用中的储能装置均采用蓄电池，不仅污染环境且投资运行成本过高，其中冰蓄冷替代蓄电池储能在分布式光伏空调利用中具有较好的研究价值和意义。
分布式光伏直驱冰蓄冷空调系统主要由分布式光伏能源、制冰蓄冷与供冷三个系统组成。分布式光伏能源系统的光伏组件将太阳能转化为电能，采用带有最大功率跟踪和变频调控技术的逆控一体式系统，变频调控用电负载的频率自适应工作于光伏组件的最大功率点上，实现光伏直驱制冷机组；制冰蓄冷系统由变频压缩机、冷凝器、节流阀和盘管式浸入式蒸发器四部分组成，制冷剂经压缩机压缩，再由冷凝器冷却进入储液器，经电磁阀控制进入节流阀节流为低温工质，低温工质流入位于蓄冷桶中的蒸发器吸热制冷，进入气液分离器进行分离，流入压缩机完成制冷循环；供冷系统采用大温差供冷，水泵将蓄冰桶内的冷水泵出送到风机盘管处吹出冷量供用户使用。
分布式光伏直驱冰蓄冷空调系统中采用蒸发器浸入式静态制冰模式能有效减少冷量浪费，提高制冰效率。但浸入式静态制冰的弊端是，随着制冷时间的增加，凝结在蒸发器上的冰层厚度逐步增加，冰块导热系数很差，冰层厚度制约了蒸发器内制冷剂的能量传递与交换，严重影响了制冷效率，在这种条件下，蒸发器的优化与设计对分布式光伏直驱浸入式静态制冰系统尤为重要。
因此，如何提供一种用于分布式光伏直驱冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器，本发明通过对翅片和制冷剂管道的优化，使得制冷效率大幅度提高，并且减少了冷量的浪费。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器，所述微管蒸发器为管翅式结构，包括制冷剂微管和翅片，所述制冷剂微管通过间隔设置的所述翅片固定连接；在x轴和y轴方向，所述翅片与邻近的所述制冷剂微管之间的距离为3cm，在z轴方向，相邻所述翅片之间的距离为5cm。
优选的，在上述一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器中，所述制冷剂微管的内径为8.52mm，壁厚为1mm。
优选的，在上述一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器中，所述制冷剂微管的材质为铜，利用铜良好的导热性能，强化传热。
优选的，在上述一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器中，所述制冷剂微管的内侧设置有螺纹，螺纹的设置可以增加制冷剂与微管之间的换热系数。
优选的，在上述一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器中，所述翅片的厚度为1mm。
优选的，在上述一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器中，所述翅片的材质为铝。
优选的，在上述一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器中，单个所述微管蒸发器包括40根0.65m的所述制冷剂微管，并且x轴方向所述翅片数量为28片，y轴方向所述翅片数量为10片，z轴方向所述翅片数量为14片。
优选的，在上述一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器中，单个所述微管蒸发器包括60根0.65m的所述制冷剂微管，并且x轴方向所述翅片数量为28片，y轴方向所述翅片数量为16片，z轴方向所述翅片数量为14片。
优选的，在上述一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器中，单个所述微管蒸发器包括80根0.65m的所述制冷剂微管，并且x轴方向所述翅片数量为28片，y轴方向所述翅片数量为25片，z轴方向所述翅片数量为14片。
优选的，在上述一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器中，单个所述微管蒸发器包括100根0.65m的所述制冷剂微管，并且x轴方向所述翅片数量为28片，y轴方向所述翅片数量为28片，z轴方向所述翅片数量为14片。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种用于分布式光伏直驱冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器，能有效减少冷量浪费，提高制冰效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为蒸发器上凝结的冰层厚度及冰块的过冷度随制冷机组运行时间的变化情况；
图2附图为本发明应用于分布式光伏直驱3匹冰蓄冷空调系统的单个浸入式静态制冰微管蒸发器x轴、y轴方向上结构图；
图3附图为本发明应用于分布式光伏直驱4匹冰蓄冷空调系统的单个浸入式静态制冰微管蒸发器x轴、y轴方向上结构图；
图4附图为本发明应用于分布式光伏直驱5匹冰蓄冷空调系统的单个浸入式静态制冰微管蒸发器x轴、y轴方向上结构图；
图5附图为本发明应用于分布式光伏直驱6匹冰蓄冷空调系统的单个浸入式静态制冰微管蒸发器x轴、y轴方向上结构图；
图6附图为本发明应用于分布式光伏直驱冰蓄冷空调系统的单个浸入式静态制冰微管蒸发器z轴方向上结构图。
在图中：
1为制冷剂微管、2为翅片。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器，微管蒸发器为管翅式结构，包括制冷剂微管1和翅片2，制冷剂微管1通过间隔设置的翅片2固定连接；在x轴和y轴方向，翅片2与邻近的制冷剂微管1之间的距离为3cm，在z轴方向，相邻翅片2之间的距离为5cm。
具体的，制冷剂微管1是圆形结构，翅片2开孔穿过制冷剂微管1，为确保制冷剂微管1与翅片2紧密，制冷剂微管1与翅片2焊接为一体；
经过模拟计算得到蒸发器浸入水中静态制冰的最优冰层厚度约为5cm，制冷剂微管1之间的最优间距为10cm，为增加结冰速率，在每两根制冷剂微管1之间增加了两组翅片2，为确保整体性及强化传热，在x轴和y轴方向，翅片2离两头的制冷剂微管1的距离设置为3cm，两翅片之间的间距为4cm；
经过制冷剂流量与管径和管长的匹配分析，制冷剂微管1的长度取为65cm，Z轴向的翅片2起到制冷剂微管1间的连接支撑作用，又加强了传热效率，为确保整体性，在制冷剂微管1长度Z轴向上每间隔5cm设置一层翅片2。
为了进一步优化上述技术方案，制冷剂微管1的内径为8.52mm，壁厚为1mm。
为了进一步优化上述技术方案，制冷剂微管1的材质为铜。
为了进一步优化上述技术方案，制冷剂微管1的内侧设置有螺纹。
为了进一步优化上述技术方案，翅片2的厚度为1mm。
为了进一步优化上述技术方案，翅片2的材质为铝。
为了进一步优化上述技术方案，单个微管蒸发器包括40根0.65m的制冷剂微管1，并且x轴方向翅片2数量为28片，y轴方向翅片2数量为10片，z轴方向翅片2数量为14片。
为了进一步优化上述技术方案，单个微管蒸发器包括60根0.65m的制冷剂微管1，并且x轴方向翅片2数量为28片，y轴方向翅片2数量为16片，z轴方向翅片2数量为14片。
为了进一步优化上述技术方案，单个微管蒸发器包括80根0.65m的制冷剂微管1，并且x轴方向翅片2数量为28片，y轴方向翅片2数量为25片，z轴方向翅片2数量为14片。
为了进一步优化上述技术方案，单个微管蒸发器包括100根0.65m的制冷剂微管1，并且x轴方向翅片2数量为28片，y轴方向翅片2数量为28片，z轴方向翅片2数量为14片。
下面对本发明应用于分布式光伏直驱冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器的优化过程进行分析说明。
首先通过对已有分布式光伏直驱浸入式静态制冰系统的研究，盘管式的蒸发器上凝结的冰层厚度及冰块的过冷度随制冷机组运行时间的变化情况如图1所示。在图1中，左边纵坐标表示结冰的厚度，右边纵坐标表示冰块的过冷度，横坐标表示结冰时间。
研究结果表明用于浸入式静态制冰的普通盘管式蒸发器的最佳运行时间为150分钟左右，此时的结冰厚度为45mm左右，冰块的过冷度约为-1.5℃。但分布式光伏直驱冰蓄冷空调系统需要全天候不间断运行，每天运行时间约8个小时，采用浸入式盘管式蒸发器的系统在光伏直驱运行下的后4个小时制冰效率低下，冰块过冷度严重，能量浪费严重。
为提高分布式光伏直驱冰蓄冷空调系统制冷效率，需要对浸入式的蒸发器进行优化设计，本发明提出一种经过优化计算后用于分布式光伏直驱冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器。
目前市面上的变频压缩机应用较少，且都是3匹以上的采用三相电驱动。以常用的谷轮变频压缩机为例，单个变频制冷机组及机组制冷量如表1所示，制冷机组的蒸发器浸入在水箱中制取冰块，为满足供冷需求，水箱里的水不能完全结冰，设定制冷机组的70％的制冷量完全转化为制冰量为理论最大制冰量，当制冷机组在光伏直驱运行8小时后的最大理论制冰量如表1所示：
表1
Figure BDA0002404676260000061
Figure BDA0002404676260000071
注：冰的相变潜热是335kJ/kg
本发明得到的静态制冰微管蒸发器如图2所示，采用管翅式结构，制冷剂微管材质为铜，内径8.52mm，壁厚1mm，管内有螺纹，翅片为1mm厚的铝翅片，在x轴和y轴方向上，翅片与邻近的微管间距为3cm，在z轴方向上，翅片间的距离为5cm。制冷剂微管内制冷剂流动，翅片强化能量传递，冰层凝结在制冷剂微管周围，围绕着制冷剂微管凝结成圆柱形的冰块。
采用光伏直驱制冷系统运行8小时，结冰厚度为4.5cm，经计算可得单位微管长度上结冰重量为7.06kg/m，不同大小的制冷机组采用的微管总长度如表2所示。
表2
制冷机组 制冰量/kg 总微管长度/m
3匹 373 52.83
4匹 584 82.72
5匹 758 107.37
6匹 999 141.50
制冷剂采用R22，查表可得R22在-10℃的汽化潜热为213.132kJ/kg，经计算，为达到表2中制冷效果，单根微管内液态制冷剂流量应为0.3853g/s。根据计算结果，得到应用于分布式光伏直驱冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器优化后的微管根数及单根微管长度，如表3所示。
表3
Figure BDA0002404676260000072
Figure BDA0002404676260000081
应用于分布式光伏直驱冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器结构如表4所示。
表4
Figure BDA0002404676260000082
应用于分布式光伏直驱冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器结构图具体参见图2-图6。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器，其特征在于，所述微管蒸发器为管翅式结构，包括制冷剂微管(1)和翅片(2)，所述制冷剂微管(1)通过间隔设置的所述翅片(2)固定连接；在x轴和y轴方向，所述翅片(2)与邻近的所述制冷剂微管(1)之间的距离为3cm，在z轴方向，相邻所述翅片(2)之间的距离为5cm。
2.根据权利要求1所述的一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器，其特征在于，所述制冷剂微管(1)的内径为8.52mm，壁厚为1mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器，其特征在于，所述制冷剂微管(1)的材质为铜。
4.根据权利要求1所述的一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器，其特征在于，所述制冷剂微管(1)的内侧设置有螺纹。
5.根据权利要求1所述的一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器，其特征在于，所述翅片(2)的厚度为1mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器，其特征在于，所述翅片(2)的材质为铝。
7.根据权利要求1所述的一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器，其特征在于，单个所述微管蒸发器包括40根0.65m的所述制冷剂微管(1)，并且x轴方向所述翅片(2)数量为28片，y轴方向所述翅片(2)数量为10片，z轴方向所述翅片(2)数量为14片。
8.根据权利要求1所述的一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器，其特征在于，单个所述微管蒸发器包括60根0.65m的所述制冷剂微管(1)，并且x轴方向所述翅片(2)数量为28片，y轴方向所述翅片(2)数量为16片，z轴方向所述翅片(2)数量为14片。
9.根据权利要求1所述的一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器，其特征在于，单个所述微管蒸发器包括80根0.65m的所述制冷剂微管(1)，并且x轴方向所述翅片(2)数量为28片，y轴方向所述翅片(2)数量为25片，z轴方向所述翅片(2)数量为14片。
10.根据权利要求1所述的一种用于冰蓄冷空调系统的浸入式静态制冰微管蒸发器，其特征在于，单个所述微管蒸发器包括100根0.65m的所述制冷剂微管(1)，并且x轴方向所述翅片(2)数量为28片，y轴方向所述翅片(2)数量为28片，z轴方向所述翅片(2)数量为14片。
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