CN202281534U - 一种热管式蓄冰融冰蓄冷装置及蓄冰蓄冷空调 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种热管式蓄冰融冰蓄冷装置及蓄冰蓄冷空调；热管式蓄冰融冰蓄冷装置的蓄冰箱和载冷剂箱上下安置于箱体内，载冷剂箱设有进液口和出液口；在蓄冰箱中装有水；多个热管穿过隔板均匀设置在蓄冰箱和载冷剂箱内，蓄冰箱和载冷剂箱内都设有传热材料；传热材料为波纹片或者泡沫金属，所述热管为两端封闭的圆柱形的空心圆管，空心圆管内表面均匀设有多个梯形槽道，梯形槽深度0.5~1mm，热管中空心的内径为25~75mm。本实用新型和现有技术相比换热效率提高、载冷剂流动阻力小、所加的波纹片或泡沫金属提高了换热效果。在蓄冰段液体多以碎冰形态存在，避免了融冰时间过长的现象，利用波纹片或泡沫金属使热量传递效率提高。

Description

一种热管式蓄冰融冰蓄冷装置及蓄冰蓄冷空调

技术领域

本专利涉及一种新型的蓄冰蓄冷装置，特别是涉及一种热管式蓄冰融冰蓄冷装置，本实用新型还涉及含有该热管式蓄冰融冰蓄冷装置的空调。 

背景技术

自上个世纪世界能源危机以来，各国政府都十分重视“节约能源”与新型替代能源的开发，由于蓄冰技术具备移峰填谷、节约能源、保护环境、大幅节约费用的多重功效，赢得了政府及用户的广泛认同。欧美日韩等国率先将蓄冰技术引入到建筑空调系统中，目前已大面积普及应用了该蓄能技术。日本目前在使用蓄冰系统的建筑物已有10多万座；美国计划将空调蓄冷技术普及应用到99%的实施目标。 

为了解决我国电力出现的白天及夜间的巨大负荷差，充分利用电网夜间的低谷电，我国从上个世纪90年代开始引进和研究冰蓄冷技术，到目前全国蓄能工程项目累计只有500多个。国家相关部门于2004年在全国范围内出台了电价峰谷差政策，目前已达到4:1～5:1，在将来还要不断拉大峰谷差，以鼓励蓄能技术的推广使用。2009年我国年发电量3.65万亿千瓦时，居世界第二位。但是电力供应仍然满足不了国民经济的快速发展和人民生活用电急剧增长的需要，全国缺电局面仍未得到根本改变，电力的使用呈现为峰谷差大、高峰电力严重不足的状况。我国大中型建筑物中广泛使用的集中空调已成为重要的用电大户，其用电量要占建筑物总耗电量的40%~60%，其中大部分空调设备主要在白天运行，是造成电网峰谷差大的主要原因之一。峰谷差的拉大使得部分地区白天电力紧张，而夜间电力又过剩，这样使得低谷期间发电站的运行效率比较低。冰蓄冷空调系统因其可实现对电网“削峰填谷”的作用而成为解决这个问题的有效方法之一。 

冰蓄冷空调系统，就是利用冰的蓄热特性，利用电网负荷低谷期（夜晚）的电力，使制冷机在满负荷下运行，将空调所需的冷量以显热和潜热的形式部分或全部地蓄存于蓄冷介质冰中，而在电网负荷高峰期（白天）再将冷量释放出来以满足建筑物的空调系统的需要。另外，除了“削峰填谷”的作用，冰蓄冷空调系统可以减少制冷设备容量及装设功率，由于制冷设备满负荷运行的比例增大，运行状态稳定，提高了制冷设备运行效率及利用率，随着峰谷电价差政策的推行可为用户节省一定的运行费用。 

按照结构不同，蓄冰空调系统主要分为以下四大类： 

盘管式蓄冰系统，由浸没在充满水的蓄冰槽内的金属或者塑料的盘管作为蓄冷介质与载冷剂的换热面，通过载冷剂在盘管内的流动使盘管的外表面结冰，从而蓄存冷量。盘管式蓄冰系统根据融冰方式的不同，可分为外融冰和内融冰；封装式蓄冰系统，将封装蓄冷介质的蓄冰容器密集放置在蓄冰装置中，由低温载冷剂流经蓄冰装置，使容器内的蓄冷介质结冰来蓄存冷量的蓄冷系统，包括冰球、冰板；冰片滑落式蓄冰系统，在制冷主机的板式蒸发器表面上不断冻结薄冰片，然后滑落到蓄冰槽内从而蓄存冷量的蓄冷系统。冰片滑落式蓄冰系统又称为收冰式或片冰式蓄冰系统；冰晶式蓄冰系统，将低浓度的载冷剂冷却至0℃以下，产生细小而均匀的冰晶，与载冷剂形成冰浆状的物质蓄存在蓄冰槽内的蓄冷系统。 

现有蓄冰系统装置存在的问题：盘管式蓄冰系统，如外融式冰盘管系统，是用制冷剂来直接冷却制冰，蓄冰槽相当于主机的蒸发器，该装置的制冷剂用量大，盘管的焊接处多，经常发生制冷剂泄漏，且维修困难。

封装式蓄冰系统，在蓄冰和融冰过程的进行，其换热热阻都会逐渐增加，蓄冰和融冰速率也因此而下降。冰片滑落式蓄冰系统，属于动态制冰方式，其不足之处是要增加冰片脱落的机构，会增加制冷系统故障，同时还产生8%左右的能量损失。

冰晶式蓄冰系统，要生成的冰晶颗粒均匀、细小的冰浆及溶液，其生产工艺技术至今在完善当中。  

实用新型内容

本实用新型旨在克服现有技术的换热效率不高、流动阻力大、成本高等缺点，提供一种换热效率高的热管式蓄冰融冰蓄冷装置及设有该热管式蓄冰融冰蓄冷装置蓄冰蓄冷空调。 

本实用新型目的通过以下技术方案实现： 

一种热管式蓄冰融冰蓄冷装置，包括箱体、蓄冰箱、载冷剂箱、热管、隔板和传热材料；蓄冰箱和载冷剂箱上下安置于箱体内，蓄冰箱和载冷剂箱之间设有隔板；载冷剂箱设有进液口和出液口；在蓄冰箱中装有水；多个热管穿过隔板均匀设置在蓄冰箱和载冷剂箱内，蓄冰箱和载冷剂箱内都设有传热材料；传热材料为波纹片或者泡沫金属，其中多块波纹片分层水平固定在蓄冰箱和载冷剂箱内，热管穿过波纹片；泡沫金属填充在蓄冰箱和载冷剂箱内的热管外周；所述热管为两端封闭的圆柱形的空心圆管，空心圆管内表面均匀设有多个梯形槽道，梯形槽深度0.5~1mm，热管中空心的内径为25~75mm，热管与隔板之间密封，热管的空心圆管装有工作液。

进一步地，所述热管优选采用铜管或不锈钢管制造。 

所述热管中的梯形槽由内壁面向外壁面收缩。 

所述热管中的工作液优选为乙醇、丙酮或液氨。 

一种设有所述热管式蓄冰融冰蓄冷装置的蓄冰蓄冷空调，包括热管式蓄冰融冰蓄冷装置、第一乙二醇泵、第二乙二醇泵、空调末端循环泵、用户负荷、板式换热器和制冷机组；管式蓄冰融冰蓄冷装置装在箱体中，管式蓄冰融冰蓄冷装置的载冷剂箱上的进液口和出液口分别与制冷机组连接，其中制冷机组与进液口连接的管道上设有第二乙二醇泵；出液口还与板式换热器的进口端连接，进液口还通过第一乙二醇泵与板式换热器的出口端连接，用户负荷的冷流体出口端与热流体进口端分别和板式换热器的冷流体进口端与热流体出口端相连接。 

相对于现有技术，本实用新型具有如下优点： 

（1）开发具有梯形结构内槽道的热管，改变热管的内表面结构，可增加热管内表面冷凝面积20%以上，提高液体的回流速度30%以上。由于内槽道的作用，凝结液的表面张力使液体不再在管壁上作过久停留，而是迅速顺着槽道脱离冷却壁面，所以整个槽管有较多的冷却壁面直接和蒸汽接触，达到强化换热效果，提高传热系数50%以上。与现有的蓄冰装置相比，在相同蓄冰量条件下，体积可缩小40%左右；

（2）换热效率高：在载冷剂段和蓄冰段的热管之间填充的波纹片或泡沫金属能增加换热面积，强化了传热；而在蓄冰段多以冰水混合物的形式存在，有流动，有利于换热的速率提高；

（3）流动阻力小：在载冷剂箱换热是管外的对流换热，流动阻力较之盘管式蓄冰要小，再则波纹片或泡沫金属让蓄冰的冰形成细小的冰块，不像其他蓄冰装置中冰形成体积大的冰块，在融化时避免了融冰死角的问题；

（4）制冰与融冰效果好：由于波纹片或泡沫金属具有良好的导热性，降低了载冷剂流体中的温度梯度，其温差控制在2℃，缩短了制冰（融冰）的时间，提高了系统的能量效率；

（5）系统的稳定性好：热管是互不干扰的，在运行时单根热管出现故障并不影响其他热管的工作，对系统的影响也只限于换热效率有所降低；

（6）蓄冰段稳定：蓄冰段中的水冰点稳定，且是密封的，水质不易被污染，保证了蓄冰段的工作稳定性；

（7）结构简单，易于加工，没有制冷剂泄漏的现象：用于强化传热的波纹片或泡沫金属和带有内螺纹热管的连接在加工工艺上没有难点，比加装翅片的方式加工简单。

附图说明    

图1为带有波纹片的热管式蓄冰融冰蓄冷装置正视图；

图2为带有泡沫金属的热管式蓄冰融冰蓄冷装置正视图；

图3为图1或图2的俯视图；

图4为带有热管式蓄冰融冰蓄冷装置空调结构示意图；

图5为图1或图2中的热管结构示意图；

图6为带有热管式蓄冰融冰蓄冷装置空调的控制原理图。

具体实施方式

为进一步理解本实用新型，下面结合附图和实施方式对本实用新型的作详细描述，需要说明的是，本实用新型要求保护的范围并不局限于实施方式的描述。

如图1、2、3和5所示，一种热管式蓄冰融冰蓄冷装置，包括箱体1、蓄冰箱2、载冷剂箱3、热管4、隔板5和传热材料8；蓄冰箱2和载冷剂箱3上下安置于箱体1内，蓄冰箱2和载冷剂箱3之间设有隔板5；载冷剂箱3设有进液口6和出液口7；在蓄冰箱中装有水，通过在蓄冰箱中结冰和融化对热量进行存储和释放。多个热管4穿过隔板5均匀设置在蓄冰箱2和载冷剂箱3内，蓄冰箱2和载冷剂箱3内都设有传热材料8，如图1所示，传热材料8为波纹片，多块波纹片分层水平固定在蓄冰箱2和载冷剂箱3内，热管4穿过波纹片；如图2所示，传热材料8为泡沫金属，泡沫金属填充在蓄冰箱2和载冷剂箱3内的热管4外周；如图5所示，热管4为两端封闭的圆柱形的空心圆管，空心圆管内表面均匀设有多个梯形槽道，梯形槽深度0.5~1mm，热管中空心的内径（直径）为25~75mm，热管4与隔板5之间密封，热管4的空心圆管装有工作液，工作液优选为乙醇、丙酮或液氨。热管4为传热元件，是重力式热管。热管4采用铜管或不锈钢管制造。热管4的梯形槽是在热管内壁面的切向方向上优选设有开口为60°（两个等腰边之间的夹角）直通槽，梯形槽由内壁面向外壁面收缩。其深度不超过壁面厚度的2/3。该槽道在径向上是通槽。对热管4的管径可以按照空调系统中蓄冰箱的尺寸来确定，热管的内径采用国家标准值，直径范围25~75mm，热管内的梯形槽深度0.5~1mm，热管材料为铜管或不锈钢管。

如图2所示，泡沫金属采用现有的孔隙率为60~80%的泡沫铝或泡沫铜材料，泡沫金属具有一定强度和刚度的多孔金属。由于金属体中有很多连通孔，相对表面积很大，在蓄冰箱里和水的接触面较大，从而加强了热量在热管和介质水间的传递。 

如图1所示，波纹片为波纹状的板片，横向布置在箱体内，波纹片与热管的连接方式为胀管或焊接，波纹片采用铜片或铝合金片冲压成横截面为波纹状。波纹片具有如下功能：

使箱体中的液体与热管及波纹片接触面积增加，扩大了热量（冷量）的传递面积；

波纹片将箱体中的液体分割为多个区域，每个区域的液体与波纹片直接接触，降低了液体温差（温度梯度）；

波纹片与液体相比具有良好的导热性，降低了载冷剂流体中的温度梯度，使液体中的温度与热管外表面的温度接近，缩短了制冰（融冰）的时间，提高了系统的能量效率。 

载冷剂选择用乙二醇(CH₂OHCH₂OH)水溶液。 

热管式蓄冰融冰蓄冷装置既可安在现有中央空调中，也可安在待装的中央空调中，以及已经安装使用的现有中央空调。 

如图4所示，一种设有热管式蓄冰融冰蓄冷装置的蓄冰蓄冷空调，包括热管式蓄冰融冰蓄冷装置、第一乙二醇泵9、第二乙二醇泵10、空调末端循环泵11、用户负荷12、板式换热器13和制冷机组14。管式蓄冰融冰蓄冷装置装在箱体1中，管式蓄冰融冰蓄冷装置的载冷剂箱3上的进液口6和出液口7分别与制冷机组14连接，其中制冷机组14与进液口6连接的管道上设有第二乙二醇泵10；出液口7还与板式换热器13的进口端连接，进液口6还通过第一乙二醇泵9与板式换热器13的出口端连接，用户负荷12的冷流体出口端与热流体进口端分别和板式换热器13的冷流体进口端与热流体出口端相连接。 

设有热管式蓄冰融冰蓄冷装置的蓄冰蓄冷空调工作过程包括蓄冷过程和释冷过程。

蓄冷过程：载冷剂乙二醇在冷却机组14中保持-3℃至-6℃，通过乙二醇泵10从进液口6泵入到载冷剂箱3中，乙二醇冲刷热管4进行热交换，蓄冰箱2中水的热量通过热管4传递给载冷剂箱3中的乙二醇，乙二醇从出液口7排出，带走热量。同时在蓄冰箱2中的水温度逐渐降低开始结冰。在传热过程中，波纹片或泡沫金属强化传热。箱体中的液体与热管及波纹片（泡沫金属）接触面积增加，扩大了热量（冷量）的传递面积，热管外面嵌套或焊接的波纹片将箱体中的液体分割为多个区域，该区域的液体与波纹片直接接触，降低了液体温差（温度梯度）。波纹片与液体相比具有良好的导热性，降低了载冷剂流体中的温度梯度，使液体中的温度与热管外表面的温度接近，这样就能够降低蓄冰过程中的热阻，提高热量（冷量）传递效率。通过水的液-固相的形式储藏冷量。完成蓄冷过程。一般是在用电低谷期间,进行蓄冷过程。 

释冷过程：在日间，蓄冰蓄冷空调进行释冷过程。板式换热器13中的乙二醇通过乙二醇泵9进入载冷剂箱3中，此时乙二醇的温度在3-6℃间，在蓄冰箱2中的冰吸收乙二醇的热量，冰块开始融化。从而将蓄冷过程储存在冰中的冷量释放出来，降温后的乙二醇从出液口7排出，进入到板式换热器的冷流体进口，与从用户负荷端进入到板式换热器中的热流体通过传热板片进行热交换，直至低温的乙二醇在板式换热器13中与用户负荷12的热流体工质（水）完成热交换，满足用户负荷12的需要，完成释冷过程。 

如图6所示，箱体1中载冷剂箱3上的进液口6和出液口7与冷却机组14的出液口和进液口连接的管道上分别设有第一温度传感器K1和第二温度传感器K2；载冷剂箱3的进液口6和出液口7与板式换热器13的出液口和进液口连接管道上分别设有第三温度传感器K3和第四温度传感器K4；板式换热器13和用户负荷12的冷流体出口端与热流体进口端连接的管道是分别设有第一压力传感器L1和第二压力传感器L2；第一温度传感器K1、第二温度传感器K2、第三温度传感器K3、第四温度传感器K4以及第一压力传感器L1和第二压力传感器L2分别与可编程控制器PLC连接；可编程控制器PLC还分别与电源Power和可触摸屏O连接；可编程控制器PLC通过第一变频器S1与空调末端循环泵11相连接，通过第一变频器S2与第一乙二醇泵9相连接，通过第三变频器S3和第二乙二醇泵10相连接，通过第四变频器S4和制冷机组14相连接。第一温度传感器K1、第二温度传感器K2、第三温度传感器K3和第四温度传感器K4采集温度信息送往可编程控制器PLC进行分析处理运算，第一压力传感器L1和第二压力传感器L2采集压力信息，送往可编程控制器PLC进行分析处理运算，可编程控制器PLC输出的变频控制指令经第一变频器S1来控制空调末端循环泵11的运行，通过第二变频器S2、第三变频器S3来控制第一乙二醇泵9和第二乙二醇泵10的运行。 

所开发的带有梯形内槽道的热管，改变热管的内表面结构，传统热管的内表面以光滑表面为主，本实用新型的热管在其内壁面加内槽道，可增加热管内表面冷凝面积20%以上，提高液体的回流速度30%以上。采用梯形槽结构的热管内表面，可提高液膜表面张力的作用强度1倍左右，热管内工质在凝结为液膜时，梯形槽结构引导液膜定向流动到槽中，再返回到蒸发端，根据液体表面张力的变化，可得出提高回流速度30%以上。 

热管中的工作介质采用低温工作液，如乙醇、丙酮、液氨等。在热管蒸发段的工作介质吸收热量蒸发成蒸汽，蒸汽在冷凝段将热量传出，自身冷凝成液态。热管内的槽道利用凝结液的表面张力使液体不再在管壁上作过久停留，而是迅速顺着槽道脱离冷却壁面，所以整个槽管有较多的冷却壁面直接和蒸汽接触，达到强化换热效果，有助于提高传热系数。同时，在蓄冰箱2和载冷剂箱3内都设有传热材料8，传热材料8为泡沫金属或者金属制作的波纹片，金属导热系数比液体的高，如水的导热系数约 0.5W/mK、钢的导热系数约 45W/mK、不锈钢导热系数约 17W/mK、铜导热系数约 17W/mK导热系数约 400W/mK，在工质液体中的波纹片（泡沫金属）良好的热传导作用下，传热系数可增加1倍以上。 

由于提高了传热系数，增大了单位体积中的传热面积，可降低蓄冰装置的体积，与现有的蓄冰装置相比，在相同蓄冰量条件下，体积可缩小40%左右。 

Claims (6)

1.一种热管式蓄冰融冰蓄冷装置，其特征在于：包括箱体、蓄冰箱、载冷剂箱、热管、隔板和传热材料；蓄冰箱和载冷剂箱上下安置于箱体内，蓄冰箱和载冷剂箱之间设有隔板；载冷剂箱设有进液口和出液口；在蓄冰箱中装有水；多个热管穿过隔板均匀设置在蓄冰箱和载冷剂箱内，蓄冰箱和载冷剂箱内都设有传热材料；传热材料为波纹片或者泡沫金属，其中多块波纹片分层水平固定在蓄冰箱和载冷剂箱内，热管穿过波纹片；泡沫金属填充在蓄冰箱和载冷剂箱内的热管外周；所述热管为两端封闭的圆柱形的空心圆管，空心圆管内表面均匀设有多个梯形槽道，梯形槽深度0.5~1mm，热管中空心的内径为25~75mm，热管与隔板之间密封，热管的空心圆管装有工作液。

2.根据权利要求1所述的热管式蓄冰融冰蓄冷装置，其特征在于：所述热管采用铜管或不锈钢管制造。

3.根据权利要求1所述的热管式蓄冰融冰蓄冷装置，其特征在于：所述热管中的梯形槽由内壁面向外壁面收缩。

4.根据权利要求1所述的热管式蓄冰融冰蓄冷装置，其特征在于：所述热管中的工作液为乙醇、丙酮或液氨。

5.一种设有权利要求1所述热管式蓄冰融冰蓄冷装置的蓄冰蓄冷空调，其特征在于：包括热管式蓄冰融冰蓄冷装置、第一乙二醇泵、第二乙二醇泵、空调末端循环泵、用户负荷、板式换热器和制冷机组；管式蓄冰融冰蓄冷装置装在箱体中，管式蓄冰融冰蓄冷装置的载冷剂箱上的进液口和出液口分别与制冷机组连接，其中制冷机组与进液口连接的管道上设有第二乙二醇泵；出液口还与板式换热器的进口端连接，进液口还通过第一乙二醇泵与板式换热器的出口端连接，用户负荷的冷流体出口端与热流体进口端分别和板式换热器的冷流体进口端与热流体出口端相连接。

6.根据权利要求5所述的蓄冰蓄冷空调，其特征在于：载冷剂箱上的进液口和出液口与冷却机组的出液口和进液口连接的管道上分别设有第一温度传感器和第二温度传感器；载冷剂箱上的进液口和出液口与板式换热器的出液口和进液口连接管道上分别设有第三温度传感器和第四温度传感器；板式换热器分别和用户负荷的冷流体出口端与热流体进口端连接的管道上分别设有第一压力传感器和第二压力传感器；第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器以及第一压力传感器和第二压力传感器分别与可编程控制器连接；可编程控制器还分别与电源和可触摸屏连接；可编程控制器通过第一变频器与空调末端循环泵相连接，通过第一变频器与第一乙二醇泵相连接，通过第三变频器和第二乙二醇泵相连接，通过第四变频器和制冷机组相连接。

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