一种基于相变微胶囊液浆储冷装置的冷却系统及运行方法

摘要

本发明公开了一种基于相变微胶囊液浆储冷装置的冷却系统及运行方法，该系统主要由主制冷机、储浆罐、用户终端、两台液浆泵和若干阀门组成。在此冷却系统中，相变微胶囊液浆既被作为存储介质储存冷能，又被作为输运介质传输冷能。相变微胶囊液浆的使用在大幅增加了能量储存密度的同时，显著提高了能量传输效率，能够使得整个系统更为紧凑和小型化。该系统具备五种不同储冷供冷运行模式，基于监测点的反馈下，通过泵与阀门的启停或开闭实现相互灵活切换。该系统在较好适应冷负荷波动的同时，实现对电力负载削峰填谷，达到提高系统运行效率的目的。

说明书

技术领域

本发明属于节能减排设计领域，涉及一种集成了蓄冷装置的制冷技术，该技术是一种将相变微胶囊液浆作为冷能存储介质和传输介质并构成具有多运行模式的冷却系统，具体涉及一种基于相变微胶囊液浆储冷装置的冷却系统及运行方法。

背景技术

近年来，住宅和办公楼因使用空调所产生的能源消耗不断增加，从节能和减少二氧化碳排放两个角度来看，急需更先进的技术解决此现状。与此同时，空调负载也很大程度上影响着电力负荷，峰值负载可能导致电量需求过大甚至电力中断，严重影响电网运行安全和成本。因此有必要在空调系统中集成储冷装置，对电力负荷实现削峰填谷。此外，冷能存储亦可很大程度上提升空调系统的性能。事实上通常在夜间通过制冷机向存储介质输送冷能，而夜晚环境温度较低，因而制冷机可以较低的冷凝温度运行，进而能够增加系统COP。现已有使用水或冰等作为冷能存储介质的储冷空调系统获得应用。

使用冷冻水进行冷能储存时，制冷机可以在高蒸发温度下运行，因而具有高的性能系数(COP)。但由于冷冻水使用的是水温变化对应的显热储冷，其储能密度与使用相变潜热储冷的冰相比非常小，因而需要系统配备大容量的储罐和大功率的水泵，因而制约了水蓄冷的广泛应用。虽然专利97116453.3公开了一种大温差水蓄冷节电调荷系统，提出大温差水蓄冷的方法，但对储冷密度的提升仍然十分有限，而且对各个换热装置的设计和制造提出了更高的要求。

而若使用纯固态冰或冰浆作为储冷介质，蒸发温度至少为-5℃以克服水凝固成冰的过冷度，而如此低的蒸发温度会导致制冷设备COP很低，因而系统功耗很高。对于纯固态冰，如专利201410851756.7公开了一种使用不同相变材料的冰蓄冷空调系统，由于其无法在空调系统内输送，在储冷或放冷过程中必须依靠二次载冷剂携带冷能才能加以利用，因而会致使系统更为复杂且存在大量的冷能传递损失；而对于冰浆，由于密度差异，冰颗粒将倾向于在水中漂浮，并且倾向于聚集成更大的颗粒，因而可能会在供给泵输送冰浆时堵塞通道，而且制造冰浆的系统构成十分复杂，如专利201410568499.6所示的系统。

在空调使用的温度范围(约)内，如果能找到一种介质具有较高单位冷能存储能力，且类似于水能适用于泵输运，则可显著提升集成了储冷装置的空调系统的节能效果、紧凑性以及调峰能力。专利201210236712.4公开了一种以四丁基溴化铵水合物浆作为蓄冷材料的蓄冷式空调系统。该系统运行时需要对温度进行精确控制以生成蓄热密度高的水合物生成和抑制蓄热密度低的水合物的生成，而且需要搅拌器、帕尔帖元件和静态混合器等过冷解除装置。专利201310178031.1公开了一种以二氧化碳水合物浆作为蓄冷介质的蓄冷释冷式中央空调装置。该装置需要配备压缩机、膨胀机和水合反应釜等众多设备以构成制冷循环在蓄冷过程中制备二氧化碳水合物浆，且在蓄冷过程中要不断地给压缩机输入功耗，最终会影响系统运行的总体效率。以上两种以水合物浆为蓄冷介质的系统，皆是利用吸热水合反应来存储冷能，话句话说，在系统运行的过程中，既要控制传热过程也要控制水合反应的进行，系统稳定性和简易度面临着较大的挑战。寻找一种无须发生反应、储冷密度高且为流态的蓄冷介质来代替水合物浆十分有必要。

相变微胶囊液浆是一种新兴的冷能存储介质。通过把相变材料作为核心封装在直径足够小(10微米左右)的固态壳体材料中，形成相变微胶囊，然后将一定体积百分数的相变微胶囊分散悬浮在载流体中，便得到能够泵送的液浆存储介质，在冷能充放过程中该液浆便可部分的凝固或熔化，相变潜热使得该液浆具有很高的储能密度。通过选择具有合适相变温度的材料，可使其在温度范围内具有很高的冷能存储密度，非常适合于空调工况，作为储冷介质能与常规空调系统良好兼容，且能使装置小型化。同时由于其具有优异的泵送性能和运输性能，可作为载冷剂直接被输送到制冷机内与蒸发器换热充冷，也可直接被输送到用户终端的风机盘管内放冷。微胶囊与载流体、管壁等的相互作用会显著提升传热速率，加快充放冷速度。此外，与水合物液浆不同的是，相变微胶囊液浆的制备与使用过程是完全独立的，因而使用液浆的储冷空调系统可以更为简化，且运行更为稳定。

因此，采用相变微胶囊液浆作为储冷和载冷介质，在储冷集成冷却系统中有着其他介质无法比拟的优势，在中央空调等领域有着巨大的应用潜力。

发明内容

本发明设计了一种基于相变微胶囊液浆储冷的集成冷却系统，适用于中央空调，可以缓解由于空调高负载引起的峰值电力需求，同时使装置或设备更为紧凑和小型化。本发明还提供了该系统的五种运行模式及其运行条件，以保证制冷机在恒定的最优化功率下运行的同时，快速响应冷负荷变化，达到提高整个系统的效率以及减少制冷机装机容量的目的。

本发明的以上目的，可通过采用以下技术方案实现：

一种基于相变微胶囊液浆储冷装置的冷却系统，其特征在于：该冷却系统采用相变微胶囊液浆进行冷能的传输和储存，相变微胶囊液浆通过主制冷机制冷后送往用户终端换热达到制冷的目的，用户终端返回的温度较高的相变微胶囊液浆又返回主制冷机，形成一个制冷循环回路，主制冷机出口温度较低的相变微胶囊液浆又可通过管道送往储冷装置暂时储存，所述相变微胶囊液浆中采用的相变微胶囊采用凝固点在之间的相变材料、以及熔点超过40℃的壳体材料封装制成直径小于20微米的微胶囊，相变微胶囊在载流体中形成均匀分散的悬浮液，所述载流体的凝固点小于相变材料的凝固点。

作为优选，该冷却系统包括主制冷机、第一供给泵、第二供给泵、储浆罐、以及用户终端，所述第二供给泵用于将主制冷机产生冷态的相变微胶囊液浆输送至用户终端换热，然后通过管道L3返回主制冷机的入口形成一个循环制冷回路；所述储浆罐的冷端S2通过管道L2与主制冷机的出口管道相连，储浆罐的热端S1通过管道L1与第一供给泵入口相连，第一供给泵的出口连接主制冷机的入口，管道L1和L2上分别设有相应的阀门V1和V4。

作为改进，所述L3管道上依次设有阀门V7和V8，管道L1上依次设有阀门V1和V2，阀门V7和V8之间的L3管道通过连接管道与阀门V1和V2之间管道L1相连，所述主制冷机的出口管道上依次设有阀门V3和V5，管道L2与阀门V3和V5之间的主制冷机的出口管道相连，管道L2上还设有阀门V4，通过阀门V1-至V5，以及V7、V8的切换，该冷却系统形成至少五种运行模式。

作为改进，所述储浆罐进出口设有均流布液器或集液器，可使所述相变微胶囊液浆的温度在储浆罐中保持自然分层。

作为改进，所述所述相变材料采用自十二烷酸甲酯、十四烷、邻苯二甲酸二丁酯和甲酸等的一种；所述壳体材料采用聚苯乙烯、聚乙烯醇、脲醛树脂和碳化硅中的一种；所述载体流体采用水、乙二醇、甲苯和氯苯中的一种。

作为改进，所述管道L1靠近储浆罐的热端S1处设有测温点一，所述管道L2靠近储浆罐的冷端S2处设有测温点二，所述储浆罐内也设有测温仪。

一种如上所述的冷却系统的相变微胶囊液浆制造方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

采用原位聚合法在相变材料液滴表面形成包腹壳体，干燥后形成稳定的相变微胶囊，相变微胶囊的尺寸在5-20微米之间，然后将相变微胶囊按一定的比例均匀散布在载流体中，形成固液两相的液浆，相变微胶囊的体积浓度小于25％。

一种如上所述的冷却系统的运行方法，其特征在于：该冷却系统的运行方法有五种模式，分别为：模式一仅将来自所述主制冷机的冷能充入所述储浆罐；模式二为仅通过在所述储浆罐中排放冷能来为所述用户终端供冷；模式三为仅使用所述主制冷机为所述用户终端供冷；模式四为由所述主制冷机和所述储浆罐共同为所述用户终端供冷；模式五为使用主制冷机既为所述用户终端供冷，同时也为所述储浆罐充入冷能，基于不同的冷却负载和电力负载，通过所述上述管路上的阀门和所述两个供给泵的开关或启停组合可在五种运行模式之间进行切换。

作为优选，其中在所述储浆罐充冷过程中，储浆罐热端S1处测温仪所测得温度逐渐降低，当热端S1处温度降低到小于相变材料的凝固点和过冷度之差时，所述充冷过程完成，且所述主制冷机被关闭。

作为优选，所述储浆罐放冷过程中，储浆罐冷端S2处测温仪所测得温度逐渐增加，当冷端S2处温度升高到大于相变材料的凝固点和过热度之和时，所述放冷过程结束。

发明的作用与效果如下。

本发明设计的储冷集成冷却系统，使用相变微胶囊液浆作为冷能的存储和输运媒介，无中间二次换热环节，且能显著提升流体在较小的温度范围内的表观比热，使得较小体积的流体拥有了储存大量冷能的能力，同时由于相变微胶囊的运动及其与边界层的相互作用可显著增强内部对流及换热表面的热传热系数。因此，系统的设计不但能够使得换热系统更为小型紧凑，而且充放冷响应迅速，最终实现在小温度变化的基础上存储大量的冷能。此外这些特性使得系统可以使用较小的储浆罐，管道和风扇等，用于泵送介质的功率消耗也可大幅降低。设计的五种可灵活相互切换的运行模式，在让制冷设备以恒定的最佳功率运行的同时，大幅提高了主制冷机的效率和能源的利用率，并能对电力负荷实现高效“移峰填谷”。在供冷放冷模式中，储浆罐存储的冷能对主制冷机的供冷能力是一种扩充，因而可降低主制冷机的装机容量或设计容量。

附图说明

图1为本发明基于相变微胶囊液浆储冷装置的冷却系统的结构示意图。

1-测温点一，2-测温点二，10-主制冷机，11-储浆罐，12-第一供给泵，13-第二供给泵，14-用户终端，15-冷风扇，16-换热盘管。

具体实施方式

以下，将结合附图详细介绍本发明所述的系统组成及其各种运行模式。应当理解，以下描述只是本发明的较佳具体实施例，在不脱离本发明本质的前提下作出的修改或变化，都应在本发明的保护范围之内。因而，附图和描述只是说明性的而不是限制性的。

本系统使用相变微胶囊液浆同时作为冷却系统中冷能的储存和传输介质。该系统直接用液浆与制冷机内的蒸发器换热充冷，也直接将液浆运送到室内用户终端14的风机盘管内供冷，无需中间二次换热环节。相变微胶囊液浆的制备方法如下：采用原位聚合法在相变材料液滴表面形成包腹壳体，干燥后形成稳定的约10微米左右的相变微胶囊，然后按一定的比例均匀散布在载流体中，形成固液两相的液浆。通常相变微胶囊的体积浓度小于25％，以便浆液具备良好的泵送性能和运输性能。液浆的制备过程和在冷却系统中的使用过程完全独立。

在选择相变材料、壳体和载流体时，考虑如下准则：首先，一般认为当空气处于27℃左右时为人类所感受的最适温度，为了达到从处于该舒适温度的空气中有效地抽取热量的目的，所选择的相变材料应该具有足够低的凝固点，即至少低于约27℃。其次，为了获得高效的冷却效果，并能够实现与常规中央空调直接兼容，所选择的相变材料的凝固点应为可从十二烷酸甲酯、十四烷、邻苯二甲酸二丁酯和甲酸等中选择。第三，所选择的壳体材料必须具有足够高的熔点以避免被高温空气熔化，即至少约40℃；同时，壳体材料不能被载流体溶解且不易破裂，可从聚苯乙烯、聚乙烯醇、脲醛树脂和碳化硅等中选择。第四，封装相变材料形成的相变微胶囊的直径应足够小，以保证其可以悬浮在载流体中，确保实现其在载流体中能形成均匀的分散体。第五，载流体必须具有明显低于相变材料的凝固点，以确保其在整个工作范围内(包括停机)必须是液体，且要满足无毒，具有低粘度、高稳定性和合理的成本的需求，可从水、乙二醇、甲苯和氯苯等中选择。最后，在该系统可操作的整个温度范围内载体流体和壳体的上述性质必须得到保持。

系统中的一台储浆罐11，用于储存液浆，有分别位于储浆罐11上部的热端S1和位于储浆罐11下部的冷端S2，在充冷过程中冷端S2为储浆罐11的进口，热端S1为储浆罐11的出口，而在放冷过程中，储浆罐11的进出口反向；储浆罐11进出口分别设置双向阀；冷热端S1分别设有温度监测点，用于控制充放冷的进程；储浆罐11的冷端S2和热端S1(进出口)设有均流布液器或集液器，以保证液浆应在储浆罐11中保持良好的自然分层，以避免冷热液浆的扰动混合，维持储浆罐11出口处液浆温度和相态的稳定。

系统中一台主制冷机10产生冷能，用于给液浆充冷或直接给用户终端14供冷。风机盘管作为用户终端14将液浆的冷能传递给室内空气。若干阀门和管道将主制冷机10、储浆罐11和两台供给泵连接起来，构成三个相互关联的循环，分别是主制冷机10与用户终端14构成的直接供冷循环，主制冷机10与储浆罐11构成的充冷循环，储浆罐11与用户终端14构成的放冷循环。这三个循环既可单独运行也可联合运行，由此可构成五种运行模式，分别是充冷模式、放冷模式、供冷模式、放冷供冷模式和充冷供冷模式。根据冷负载、电力负荷和温度监控，对阀门和供给泵进行开关和启停控制，实现这五种运行模式的相互切换。

如图1所示，一种基于相变微胶囊液浆储冷装置的冷却系统，该冷却系统包括主制冷机10、第一供给泵12、第二供给泵13、储浆罐11、以及用户终端14，所述第二供给泵13用于将主制冷机10产生冷态的相变微胶囊液浆输送至用户终端14换热，然后通过管道L3返回主制冷机10的入口形成一个循环制冷回路；第二供给泵13的出口管道上设有止回阀V6，所述储浆罐11的冷端S2通过管道L2与主制冷机10的出口管道相连，储浆罐11的热端S1通过管道L1与第一供给泵12入口相连，第一供给泵12的出口连接主制冷机10的入口，所述L3管道上依次设有阀门V7和V8，管道L1上依次设有阀门V1和V2，阀门V7和V8之间的L3管道通过连接管道与阀门V1和V2之间管道L1相连，所述主制冷机10的出口管道上依次设有阀门V3和V5，管道L2与阀门V3和V5之间的主制冷机10的出口管道相连，管道L2上还设有阀门V4，通过阀门V1-至V8的切换，该冷却系统形成五种运行模式。

所述管道L1靠近储浆罐11的热端S1处设有测温点一1，所述管道L2靠近储浆罐11的冷端S2处设有测温点二2，所述储浆罐11内也设有测温仪。

储浆罐11两侧的阀门V1和V4为双向阀。储浆罐11中的相变微胶囊液浆用于储存来自主制冷机10的冷能，同时也被用于将冷能最终传输到用户终端14用于冷却空气。该液浆中相变微胶囊和载流体按一定的比例组成；相变微胶囊由固态壳体材料包裹相变材料制作而成；载流体可从水、乙二醇或类似流体中选择。通过调节阀门与第一供给泵12和第二供给泵13的状态，系统可以提供五种不同的运行模式。

第一种运行模式是仅将主制冷机10产生的冷能充进储浆罐11。这种模式通常在夜间电力负载的非高峰时段运行。在开始此模式之前，要确保储浆罐11上部相变微胶囊内部的相变材料为液体，可通过监测储浆罐11上部液浆的温度来予以确认。为了实现该运行模式，阀门开启，其他阀门关闭。液浆借助于第一供给泵12通过管道L1和阀门V1、V2从储浆罐11的热端S1被运送到主制冷机10。当液浆流过主制冷机10时，相变微胶囊的核心相变材料会被冷却直至凝固。携带有固态相变微胶囊的液浆而后通过阀门V3、V4和管道L2从主制冷机10输送到储浆罐11的冷端S2，完成一次充冷的循环。通常，相变材料的不会在到达凝固温度T_c时即发生凝固，会需要一定的过冷度△T₁。在该循环中，位于管道L1上的测温点一1的温度T₁将逐渐降低，当T₁<T_C-△T₁时，充冷过程完成，所有设备关闭。存储在储浆罐11中的冷能可以用于其它运行模式。

第二种运行模式是仅通过释放储浆罐11中冷能来为用户终端14供冷。该模式通常在白天时电力负载的高峰期运行，在该模式中，主制冷机10不工作。为了实现该模式，需要打开阀门V1和并关闭其他阀门。携带了固态相变微胶囊的液浆通过第二供给泵13加压，从储浆罐11的冷端S2经过管道L2和阀门输送到用户终端14。为了避免用户终端14中的被加热的液浆在该模式启动时通过管道L2回流到储浆罐11中，在用户终端14的入口处装有止回阀V6。在用户终端14中，冷风扇15将空气吹过换热盘管16，换热盘管16中的冷液浆冷却。虽然在用户终端14中所示为风扇-盘管单元，但是可依据具体应用使用其它类似的单元部件予以取代。此外，该系统还可以与现有的用户终端14并行地添加更多的用户终端14，以用于多房间建筑。显然，系统还包括合适的恒温控制器(未显示)以控制液浆的流动和冷风扇15的运行。上述工作过程中，由于空气向液浆释放热量，液浆中相变微胶囊内的相变材料在用户终端14内被加热直至熔化成液态。携带有液态相变材料的相变微胶囊的浆料然后通过阀门V7，阀门V2和管道L2从用户终端14返还到储浆罐11的热端S1，完成一次放冷循环。类似地，相变微胶囊内相变材料在熔化时同样需要一定的过热度△T₂。在该循环中，位于管道L2上的测温点二2的温度T₂将逐渐增加。当T₂>T_C+△T₂时，从储浆罐11释放冷能以供冷的过程结束。如果用户终端14仍然需要继续冷却，则系统需要切换到其他模式。

第三种运行模式是仅使用主制冷机10为用户终端14供冷。当储浆罐11中储存的冷能消耗完且用户终端14仍然有制冷需求时，需启动该模式运行。在该运行模式中，浆料只是冷能的输运载体，而不在承担冷能储存介质的功能。为了实现这一模式，需开启阀门V3和同时关闭其他阀门。携带有固态相变材料的相变微胶囊的液浆在第二供给泵13的驱动下从主制冷机10经由阀门V3，V5和V6被输运到用户终端14。在用户终端14中，液浆从空气中吸收热量，相变微胶囊内部的相变材料被熔化成液态。携带有液态相变材料的相变微胶囊的液浆通过管道L3和阀门V7，V8被运输到主制冷机10。主制冷机10为液浆供冷，并再次使相变微胶囊内的相变材料凝固，完成一次供冷循环。该模式中的循环与传统的空调系统类似，不同之处在于在该循环中选择表观比热更大、换热性能更优的相变材料的相变微胶囊浆液为冷能载体。

第四种运行模式是由主制冷机10和储浆罐11联合为用户终端14供冷。当冷负荷需求达到高峰，且上述单一模式不能满足供冷需求时，需启动该运行模式。基于该模式的联合供冷，可以减少主制冷机10的装机容量。为了实现该模式，需开启阀门V1和同时关闭其他阀应。来自储浆罐11冷端S2和主制冷机10的两股冷液浆在阀门V5入口处混合，然后由第二供给泵13驱动，通过止回阀V6流动到用户终端14。类似地，在用户终端14中冷液浆从空气中吸收热量，相变微胶囊内部的相变材料被熔化成液态。被加热后的液浆通过管道L3阀门V7，然后在阀门V7的出口处分离成两股支流。一股支流通过阀门V1返回到储浆罐11的热端S1，另一股支流通过阀门V8返回到主制冷机10，该模式完成一次循环。运行时可根据冷量需求通过阀门的开度来调节两股支流的流量。类似于第二种运行模式，当T₂>T_C+△T₂时，从储浆罐11供冷的放冷过程结束。

第五种运行模式是通过主制冷机10向用户终端14供冷，同时向储浆罐11充冷。当冷却负荷和电力负载都处于非高峰状态，且存储在储浆罐11中的冷能被部分或全部使用时，启动该运行模式。为了实现该模式，需要开启阀门同时关闭其他阀门。来自储浆罐11的热端S1和用户终端14的两股热液浆在阀门V2的入口处混合，然后通过第一供给泵12的驱动流动到主制冷机10中。类似地，液浆在主制冷机10内被冷却，且相变微胶囊中的相变材料凝固成固态。被冷却的液浆在阀V3的出口处分成两股支流。一股支流通过阀门V4返回到储浆罐11，另一股支流通过阀门V5和V6被第二供给泵13输送到用户终端14供冷，该模式完成一次循环。值得注意的是，只有在这种模式下才需要激活两台泵，并且由第一供给泵12输送的流量必须大于由第二供给泵13输送的流量。与第一种运行模式一样，当T₁<T_C-△T₁时，完成储浆罐11的充冷过程。

在充放冷过程中，储浆罐11中的上部液浆温度比下部液浆高。为了保持储浆罐11出口处液浆温度和相态的稳定，液浆应在储浆罐11中保持良好的自然分层，以避免冷热液浆的混合。因此在储浆罐11的冷端S2和热端S1(进出口)设有均流布液器或集液器，以保持不同温度液浆的自然分层。