一種帶有新型分水器的儲熱水箱分層特性的實驗研究

王崇愿　張 華　王子龍

(上海理工大學制冷及低溫工程研究所　上海　200093)

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一種帶有新型分水器的儲熱水箱分層特性的實驗研究

王崇愿張 華王子龍

(上海理工大學制冷及低溫工程研究所上海200093)

搭建了帶有新型分水器的儲熱水箱分層特性測試的實驗臺，測試并繪制了在水箱初始溫度50 ℃，進水溫度20 ℃，流量1.18 L/min、3.19 L/min、5.20 L/min時，水箱各層溫度隨時間變化的曲線。結果顯示，流量越大，溫度曲線突變段的斜率越大，分層破壞越明顯。并在熱力學第一定律、熱力學第二定律的基礎上，用體積、能量分析和分析的評價指標對水箱的分層特性進行了研究，結果顯示，在流量為1.18 L/min、3.19 L/min、5.20 L/min時的取出效率分別為93.7%、95.7%、96.7%，用能效率分別為98.2%、95.7%、92.3%，三組流量都具有較高的取出效率和用能效率，無量綱時間為0.7時，無量綱分別為13.3%、14.6%、17.6%，大流量相較于小流量分層效果更差。

太陽能；分層；儲熱水箱；分水器；用能效率；無量綱

儲熱水箱在太陽能集熱系統、熱泵熱水器系統、電加熱熱水器中有著廣泛的應用，是負荷管理和節能的重要設備[1]。在一個家用電加熱水箱中，用電加熱給水箱中的水加熱并以顯熱的形式儲存，從水箱下部進入的冷水將儲存的熱能從水箱上部擠出。在水箱中，由于密度的差異，存在著溫度分層，密度較小的熱水上浮，而密度較大的冷水下沉，在兩者之間存在著混合層，稱為斜溫層[2]。水箱的溫度分層能夠使得冷熱水的摻混降低并提高熱水出水量。

韓延民等[3]在文章中提到，對于溫度分層的影響因素，大多考察理查遜數(Ri=Gr/Re2)的影響。它是表征浮升力和流動中的慣性力之比的量度，Ri≤3.6時水箱進口結構對溫度分層產生影響。也就是說，在正常進口Ri數較小時通過增加分水器，改變進水口形狀，改變進水方向和流速等可以有效地提高水箱的溫度分層效果。李陽等[4]對長方體水箱安裝開槽型進口和直接進口，分析對比了5 L/min、10 L/min、15 L/min流量下不同進口結構水箱用能效率的變化情況。Mari E G等[5]在文章中對比了燒結青銅錐形進口和常規的肘型進口對水箱分層的影響。Li S H等[6]研究了直接進口、開槽型進口以及淋噴頭式進口對水箱性能的影響，結果發現，開槽型進口能在水箱中實現更好的分層，相同流量下具有最高的用能效率。此外，中外的學者分別提出了不同的指標對水箱的分層特性進行表征，如MIX number[7-8]、Str數[9]、斜溫層厚度[10]等。

1 實驗臺及測試過程

儲熱水箱分層特性測試實驗臺由儲熱水箱、穩壓水箱、變頻水泵、PPR連接管路、球閥、手動調節閥組成，圖1為實驗系統原理圖。儲熱水箱高60 cm，直徑35.7 cm，內部容積60 L，內部插有1.5 kW電加熱，桶壁沿高度方向布置14根鉑電阻，以測試水箱各層溫度。水箱底部為進水口，進水口焊接分水器，具體結構如圖2、圖3所示，進水口布置1根鉑電阻以測試進水溫度。水箱頂部出水，出水口布置1根鉑電阻，以測試出水溫度。從水箱出水口到進水口依次標號1-16，鉑電阻采用上海自動化儀表三廠A級鉑電阻，精度0.15 ℃。水箱四壁及進出水口用保溫材料保溫，近似可以認為與環境無換熱。

實驗步驟：

1)調節進出水流量，閥1、2、3、4、5均打開，保證出水口有水流出，即保證水箱滿水。關閉閥4，調節變頻水泵轉速和手動調節閥開度使出水流量達到實驗要求值，流量采用稱重法測量，需要注意應保證穩壓水箱的液位基本穩定，減少液位對流量的影響。

2)關閉閥1、3，開啟電加熱，將水箱內溫度加熱到50 ℃左右，此時由于水的密度不同造成溫度不均，上層溫度較高，下層溫度較低，需要進行循環以使得水箱溫度均勻。

3)閥3、4打開，閥5關閉，開啟變頻泵使水箱內的水進行內部循環，逐步使得水箱內的溫度趨于一致，如果溫度較50 ℃低，需要進一步開啟電加熱。最終使得水箱內部溫度上下比較均勻地達到50 ℃，實驗時在±0.3 ℃以內。

4)水箱各個位置的鉑電阻將溫度傳送到溫度采集儀安捷倫34970上，安捷倫與電腦進行通訊，將測得的溫度值顯示在數據采集軟件上。打開數據采集軟件，打開閥1、5，關閉閥4，同時記下時間，以方便查閱最終數據。用稱重法進行實際流量的測量，保持穩壓水箱液位的穩定，將多次測量測得的流量進行平均作為最終流量。待水箱出水溫度下降到接近進水溫度時，停止數據采集，進行數據的保存和分析。

圖1 實驗系統原理圖Fig.1 Schematic of experimental system

圖2 分水器結構示意圖Fig.2 Schematic of the stratifier structure

圖3 分水器結構三維圖Fig.3 The three-dimensional structure of the stratifer

2 實驗數據分析

2.1 溫度-時間曲線

圖4所示為當流量分別為1.18 L/min、3.19 L/min、5.20 L/min時水箱不同位置測點溫度隨時間的變化圖。三張圖顯示了相同的規律，不同的溫度測點在經歷各自不同的時間后都會出現溫度的急劇下降這一突變過程，這里的突變指的是，在安捷倫溫度采集儀兩次采集點(間隔10 s)溫度梯度出現較大變化的現象。

圖4 水箱不同位置測點溫度隨時間變化圖Fig.4 Variation of temperature in each layer with time

圖5 三種不同流量水箱不同溫度測點溫度隨時間變化圖Fig.5 Variation of temperature in each layer with time at different flow rate

圖5為在1.18 L/min、3.19 L/min、5.20 L/min三組不同流量下，水箱出水口、水箱中部、水箱進水口三個位置溫度隨時間的變化在一張圖上的顯示。由圖可以看出，進水口測點，三組流量具有幾乎相同的曲線，在水箱中部和出水口，相同時間時，小流量具有更高的溫度。觀察出水口溫度曲線(1測點)可以發現，5.2 L/min具有更大的斜率，這顯然是可以理解的。大流量進水比小流量更容易造成冷熱水摻混，加劇水箱分層的破壞。

2.2 溫度-無量綱時間曲線

圖6所示為水箱不同溫度測點隨無量綱時間的變化圖，定義無量綱時間：

圖6 水箱不同位置測點溫度隨無量綱時間變化圖Fig.6 Variation of temperature in each layer with dimensionless time

(1)

式中：t為從放水瞬間開始所經歷的時間，min；T為在理想活塞流情況下，將水箱內的水全部置換一遍所需時間，min。理想活塞流是指冷水進水過程就像活塞運動，逐漸將熱水推出，過程沒有摻混和換熱。

(2)

式中：V為水箱容積，L；Q為進水流量，L/min。

由圖可以發現，三組不同流量的溫度-無量綱時間曲線近乎相同，出水溫度急劇變化的拐點也都是出現在t*=0.9～1.0之間。

2.3 取出效率

Hegazy A A[11]在文章中定義了取出效率(extraction efficiency)

(3)

取出效率表示的是水箱進出水溫差下降至某一規定值所經歷的時間與理想活塞流一個置換時間的比值。其中，10%的規定是一個比較主觀的值，其他文章中也有規定為20%。在本文中，用出水水溫下降1 ℃計算取出效率。1.18 L/min時，經歷2860 s，出水水溫由50 ℃下降至49 ℃，取出效率為93.7%；3.19 L/min時，經歷1080 s，出水水溫由50 ℃下降至49 ℃，取出效率為95.7%；5.20 L/min時，經歷670 s，出水水溫由50 ℃下降至49 ℃，取出效率為96.7%。對于不同的流量，取出效率差別不大，因而用以體積形式給出的取出效率來表征儲熱水箱的溫度分層特性的合理性是值得商榷的。

2.4 用能效率

用能效率(discharge efficiency)是一個隨時間變化的值，它被定義為從水箱中累計出水所含能量與水箱初始所含能量之比[12]：

(4)

(5)

(6)

式中：ηd(t)為用能效率；Eout(t)為累計出水所含能量，J；Est(t=0)為水箱初始所含能量，J；ρ為水的密度，kg/m3；v為體積流量m3/s；cp為水的定壓比熱容，J/(kg·K)；Tout為出水溫度， ℃；Tin為進水溫度， ℃；n為以每根鉑電阻為中心，將水箱分成的塊數，n=16;Tj為第j塊溫度， ℃。

Zurigat Y H等[13]在文章中定義用能效率時，所取的時間為出水口與進水口溫差下降20%時所經歷的時間。本文則計算的是t*=1時，各個流量下的用能效率。計算時，Eout(t)用出水溫度的曲線所圍面積計算。結果顯示，在t*=1時，1.18 L/min，用能效率為98.2%；3.19 L/min，用能效率為95.7%；5.20 L/min，用能效率為92.3%。用能效率隨著流量的增加呈現下降的趨勢，但都保持在較高的用能效率。

(7)

(8)

(9)

式中:E為水箱總能量，J；n為以鉑電阻為中心，將水箱分成的塊數，n=16；mi為每一塊的質量，kg；cp為水的定壓比熱容，J/(kg·K)；Ti為每一塊的溫度，以絕對溫度計算，K；T0為參考溫度，取T0=293.15 K。

圖7 無量綱隨時間變化圖Fig.13 Variation of exergy efficiency with time

圖8 三種流量無量綱隨時間變化圖Fig.8 Variation of exergy efficiency with time at different flow rate

3 結論

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About the corresponding author

Wang Chongyuan, male, master, Institute of Refrigeration & Cryogenics, University of Shanghai for Science and Technology,+86 21-55275542, E-mail:wangchong_yuan@126.com. Research fields: water storage tank.

Experimental Analysis of the Stratification Characteristics of a Water Storage Tank with New Stratifier

Wang ChongyuanZhang HuaWang Zilong

(Institute of Refrigeration and Cryogenics, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093,China)

Test rig is established to measure the stratification characteristics of a water storage tank with new stratifier. When the initial temperature of the tank is 50 ℃ and the inlet temperature of the water is 20 ℃, the temperature of each layer in the tank is measured when the flow rate is 1.18 L/min,3.19 L/min,5.20 L/min respectively. The results show that, when the larger the flow rate is, the larger is the slope of the sudden change in temperature curves, the destruction of stratification is more obvious. Based on the first law of thermodynamics and the second law of thermodynamics, the methods of volume, energy and exergy are used to describe the stratification characteristics of the tank. The results show that, when the flow rate is1.18 L/min,3.19 L/min,5.20 L/min respectively, the extraction efficiency is 93.7%, 95.7%, 96.7% respectively; the discharge efficiency is 98.2%, 95.7%, 92.3% respectively, which indicate that high extraction efficiency and discharge efficiency is got in three flow rates; when the dimensionless time is 0.7, the exergy efficiency is 13.3%, 14.6%, 17.6% respectively, and the stratification is worse for high flow rate than that with low flow rate.

solar energy; stratification; storage tank; stratifier; discharge efficiency; dimensionless exergy

0253- 4339(2016) 04- 0070- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.04.070

2015年7月3日

TK114；TK513

A

簡介

王崇愿，男，碩士研究生，上海理工大學制冷及低溫工程研究所，(021)55275542，E-mail：wangchong_yuan@126.com。研究方向：儲熱水箱。