儲熱水箱分層特性的研究

, , , 黃杰

(上海理工大學 制冷及低溫工程研究所, 上海 200093)

文章編號：2096-2983(2017)05-0273-07DOI：10.13258/j.cnki.nmme.2017.05.005

儲熱水箱分層特性的研究

黃 震,王子龍,張華,黃華杰

(上海理工大學 制冷及低溫工程研究所, 上海200093)

儲熱水箱被廣泛使用在太陽能集熱系統以及家用電加熱熱水器中,是決定集熱系統和熱水器性能的關鍵因素之一,儲熱水箱分層效果的好壞決定了集熱系統的效率及熱水器的熱水出水量.繪制了直接進口和三層孔板兩種儲熱水箱結構圖,通過設計試驗系統,搭建儲熱水箱分層特性測試試驗臺,收集了兩種結構水箱在相同的初始水溫、不同流量時水箱各層溫度隨時間的變化數據并繪制成圖.同時基于熱力學定律,分析對比了相同進口結構、相同初始進出水溫差取出效率隨時間的變化.在初始溫度50℃、流量為1.1和4.2kg·min-1的工況下,對比了不同結構的MIX數對儲熱水箱分層性能的影響.

儲熱水箱; 溫度分層; 流量; 效率; 熱力學

隨著環境惡化的日益加劇,作為環保能源之一的太陽能越來越受到人們的重視,目前應用較為廣泛的是太陽能集熱系統.儲熱水箱是太陽能集熱系統中非常重要的部件,具有能量調配和節能的作用.由于太陽能輻射的間歇性以及使用的不規律性,使得儲熱水箱的作用十分突出,其儲熱性能直接影響著整個集熱系統的效率.因此,對儲熱水箱的性能分析逐漸成為研究熱點.

一系列研究表明,儲熱水箱的利用效率受溫度分層影響,溫度分層越明顯,水箱的進口溫度越低,熱量的利用率越高,太陽能集熱系統的效率也就越高.而溫度分層效果受到多個參數的影響,包括水箱結構設計、流量進口位置及幾何尺寸、進出水口的溫差、進水流量等因素[1].這些因素主要影響著水箱內部的摻混作用,即對雷諾數Re的影響.Oró等[2]指出,理查遜數(Ri=Gr/Re2)表征了浮升力和摻混力比值的大小,可以用來作為度量儲熱水箱內部分層性能的參數.理查遜數越大表明水箱的分層效果越好,反之則意味著水箱的摻混程度較大,分層效果較差.本文通過在儲熱水箱內部安裝三層孔板,改變了水箱內水的摻混效果,起到了調節水箱內部溫度分層的作用.搭建了水箱分層特性測試試驗臺,并從溫度分布、體積、能量等角度分析了兩種不同結構的儲熱水箱的熱量利用效率.

1 試驗臺搭建及測試

儲熱水箱分層特性研究試驗臺由穩壓水箱、球閥、變頻水泵、手動調節閥、儲熱水箱以及PPR連接管路組成,圖1為試驗系統原理圖.

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

儲熱水箱設計高度為60 cm,直徑35.7 cm,內部容積60 L,實測內部儲水質量為62.34 kg(測試溫度為8.6 ℃),考慮密度的影響,換算后水箱內部儲水質量按61 kg來計算.水箱內部插有1.5 kW電加熱器,電加熱器安裝在水箱底部,盡可能地靠近進水口,有利于水箱內部熱水的循環以及溫度的均勻分布.水箱底部為進水口.圖2和圖3為兩種水箱的結構示意圖.

圖2 直接進口式水箱Fig.2 Direct import water storage tank

圖3 三層孔板式水箱Fig.3 Three-plate orifice storage tank

試驗采用上海自動化儀表三廠A級鉑電阻作為測溫電阻,精度為0.15 ℃,進出水口各布置1根鉑電阻,從水箱進水口到出水口均勻布置16根鉑電阻測量水溫,依次標號1～16,鉑電阻的間隔距離為4 cm.鉑電阻長度為10 cm,測溫端距離水箱的進水中心距離為7.5 cm,理論上認為水箱內每一層的溫度分布是均勻的,所以測溫端距離進水中心的距離對本試驗測量數據的影響忽略不計.試驗開始前,經油浴恒溫槽校準,達到精度范圍,16根鉑電阻將測得的溫度數據傳送至安捷倫34970數據采集器并可上傳至電腦軟件.采用上海橫河電機有限公司出品的數字式渦街流量計測量試驗流量,精度精確到讀數的1%.水箱四壁及進出水口用保溫材料保溫,近似可認為與環境無熱交換.運行試驗,從開始進水瞬間記錄直至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.本次試驗利用電加熱和內部循環的方式將水箱內水溫加熱至(50±0.3)℃.

試驗步驟:

(1) 關閉球閥4,將系統其他所有球閥及手動調節閥打開,開啟變頻水泵,保證出水口水流通暢,調節水箱頂部排氣孔,使管路及儲熱水箱中充滿水(無空氣).

(2) 關閉球閥6和球閥7,調整手動調節閥開度及變頻水泵頻率,達到需要測試的流量.在調節過程中,應盡量保證穩壓水箱液位的穩定,以期盡可能小地減少液位對水流量的影響.

(3) 關閉球閥1、球閥3及球閥9,關閉變頻水泵,打開球閥6及球閥7,開啟循環水泵,開啟電加熱,使得儲熱水箱內部溫度逐步循環加熱至既定溫度(50±0.3)℃.開啟安捷倫34970數據采集器的掃描功能,實時將水箱各層溫度傳送至電腦軟件,以便監測.

(4) 停止水箱電加熱,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,繼續運行循環水泵至水箱內部溫度均勻.之后關閉循環水泵,關閉球閥6和球閥7,打開球閥9,打開球閥3及球閥1,開啟變頻水泵,出水開始.記錄出水開始時間,以便查閱數據.

(5) 記錄水箱實時出水流量.

(6) 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.

2 試驗數據分析

2.1進水流量對儲熱水箱分層特性的影響

2.1.1溫度-時間曲線

圖4和圖5繪制了直接進口、三層孔板結構在初始水溫50 ℃時(進水溫度基本一致)不同流量下水箱各層溫度隨時間的變化,以及出水口溫度對比曲線.

圖4 50 ℃直接進口不同流量水箱各溫度測點溫度隨時間變化圖Fig.4 Image of the temperature change of tank’s temperature measurements over time under the condition of 50 ℃ initial water temperature,directly import and different flow

圖5 50 ℃直接進口不同流量水箱出水溫度隨時間變化圖Fig.5 Image of tank outlet water’s temperature change over time under the condition of 50 ℃ initial water temperature,directly import and different flow

可以看出,不同結構出水曲線存在明顯的差異,這是由水箱結構決定的.水箱各層溫度在維持各自的“持續”時間后,會出現急劇下滑,后逐步趨向進水溫度.每條曲線都存在一個溫度突變的拐點,此拐點的出現表明該層水體的原始溫度被破壞,于冷水的進入導致冷熱水摻混,熱水層被推向出水口,使該層水體溫度下降.大流量出水溫度的拐點出現的時間比小流量的早.

表1 50 ℃直接進口不同流量水箱出水數據表Tab.1 Data of outlet water under the condition of 50 ℃ initial water temperature,directly import and different flow

圖6 50 ℃三層孔板不同流量水箱各溫度測點溫度隨時間變化圖Fig.6 Image of the temperature change of tank’s temperature measurements over time under the condition of 50 ℃ initial water temperature,three-plate orifice and different flow

觀察水箱50 ℃初始水溫在不同水箱結構內的溫度曲線和數據可以發現:在直接進口的水箱內,溫度曲線呈現“老鼠”狀,隨著流量的增大,曲線逐步收縮,各層水溫趨于一致的時間縮短,說明流量增大后,混合效應加大,更容易使各層溫度一致,但各層水溫趨于一致后的溫度與進水口的溫度之差較大,說明進水沒有將水箱中的水逐層推出就流向了出水口.

圖7 50 ℃水箱初始水溫三層孔板不同流量水箱出水溫度隨時間變化圖Fig.7 Image of tank outlet water’s temperature change over time under the condition of 50℃ initial water temperature,three-plate orifice and different flow

表2 50 ℃水箱初始水溫三層孔板不同流量出水數據表Tab.2 Data of outlet water under the condition of 50 ℃ initial water temperature,three-plate orifice and different flow

三層孔板初始水溫50 ℃溫度曲線呈現“魚尾”狀,曲線形狀介于直接進口與盒狀結構之間.隨著流量的增大,曲線逐步收縮.水箱溫度一致后與進水溫度的差值比直接進口小,在1～2 ℃左右,表明三層孔板的水箱熱量利用情況要好于直接進口的水箱.

2.1.2不同流量取出效率的對比

Lavan等[3]首次提出的概念,Hegazy[4]在文章中定義:

(1)

式中:v為進水速度;t10%為進出水溫差從初始溫差值下降10%時所經歷的時間;10%是一個比較主觀的值;Vst為水箱容積.

反映了水箱分層情況的好壞.采用文獻[4]中提出的公式計算不同流量時的取出效率,即進出水溫差從初始溫差值下降10%時所經歷的時間與理論上將水箱中的水置換一遍所需時間之比.計算結果如表3所示.

表3 相同進口結構、相同初始進出水溫差時隨流量的變化Tab.3 Extraction efficiency change with flow under the condition of same import structure and initial temperature difference of in and out water

將表3中數據繪制成相同進水結構、相同初始進出水溫差時取出效率隨流量的變化圖,如圖8所示.

圖8 相同結構、相同初始進出水溫差取出效率隨流量的變化圖Fig.8 Image of extraction efficiency change with flow under the condition of same structure and initial temperature difference of in and out water

可以發現:直接進口相同初始進出水溫差儲熱水箱隨流量的增大而降低,且呈現近似線性下降的規律.這是因為,隨著進水流量的增大,進口流速增大,混合效應超過了自然分層,水流經進水口直接豎直向上噴出,流向出水口,破壞了水箱中水體的冷熱水的自然分層,流量越大,越加劇冷熱水的摻混,導致出水口溫度維持初始水箱中的水溫的時間縮短,取出效率下降.

三層孔板取出效率隨流量變化的規律與直接進口相似,也是呈現流量增大取出效率下降的規律.但因為孔板有效地阻隔了向上的水流,減少了進水對水箱內溫度分層的破壞和冷熱水的摻混.因此,三層孔板的取出效率沒有出現直線下降,并高于直接進口水箱.

2.2水箱內部結構對水箱分層特性的影響

(2)

式中:Mstr,Mexp,Mmix分別為完美分層水箱、試驗水箱、完全混合水箱的“能量矩”.

一個水箱MIX數的值可以由試驗測定的溫度曲線以及相對應的完美分層和完全混合的水箱的溫度曲線得到.

MIX數是一個介于0～1的值,MIX=1,水箱完全混合,即任意時刻水箱具有均勻的溫度;MIX=0,水箱完美分層,出水過程以理想活塞流進行,無高溫熱水及冷水間的溫度過渡區域,冷熱水邊界處溫度梯度無窮大.

在試驗水箱中,可以測出每塊水平層的平均溫度,計算出每塊水平層的能量.將測試水箱以鉑電阻為中心分塊,計算每塊的能量與距離水箱底部距離的乘積,再求和,即得測試水箱的M值.計算MIX數時應使水箱的總能量相等.對于完美分層水箱,計算時,水箱分成兩個部分,高溫部分溫度為出水溫度,低溫部分溫度為進水溫度.

圖9 50 ℃,1.1 kg·min-1不同結構MIX數隨無量綱時間的變化Fig.9 Different structures’ MIX number change with the dimensionless time under the condition of 1.1 kg·min-1 flow

圖10 50 ℃,4.2 kg·min-1不同結構MIX數隨無量綱時間的變化Fig.10 Different structures’ MIX number change with the dimensionless time under the condition of 4.2 kg·min-1 flow

圖9所示,水箱初始水溫50 ℃、流量1.1 kg·min-1,出水開始瞬間,兩種結構MIX數均在1附近.這是因為水箱是均勻的50 ℃完全混合狀態,后冷水進入,形成分層,MIX數急速下降到0.1左右.隨著過程的進行,直接進口MIX數呈現快速上升的趨勢,后出現局部震蕩.三層孔板MIX數也呈現逐步上升的趨勢,但上升速度相較于直接進口緩慢.總體而言,直接進口的MIX數要大于三層孔板的MIX數.

直接進口MIX數最大,且震蕩劇烈,尤其在大流量時更為明顯,這是由于擾動對于水箱溫度場的影響,進而影響到MIX數的值.三層孔板的MIX數值較直接進口小,呈逐步平緩上升的趨勢,說明水箱的分層是逐步惡化的.在一個置換過程的后期,MIX數快速上升說明水箱內分層明顯的,一旦將熱水全部推出,又重新達到了冷水的近似完全混合的狀態.而不會像直接進口那樣,持續很長時間,水箱中的溫度仍然是不均勻的,進入水箱的冷水的推擠作用十分有限.表4列出了一個無量綱時間、不同結構的MIX數.

表4 不同結構的MIX數Tab.4 Different structures’ MIX number

3 結 論

本文繪制了直接進口、三層孔板兩種儲熱水箱結構,兩種水箱在相同初始水溫、不同流量時水箱各層溫度隨時間的變化圖.隨著流量的增大,不同結構水箱同一測點溫度更快地出現溫度的拐點,溫度下降得更快,說明流量增大后,混合效應加大,更容易使各層溫度一致.直接進口結構儲熱水箱水箱各層溫度趨于一致后與進水溫度的差值Δt相較三層孔板結構儲熱水箱更大,且隨著流量增大,Δt增大.

對比了相同進口結構、相同初始進出水溫差取出效率隨時間的變化.發現:直接進口取出效率隨流量呈線性下降;三層孔板取出效率也隨流量逐步下降,但下降速度明顯低于直接進口,對水箱內溫度分層的保護效果也更好.

對比了不同結構的MIX數對儲熱水箱分層性能的影響,在一個無量綱時間內,三層孔板的MIX數更小,距離完美分層更近,說明三層孔板起到了提高水箱內部溫度分層的作用,有利于提高水箱內熱量的利用率.

[1] ZUTIGAT Y H,LICHE P R,GHAJAR A J.Influence of inlet geometry on mixing in thermocline thermal energy storage[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,1991,34(1):115-125.

[3] LAVAN Z,THOMPSON J.Experimental study of thermally stratified hot water storage tanks[J].Solar Energy,1977,19(5):519-524.

[4] HEGAZY A A.Effect of inlet design on the performance of storage-type domestic electrical water heaters[J].Applied Energy,2007,84(12):1338-1355.

[5] DAVIDSON J H,ADAMS D A.A coefficient to characterize mixing in solar water storage tanks[J].Journal of Solar Energy Engineering,1994,116(2):94-99.

[6] ANDERSEN E,FURBO S,FAN J H.Multilayer fabric stratification pipes for solar tanks[J].Solar Energy,2007,81(10):1219-1226.

ExperimentalAnalysisofStratificationCharacteristicsofaNewWaterStorageTank

HUANG Zhen,WANGZilong,ZHANGHua,HUANGHuajie

(School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Water storage tank is widely applied in solar heating systems and household electrical calorifier.It is one of the key factors that determines the performance of heating system and calorifier,and its stratification effect determines the efficiency of heating system and the outlet of hot water.In this article,structure charts of two different heat storage tank(direct import and three-hole orifice) are drawn.The experimental system and the construction of stratification test-bed was designed.The change data of the temperature of each layer in the water tank at the same initial water temperature and different flow rate were collected and plotted.Meanwhile,based on the law of thermodynamics,the change of the extraction efficiency of the same imported structure and the same initial inlet/outlet water temperature is analyzed and compared.Under the condition of initial temperature of 50 ℃,when the flow rate was 1.1 and 4.2 kg·min-1respectively,the influence of MIX number of different structure on the layered performance of heat storage tank was compared.

heat storage tank; temperature stratification; flow; efficiency; thermodynamics

2017-2-23

黃 震(1992—),男,碩士研究生. 研究方向: 半導體制冷方向研究. E-mail: m13262732257@163.com

TM911.4

A