儲熱水箱分層特性的研究

, , , 黃杰

(上海理工大學(xué) 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(xué) 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(tǒng)以及家用電加熱熱水器中,是決定集熱系統(tǒng)和熱水器性能的關(guān)鍵因素之一,儲熱水箱分層效果的好壞決定了集熱系統(tǒng)的效率及熱水器的熱水出水量.繪制了直接進(jìn)口和三層孔板兩種儲熱水箱結(jié)構(gòu)圖,通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)系統(tǒng),搭建儲熱水箱分層特性測試試驗(yàn)臺,收集了兩種結(jié)構(gòu)水箱在相同的初始水溫、不同流量時(shí)水箱各層溫度隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)并繪制成圖.同時(shí)基于熱力學(xué)定律,分析對比了相同進(jìn)口結(jié)構(gòu)、相同初始進(jìn)出水溫差取出效率隨時(shí)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(jié)構(gòu)的MIX數(shù)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(xué)

隨著環(huán)境惡化的日益加劇,作為環(huán)保能源之一的太陽能越來越受到人們的重視,目前應(yīng)用較為廣泛的是太陽能集熱系統(tǒng).儲熱水箱是太陽能集熱系統(tǒng)中非常重要的部件,具有能量調(diào)配和節(jié)能的作用.由于太陽能輻射的間歇性以及使用的不規(guī)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(gè)集熱系統(tǒng)的效率.因此,對儲熱水箱的性能分析逐漸成為研究熱點(diǎn).

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(jìn)口溫度越低,熱量的利用率越高,太陽能集熱系統(tǒng)的效率也就越高.而溫度分層效果受到多個(gè)參數(shù)的影響,包括水箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、流量進(jìn)口位置及幾何尺寸、進(jìn)出水口的溫差、進(jìn)水流量等因素[1].這些因素主要影響著水箱內(nèi)部的摻混作用,即對雷諾數(shù)Re的影響.Oró等[2]指出,理查遜數(shù)(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(nèi)部分層性能的參數(shù).理查遜數(shù)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(nèi)部安裝三層孔板,改變了水箱內(nèi)水的摻混效果,起到了調(diào)節(jié)水箱內(nèi)部溫度分層的作用.搭建了水箱分層特性測試試驗(yàn)臺,并從溫度分布、體積、能量等角度分析了兩種不同結(jié)構(gòu)的儲熱水箱的熱量利用效率.

1 試驗(yàn)臺搭建及測試

儲熱水箱分層特性研究試驗(yàn)臺由穩(wěn)壓水箱、球閥、變頻水泵、手動調(diào)節(jié)閥、儲熱水箱以及PPR連接管路組成,圖1為試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖.

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of experimental system

儲熱水箱設(shè)計(jì)高度為60 cm,直徑35.7 cm,內(nèi)部容積60 L,實(shí)測內(nèi)部儲水質(zhì)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(nèi)部儲水質(zhì)量按61 kg來計(jì)算.水箱內(nèi)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(jìn)水口,有利于水箱內(nèi)部熱水的循環(huán)以及溫度的均勻分布.水箱底部為進(jìn)水口.圖2和圖3為兩種水箱的結(jié)構(gòu)示意圖.

圖2 直接進(jìn)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(yàn)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(jìn)出水口各布置1根鉑電阻,從水箱進(jìn)水口到出水口均勻布置16根鉑電阻測量水溫,依次標(biāo)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(jìn)水中心距離為7.5 cm,理論上認(rèn)為水箱內(nèi)每一層的溫度分布是均勻的,所以測溫端距離進(jìn)水中心的距離對本試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)的影響忽略不計(jì).試驗(yàn)開始前,經(jīng)油浴恒溫槽校準(zhǔn),達(dá)到精度范圍,16根鉑電阻將測得的溫度數(shù)據(jù)傳送至安捷倫34970數(shù)據(jù)采集器并可上傳至電腦軟件.采用上海橫河電機(jī)有限公司出品的數(shù)字式渦街流量計(jì)測量試驗(yàn)流量,精度精確到讀數(shù)的1%.水箱四壁及進(jìn)出水口用保溫材料保溫,近似可認(rèn)為與環(huán)境無熱交換.運(yùn)行試驗(yàn),從開始進(jìn)水瞬間記錄直至水箱出水溫度下降到接近進(jìn)水溫度時(shí),停止數(shù)據(jù)采集,進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存和分析.本次試驗(yàn)利用電加熱和內(nèi)部循環(huán)的方式將水箱內(nèi)水溫加熱至(50±0.3)℃.

試驗(yàn)步驟:

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

(2) 關(guān)閉球閥6和球閥7,調(diào)整手動調(diào)節(jié)閥開度及變頻水泵頻率,達(dá)到需要測試的流量.在調(diào)節(jié)過程中,應(yīng)盡量保證穩(wěn)壓水箱液位的穩(wěn)定,以期盡可能小地減少液位對水流量的影響.

(3) 關(guān)閉球閥1、球閥3及球閥9,關(guān)閉變頻水泵,打開球閥6及球閥7,開啟循環(huán)水泵,開啟電加熱,使得儲熱水箱內(nèi)部溫度逐步循環(huán)加熱至既定溫度(50±0.3)℃.開啟安捷倫34970數(shù)據(jù)采集器的掃描功能,實(shí)時(shí)將水箱各層溫度傳送至電腦軟件,以便監(jiān)測.

(4) 停止水箱電加熱,此時(shí)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(xù)運(yùn)行循環(huán)水泵至水箱內(nèi)部溫度均勻.之后關(guān)閉循環(huán)水泵,關(guān)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(shí)間,以便查閱數(shù)據(jù).

(5) 記錄水箱實(shí)時(shí)出水流量.

(6) 待水箱出水溫度下降到接近進(jìn)水溫度時(shí),停止數(shù)據(jù)采集,進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存和分析.

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1進(jìn)水流量對儲熱水箱分層特性的影響

2.1.1溫度-時(shí)間曲線

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

圖4 50 ℃直接進(jìn)口不同流量水箱各溫度測點(diǎn)溫度隨時(shí)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(jìn)口不同流量水箱出水溫度隨時(shí)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(jié)構(gòu)出水曲線存在明顯的差異,這是由水箱結(jié)構(gòu)決定的.水箱各層溫度在維持各自的“持續(xù)”時(shí)間后,會出現(xiàn)急劇下滑,后逐步趨向進(jìn)水溫度.每條曲線都存在一個(gè)溫度突變的拐點(diǎn),此拐點(diǎn)的出現(xiàn)表明該層水體的原始溫度被破壞,于冷水的進(jìn)入導(dǎo)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(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間比小流量的早.

表1 50 ℃直接進(jìn)口不同流量水箱出水?dāng)?shù)據(jù)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(diǎn)溫度隨時(shí)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(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度曲線和數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):在直接進(jìn)口的水箱內(nèi),溫度曲線呈現(xiàn)“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(shí)間縮短,說明流量增大后,混合效應(yīng)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(jìn)水口的溫度之差較大,說明進(jìn)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(shí)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?dāng)?shù)據(jù)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(xiàn)“魚尾”狀,曲線形狀介于直接進(jìn)口與盒狀結(jié)構(gòu)之間.隨著流量的增大,曲線逐步收縮.水箱溫度一致后與進(jìn)水溫度的差值比直接進(jìn)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(jìn)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(jìn)水速度;t10%為進(jìn)出水溫差從初始溫差值下降10%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間;10%是一個(gè)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(xiàn)[4]中提出的公式計(jì)算不同流量時(shí)的取出效率,即進(jìn)出水溫差從初始溫差值下降10%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間與理論上將水箱中的水置換一遍所需時(shí)間之比.計(jì)算結(jié)果如表3所示.

表3 相同進(jìn)口結(jié)構(gòu)、相同初始進(jìn)出水溫差時(shí)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(shù)據(jù)繪制成相同進(jìn)水結(jié)構(gòu)、相同初始進(jìn)出水溫差時(shí)取出效率隨流量的變化圖,如圖8所示.

圖8 相同結(jié)構(gòu)、相同初始進(jìn)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(fā)現(xiàn):直接進(jìn)口相同初始進(jìn)出水溫差儲熱水箱隨流量的增大而降低,且呈現(xiàn)近似線性下降的規(guī)律.這是因?yàn)?隨著進(jìn)水流量的增大,進(jìn)口流速增大,混合效應(yīng)超過了自然分層,水流經(jīng)進(jìn)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(dǎo)致出水口溫度維持初始水箱中的水溫的時(shí)間縮短,取出效率下降.

三層孔板取出效率隨流量變化的規(guī)律與直接進(jìn)口相似,也是呈現(xiàn)流量增大取出效率下降的規(guī)律.但因?yàn)榭装逵行У刈韪袅讼蛏系乃?減少了進(jìn)水對水箱內(nèi)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(xiàn)直線下降,并高于直接進(jìn)口水箱.

2.2水箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(yàn)水箱、完全混合水箱的“能量矩”.

一個(gè)水箱MIX數(shù)的值可以由試驗(yàn)測定的溫度曲線以及相對應(yīng)的完美分層和完全混合的水箱的溫度曲線得到.

MIX數(shù)是一個(gè)介于0～1的值,MIX=1,水箱完全混合,即任意時(shí)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(jìn)行,無高溫?zé)崴袄渌g的溫度過渡區(qū)域,冷熱水邊界處溫度梯度無窮大.

在試驗(yàn)水箱中,可以測出每塊水平層的平均溫度,計(jì)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(jì)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(jì)算MIX數(shù)時(shí)應(yīng)使水箱的總能量相等.對于完美分層水箱,計(jì)算時(shí),水箱分成兩個(gè)部分,高溫部分溫度為出水溫度,低溫部分溫度為進(jìn)水溫度.

圖9 50 ℃,1.1 kg·min-1不同結(jié)構(gòu)MIX數(shù)隨無量綱時(shí)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(jié)構(gòu)MIX數(shù)隨無量綱時(shí)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(jié)構(gòu)MIX數(shù)均在1附近.這是因?yàn)樗涫蔷鶆虻?0 ℃完全混合狀態(tài),后冷水進(jìn)入,形成分層,MIX數(shù)急速下降到0.1左右.隨著過程的進(jìn)行,直接進(jìn)口MIX數(shù)呈現(xiàn)快速上升的趨勢,后出現(xiàn)局部震蕩.三層孔板MIX數(shù)也呈現(xiàn)逐步上升的趨勢,但上升速度相較于直接進(jìn)口緩慢.總體而言,直接進(jìn)口的MIX數(shù)要大于三層孔板的MIX數(shù).

直接進(jìn)口MIX數(shù)最大,且震蕩劇烈,尤其在大流量時(shí)更為明顯,這是由于擾動對于水箱溫度場的影響,進(jìn)而影響到MIX數(shù)的值.三層孔板的MIX數(shù)值較直接進(jìn)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(gè)置換過程的后期,MIX數(shù)快速上升說明水箱內(nèi)分層明顯的,一旦將熱水全部推出,又重新達(dá)到了冷水的近似完全混合的狀態(tài).而不會像直接進(jìn)口那樣,持續(xù)很長時(shí)間,水箱中的溫度仍然是不均勻的,進(jìn)入水箱的冷水的推擠作用十分有限.表4列出了一個(gè)無量綱時(shí)間、不同結(jié)構(gòu)的MIX數(shù).

表4 不同結(jié)構(gòu)的MIX數(shù)Tab.4 Different structures’ MIX number

3 結(jié) 論

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

對比了相同進(jìn)口結(jié)構(gòu)、相同初始進(jìn)出水溫差取出效率隨時(shí)間的變化.發(fā)現(xiàn):直接進(jìn)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(jìn)口,對水箱內(nèi)溫度分層的保護(hù)效果也更好.

對比了不同結(jié)構(gòu)的MIX數(shù)對儲熱水箱分層性能的影響,在一個(gè)無量綱時(shí)間內(nèi),三層孔板的MIX數(shù)更小,距離完美分層更近,說明三層孔板起到了提高水箱內(nèi)部溫度分層的作用,有利于提高水箱內(nèi)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(dǎo)體制冷方向研究. E-mail: m13262732257@163.com

TM911.4

A