孔板布水結構對蓄熱性能影響的實驗研究

趙 恒, 王 芃, 吳金龍, 丁 立, 王 威

(1.哈爾濱工業大學 建筑學院, 黑龍江 哈爾濱 150090; 2.寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱 150001)

1 概述

蓄熱水罐是區域供熱系統中平衡供需熱量、利用低谷電儲存熱量的裝置。在蓄熱水罐中,由于冷熱水的密度差,在冷熱水的交界區域形成溫度梯度較大的斜溫層[1],有效控制斜溫層的厚度可以提高蓄熱水罐蓄熱效率及可用能品質[2]。

蓄熱水罐的溫度分層效果與多因素有關,包括水罐和布水器結構、進水流量、進出水溫差等[3]。Ievers等[4]、戈志華等[5]研究發現影響水罐內部熱分層最主要的因素是進口水流造成的擾動,而布水器的設計形式及其結構決定了進口水流的摻混程度,從而影響斜溫層厚度。布水器作為蓄熱水罐中實現水流穩定分層的關鍵部件,能夠使出流更加均勻,對于減少擾動、抑制水流摻混、減小斜溫層厚度具有重要作用。布水器形式多樣,包括八角形、H形和圓形等。Karim[6]對布水器進行了實驗研究,發現八角形布水器比分布式布水器具有更好的性能。Chung等[7]研究表明布水器的幾何結構是影響分層效果的重要因素。王子燁等[8]進行了H形布水器的設計與研究,通過改善布水器孔口的出流區域,控制斜溫層厚度。戈志華等[5]以配置圓形布水器的圓柱形蓄熱水箱為對象進行模擬研究,結果顯示在進水流量一定時,隨著布水器開孔數量增多及開孔直徑變大,斜溫層會減薄。胡國霞[9]對不同開孔間距和開孔直徑的圓形布水器進行實驗,實驗表明開孔間距與開孔高度的比為1～2的布水器的性能更好。

除以上布水器外,還有一種結構更簡單的孔板布水結構,其影響布水性能的主要結構參數為開孔面積和開孔數量。韓延民等[10]通過實驗和數值分析的方法進行研究,結果表明水箱擋板能有效地控制水箱中的湍流耗散。Altuntop等[11]對比了12種不同類型的擋板對罐內溫度場的影響,研究發現,在罐內布置擋板能提高熱分層效果,擋板中間有空隙比邊緣部分有空隙具有更好的分層效果。白鵑[12]發現在蓄熱水罐內添加均流孔板可以明顯減小斜溫層厚度,并且在高雷諾數和弗勞德數下有明顯優勢。

目前已有的研究大多以布水器為研究對象,對孔板布水結構的研究較少。本文以上下裝配孔板的圓柱形蓄熱水罐為研究對象,搭建蓄熱水罐蓄熱性能實驗臺。設計多工況實驗條件,以斜溫層厚度為評價指標,研究孔板布水結構參數(開孔面積比、開孔數量)對蓄熱性能的影響。

2 實驗臺設計

為了使進入蓄熱水罐的水溫穩定,實驗系統按開式系統設計,將供水與回水分置在兩個水箱中。蓄熱水罐蓄熱實驗系統見圖1,安裝完成后實驗臺實景見圖2。

圖1 蓄熱水罐蓄熱實驗系統

圖2 蓄熱水罐蓄熱實驗臺實景

實驗臺主體管道公稱直徑為20 mm,流量計前后過渡段管道公稱直徑為10 mm,均為鋼管。實驗準備階段的高溫水和低溫水由電加熱器制備。實驗臺主要設備和計量儀表主要參數和規格見表1,表1中無型號的設備或計量儀表均為定制。其中流量計前后過渡段管道長度滿足JJG 164—2000《液體流量標準裝置檢定規程》的要求。

實驗蓄熱水罐為圓筒形,內直徑350 mm,外直徑360 mm,內高700 mm,外高720 mm,進出水管公稱直徑均為20 mm。在罐體內,距頂部和底部60 mm處均設置孔板。罐體以上下孔板為界分為3部分,分別為上孔板上部罐體、中間罐體、下孔板下部罐體,通過法蘭連接各部分罐體和固定孔板。罐體外側和管道采用橡塑材料保溫。蓄熱水罐剖面見圖3,圖中標注數值相應的單位均為mm。

圖3 蓄熱水罐剖面(軟件截圖)

在罐體內布置24個溫度測點,測量蓄熱水罐內不同高度的溫度。共分8組,同一高度上的3個測點為一組,測點均在中心截面上,從高到低記為1～8組。測點的水平間距為87 mm,垂直間距為70 mm。

3 實驗原理與方案

3.1 實驗原理

為得到實驗蓄熱水罐入口流速,按原型蓄熱水罐依據相似原理進行計算。

原型蓄熱水罐內高2.8 m,內直徑1.4 m,原型蓄熱水罐結構與實驗蓄熱水罐相同,實驗蓄熱水罐與原型蓄熱水罐相似比0.25,進行相似模化。原型蓄熱水罐供水流量3.35 m3/h,高溫水溫度50 ℃,低溫水溫度20 ℃。計算得出原型蓄熱水罐入口流速為0.185 m/s。依據原型蓄熱水罐結構參數和設計參數確定實驗蓄熱水罐入口流速。

蓄熱水罐蓄熱過程的相似需要滿足幾何相似、流動相似、導熱相似、邊界條件相似[13],具體如下。

① 幾何相似

實驗蓄熱水罐及其他結構與原型蓄熱水罐及其他結構保持幾何形狀相同。

② 流動相似

流動相似可以由雷諾數、歐拉數、弗勞德數表示。由于實驗中水處于封閉的受迫流動狀態,重力影響可以忽略不計,故不考慮弗勞德數。歐拉數為非定性特征數,且其包含的非單值條件為壓差,不是本文研究的對象,故也不考慮歐拉數。因此,流動相似只考慮雷諾數Re。

③ 導熱相似

導熱相似根據導熱方程式[14]推導可知,傅里葉數與貝克來數互為倒數,故只需考慮其中一個,這里考慮貝克來數Pe。存在關系Pr=Pe/Re,普朗特數Pr包含了流體的物理參數,只要保證實驗蓄熱水罐流體與原型蓄熱水罐相同,流體溫度設定相同,就可以滿足兩者的普朗特數相等。因此導熱相似只需要考慮雷諾數即可。

④ 邊界條件相似

本文主要針對蓄熱過程中的斜溫層厚度進行研究,且罐體外部包裹保溫層,罐體散熱對斜溫層的影響可以忽略。

綜上,原型蓄熱水罐與實驗蓄熱水罐的雷諾數相等即可完成相似模化,由此得出實驗蓄熱水罐入口流速計算式為:

(1)

式中u2——實驗蓄熱水罐入口流速,m/s

u1——原型蓄熱水罐入口流速,m/s

C——實驗蓄熱水罐與原型蓄熱水罐相似比

經計算,得出實驗蓄熱水罐入口流速為0.74 m/s。以此入口流速進行相應的實驗。

3.2 實驗步驟

具體試驗步驟如下。

① 進行實驗前,除低溫水箱外的系統內充滿水。開啟水泵,調整調節閥開度,使進入蓄熱水罐的流量穩定在設定流量。

② 通過電加熱器將蓄熱水罐中的水加熱至設定的低溫水溫度,然后調整電加熱器將高溫水箱中的水加熱至設定的高溫水溫度。

③ 將高溫水箱中的高溫水送入蓄熱水罐,排出的低溫水流入低溫水箱。實驗過程中,每6 s記錄一組數據,直至蓄熱水罐出水管處測點8(見圖3)的溫度穩定為高溫水溫度。至此,一次蓄熱實驗完成。

④ 進行下一組實驗時,將蓄熱水罐中的高溫水全部送回高溫水箱,調整實驗條件(如更換孔板)將低溫水箱中的低溫水送入蓄熱水罐,使蓄熱水罐中充滿低溫水。重復步驟②③。

3.3 實驗方案

定義孔板的總開孔面積與蓄熱水罐截面積之比為孔板開孔面積比。根據有無孔板和不同的孔板結構,設計11組實驗方案,同一實驗方案中上下兩孔板的開孔方案保持一致,具體實驗方案及實驗參數見表2,方案0為無孔板的情況。11組實驗方案實驗蓄熱水罐入口流速均為0.74 m/s。

表2 實驗方案及實驗參數

不同開孔面積比的單孔方案及多孔方案開孔位置相同。以方案1和方案6為例,孔的布置見圖4,圖中數值相應的單位為mm。

圖4 方案1和方案6孔板開孔位置(軟件截圖)

3.4 蓄熱性能評價指標

以斜溫層厚度[14]作為蓄熱性能評價指標。本文中的斜溫層厚度指斜溫層溫度范圍對應高度與蓄熱水罐內高之比。斜溫層厚度越小,高低溫水之間的溫度梯度越大,水箱的溫度分層效果越好。

引入無量綱溫度θβ,計算式為:

(2)

式中θβ——無量綱溫度

θ——斜溫層內某點溫度,℃

θC——蓄熱水罐入口溫度,℃,取50 ℃

θH——蓄熱水罐初始溫度,℃,取20 ℃

以無量綱溫度區間為[0.15,0.85]時,流體在蓄熱水罐內的高度來確定斜溫層厚度。按本文的實驗參數計算,斜溫層溫度范圍為[24.5,45.5] ℃。

定義蓄熱水罐蓄熱過程進行時間與空蓄熱水罐充滿所需時間的比值為無量綱時間tβ,表征蓄熱水罐蓄熱、放熱進度的時間尺度。tβ的取值范圍為0～1,tβ=1時高溫水將蓄熱水罐內的低溫水全部置換完畢。

3.5 蓄熱水罐入口溫度控制

蓄熱水罐蓄熱過程中,蓄熱水罐入口溫度是影響罐內高低溫水換熱的重要參數。各方案蓄熱水罐入口溫度隨無量綱時間變化見圖5。

圖5 各方案蓄熱水罐入口溫度隨無量綱時間的變化

由于電加熱器精度原因,無法精確控制高溫水溫度在50 ℃、低溫水溫度在20 ℃,各個方案的高、低溫水溫度不同。電加熱器控制的高溫水溫度范圍為[49.5,50.5] ℃,控制的低溫水溫度范圍為[19.5,20.5] ℃。

由圖5可見,tβ=0.1時,蓄熱水罐入口溫度與高溫水溫度相差2 ℃左右,無量綱時間tβ≤0.4時,蓄熱水罐入口溫度并未達到高溫水溫度,這是電加熱器至蓄熱水罐之間的管段內存有低溫水,低溫水與高溫水換熱導致。無量綱時間tβ≥0.5時,各方案入口溫度基本穩定在高溫水溫度,部分方案高溫水溫度較高。各方案蓄熱水罐入口溫度在tβ=0.6時均穩定在高溫水溫度范圍。

4 實驗結果與分析

4.1 孔板開孔數量對蓄熱性能的影響

① 對斜溫層持續時間的影響

對比無孔方案0、單孔方案1和多孔方案6的實驗結果,分析無孔、單孔、多孔孔板結構在蓄熱水罐內的布水作用。在不同時刻下方案0、方案1、方案6蓄熱過程罐內各組測點平均溫度分布見圖6。

圖6 在不同時刻下方案0、方案1、方案6蓄熱過程罐內各組測點平均溫度分布

由圖6可見,罐內斜溫層隨時間在罐內逐漸由上向下移動。斜溫層所在位置溫度梯度較大,其他位置溫度梯度較小。

根據圖6a,無孔板時,蓄熱水罐斜溫層在0.2≤tβ≤0.3時生成,在tβ=0.5后消失;根據圖6b、6c,布置單孔和多孔孔板時,蓄熱水罐斜溫層在0.2≤tβ≤0.3時生成,tβ=0.6后消失,說明布置孔板后無量綱時間為0.6時的斜率會比布置之前的斜率大,意味著斜溫層持續時間增加。在蓄熱水罐中布置孔板,可以有效延長蓄熱過程中斜溫層的持續時間。

② 對斜溫層厚度的影響

根據蓄熱水罐內溫度分布,插值估算斜溫層厚度,在不同時刻下方案0、方案1、方案6蓄熱過程斜溫層厚度變化見圖7。

圖7 在不同時刻下方案0、方案1、方案6蓄熱過程斜溫層厚度變化

由圖7可見,在蓄熱過程中無孔板和布置孔板蓄熱水罐內的斜溫層厚度隨無量綱時間的變化趨勢大致相同,布置單孔和多孔孔板后的斜溫層厚度均小于無孔板方案。

4.2 孔板開孔面積比對蓄熱性能影響

為研究單孔和多孔孔板開孔面積比對蓄熱性能的影響,分別繪制單孔方案1～5和多孔方案6～10蓄熱過程中斜溫層厚度隨開孔面積比的變化曲線,見圖8。

圖8 單孔和多孔孔板斜溫層厚度隨開孔面積比的變化

對于單孔方案,由圖8a可見,開孔面積比為0.1、0.2時,斜溫層厚度隨蓄熱時間增加的變化趨勢相同。在開孔面積比為0.2時,斜溫層厚度變化幅度降低,斜溫層厚度減小。開孔面積比大于0.2時,斜溫層厚度隨蓄熱時間增加波動幅度變大,斜溫層穩定性降低。對比各單孔方案的斜溫層厚度,在開孔面積比為0.2時,斜溫層最穩定,且厚度較小。

對于多孔方案,由圖8b可見,在0.3≤tβ≤0.5時,斜溫層厚度隨開孔面積比的變化趨勢相近,在開孔面積比為0.2時,斜溫層厚度最小。tβ=0.6時,斜溫層只在開孔面積比為0.1、0.2時存在,開孔面積比大于0.2時,斜溫層消失。

5 結論

① 在蓄熱水罐中布置孔板,可以有效延長蓄熱過程中斜溫層的持續時間,減小生成的斜溫層厚度。

② 對于單孔、多孔孔板方案,最佳開孔面積比均為0.2。