一種承壓太陽(yáng)能儲(chǔ)熱水箱放水特性的試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析

翟立軍， 高文峰， 劉 滔， 林文賢， 劉佰紅， 王 輝

(云南師范大學(xué)太陽(yáng)能研究所，教育部可再生能源材料先進(jìn)技術(shù)與制備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明 650500)

?

一種承壓太陽(yáng)能儲(chǔ)熱水箱放水特性的試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析

翟立軍， 高文峰*， 劉 滔， 林文賢， 劉佰紅， 王 輝

(云南師范大學(xué)太陽(yáng)能研究所，教育部可再生能源材料先進(jìn)技術(shù)與制備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明 650500)

摘要[目的]研究在入口水溫不變、3種不同入口流量下的一種承壓太陽(yáng)能儲(chǔ)熱水箱的放水特征。[方法]采用試驗(yàn)、數(shù)值模擬結(jié)合的方法，對(duì)承壓太陽(yáng)能儲(chǔ)熱水箱放水特性進(jìn)行模擬分析。[結(jié)果]根據(jù)放水曲線特征可將其分為3個(gè)階段：高溫穩(wěn)定階段、溫度快速下降階段和低溫穩(wěn)定階段。入口水溫一定時(shí)，各階段持續(xù)時(shí)間均與水箱入口進(jìn)水速度有關(guān)，水箱放熱效率隨流速增大而降低，數(shù)值模擬結(jié)果的放水曲線與試驗(yàn)結(jié)果基本相同，放熱效率也大致相同。[結(jié)論]該研究可為太陽(yáng)能熱水器工程及其質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞試驗(yàn)測(cè)試；數(shù)值模擬；放水特征；放熱效率

太陽(yáng)能是一種清潔可再生能源，同其他常規(guī)能源相比，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：太陽(yáng)能無(wú)窮無(wú)盡、使用方便且成本低廉，其在轉(zhuǎn)換以及使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生污染。太陽(yáng)能雖受時(shí)間、天氣、地區(qū)差異的影響，但其在地球上分布廣泛且取之不盡，故被廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中。常見(jiàn)的家用太陽(yáng)能熱水器主要部件是由儲(chǔ)熱水箱和集熱器2個(gè)部分組成。太陽(yáng)能儲(chǔ)熱水箱的性能決定了其使用壽命的長(zhǎng)短，因而對(duì)其深入地了解和掌握尤為重要。Colle[1]利用一系列方法對(duì)儲(chǔ)熱水箱保溫層的厚度及其所用材料進(jìn)行測(cè)試分析，得出了降低熱量損失的方法。Brinkworth[2]及Andres等[3]為研究帶有水箱的太陽(yáng)能集熱器熱性能不僅對(duì)其建立了模型，而且還進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。也有其他研究人員利用試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)水箱中溫度的分層現(xiàn)象進(jìn)行了分析[4-5]。國(guó)內(nèi)也有學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能儲(chǔ)熱水箱進(jìn)行了研究，如張森等[6]對(duì)太陽(yáng)儲(chǔ)熱水箱的散熱和保溫性能進(jìn)行研究；林文賢等[7]及李琳[8]對(duì)儲(chǔ)熱水箱的瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，林文賢等采用有限體積法對(duì)水箱進(jìn)行數(shù)值模擬求解，研究了將熱水注入儲(chǔ)熱水箱后短時(shí)間內(nèi)的瞬態(tài)過(guò)程，分析了其主要特點(diǎn)；而李琳采用不同進(jìn)水速度和不同溫度研究水箱內(nèi)部混水特性；二者均視水箱內(nèi)初始溫度場(chǎng)為均勻分布。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于太陽(yáng)能水箱的研究還比較少，鑒于此，筆者通過(guò)試驗(yàn)對(duì)儲(chǔ)熱水箱的放水特性進(jìn)行測(cè)量，利用FLUENT軟件對(duì)水箱不同入口速度下的放水特性進(jìn)行模擬分析，得到儲(chǔ)水箱的放水曲線和放熱效率，并將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以期為太陽(yáng)能熱水器工程及質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料試驗(yàn)選取的儲(chǔ)熱水箱容量約為150 L，水箱為立式圓柱形水箱，高970 mm，出口與入口直徑均為25 mm、底部直徑450 mm，其中心位置離水箱頂部和底部均為50 mm，其內(nèi)膽外層聚氨酯保溫層厚度約為45 mm，進(jìn)口與出口管道均伸入到水箱中心處。儲(chǔ)熱水箱的內(nèi)膽截面及三維幾何模型如圖1所示。所用儀器為T(mén)RM-2太陽(yáng)能測(cè)試系統(tǒng)(圖2a)和鉑電阻溫度傳感器(圖2b)。測(cè)試過(guò)程中需要記錄的數(shù)據(jù)有環(huán)境溫度、水箱初始溫度、入口溫度、出口溫度及流速，4個(gè)溫度均由TRM-2太陽(yáng)能測(cè)試系統(tǒng)和鉑電阻溫度傳感器相連接并自動(dòng)記錄，頻率為1次/min。

1.2試驗(yàn)方法將測(cè)試裝置安裝在云南師范大學(xué)國(guó)家質(zhì)檢中心實(shí)驗(yàn)地，水箱垂直放置于測(cè)試臺(tái)。測(cè)試前，將水箱內(nèi)注滿(334.5±1)K的熱水，并在水箱進(jìn)水口與出水口布置溫度探頭。試驗(yàn)中，水箱內(nèi)水溫為334 K，打開(kāi)閥門(mén)并觀察測(cè)試臺(tái)，通過(guò)手動(dòng)設(shè)為某一固定入口流速，待其值穩(wěn)定后開(kāi)始記錄進(jìn)出口水的溫度數(shù)據(jù)，直到出口溫度與入口溫度一致時(shí)，停止試驗(yàn)。入口流速為2 L/min時(shí)測(cè)試時(shí)間約為120 min；入口流速為5 L/min時(shí)測(cè)試時(shí)間約為50 min；入口流速為8 L/min時(shí)測(cè)試時(shí)間約為30 min。在試驗(yàn)中保持入口進(jìn)水、出口出水，直至試驗(yàn)結(jié)束，將測(cè)試的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，通過(guò)ORIGIN軟件繪制放水曲線圖。最后根據(jù)下列公式計(jì)算3種不同流速下的放熱效率，并將其結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析。

(1)

式中，Q總為水箱內(nèi)的總熱量(J)；V為水箱體積(m3)；ρ為密度(kg/m3)；T1為初始溫度(℃);T2為最終溫度(℃)；Cp為比容熱[J/(kg·℃)]。

(2)

式中，η放為放熱效率(%)；Q放為放出水的熱量(J)；Q總為水箱內(nèi)的總熱量(J)。

2結(jié)果與分析

2.1放水曲線分析圖3為水箱內(nèi)溫度為334 K時(shí)的3種不同進(jìn)口流速下的放水曲線，觀察其特征可分為3個(gè)階段：①高溫穩(wěn)定階段。這一階段，水箱內(nèi)的水溫恒定在334 K，當(dāng)冷水不斷注入水箱底部，由于冷水密度高，將水箱中的高溫水不斷從出水口頂出，同時(shí)，在水箱底部熱水出現(xiàn)摻混情況，由于冷水層和摻混層還尚未影響到水箱中的高溫水層，因而形成了高溫穩(wěn)定階段；②溫度快速下降階段。在這一階段，隨著冷、熱水不斷的摻混，溫度過(guò)渡層逐漸達(dá)到了水箱出水口位置，冷、熱水摻混層溫差較大，所以放水曲線成快速下降階段；③低溫穩(wěn)定階段。這一階段，過(guò)渡層基本全部排出，水箱內(nèi)幾乎充滿與入口水溫相同的冷水，所以放水曲線處于低溫穩(wěn)定。

注：a.儲(chǔ)熱水箱內(nèi)膽截面；b.水箱三維幾何模型。Note: a. The heat storage water tank inner section; b. Water tank three dimensional geometric model. 圖1　儲(chǔ)熱水箱模型 Fig.1　Model of heat storage water tank

注：a.TRM-2太陽(yáng)能測(cè)試系統(tǒng)；b.鉑電阻溫度傳感器。Note: a. TRM-2 solar energy testing system; b. Rtd temperature sensor. 圖2　試驗(yàn)儀器Fig.2　Test instrument

圖3　3種流速下的放水曲線對(duì)比Fig.3　Comparison of discharge curves of three inlet velocities

2.2放熱效率分析利用公式(1)和(2)得出在一定入口水溫下的不同流速所對(duì)應(yīng)的放熱效率。結(jié)果顯示，放熱效率隨流速的增大而減小，流速為2 L/min時(shí)水箱放熱效率最高，為95.03%，其次是5 L/min流速的放熱效率，為92.68%，效率最差的是8 L/min的高流速，放熱效率為91.33%；總體來(lái)看，3種流速的放熱效率相差較小，其值均大于90.00%。

3數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

利用試驗(yàn)中流速為5 L/min的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析，描繪水箱放水過(guò)程，并對(duì)放水曲線、放熱效率及溫度分層度進(jìn)行分析。圖4為進(jìn)水時(shí)間分別為150、1 000、1 850 s時(shí)的水箱放水過(guò)程的模擬結(jié)果。由圖4可知，開(kāi)始進(jìn)水階段，隨著冷水不斷進(jìn)入水箱內(nèi)部，冷水與水箱內(nèi)的熱水混合，溫度分層現(xiàn)象慢慢出現(xiàn)；進(jìn)入第2階段，隨著水箱內(nèi)冷水越來(lái)越多，過(guò)渡層形成且不斷穩(wěn)定上升；末尾階段，冷水不斷進(jìn)入水箱，熱水通過(guò)出口基本全部排出，過(guò)渡層到達(dá)水箱頂部位置。

圖4　不同時(shí)刻溫度云圖Fig.4　The temperature clouds at different moments

圖5為FLUENT數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)試得出的同一入口溫度及流速條件下的放水曲線。由圖5可知，試驗(yàn)與數(shù)值模擬曲線基本一致。高溫階段，放水曲線接近一致，但模擬計(jì)算中的放水曲線持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，因?yàn)樵贔LUENT模擬分析時(shí)，水箱壁面設(shè)置為絕熱的邊界條件，即沒(méi)有熱量的損失，所以試驗(yàn)測(cè)試的時(shí)間沒(méi)有模擬的時(shí)間久。溫度迅速下滑階段曲線也基本一致，僅試驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間稍長(zhǎng)一些；低溫階段曲線也基本保持一致。

圖5　數(shù)值模擬與試驗(yàn)對(duì)比Fig.5　The comparation of numerical simulation and experiment

FLUENT數(shù)值模擬的放熱效率為92.62%，試驗(yàn)中的放熱效率為92.68%，可見(jiàn)，模擬的放熱效率與試驗(yàn)測(cè)試的放熱效率基本一致。

4結(jié)論

(1)在儲(chǔ)熱水箱入口水溫不變、3種不同的入口流量下，可將放水曲線分為3個(gè)階段，各階段持續(xù)時(shí)間均與水箱入口進(jìn)水速度有關(guān)。

(2)在入口水溫一定的前提下，儲(chǔ)熱水箱的放熱效率與流速有關(guān)，表現(xiàn)為放熱效率隨著流速的增大而減小。

(3)通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)模擬的放水曲線與試驗(yàn)的趨勢(shì)一致，放熱效率幾乎相同。

參考文獻(xiàn)

[1] COLLE S，ABREU S L，GLITZ K，et al. Optimization of the auxiliary heating and water storage insulation of a low cost domestic hot water heating system with an electric shower[C]//Proceedings of ISES 2001 solar world congress.Adelaide,South Australia:International Solar Energy Society,2001.

[2] BRINKWORTH B J. Solar DHW system performance correlation revisited[J].Journal of solar energy engineering，2001，71(4)：377-387.

[3] ANDRES C A,LOPEZ J M. TRNSYS model of a thermosyphon solar domestic water heater with a horizontal store and mantle heat[J]. Journal of solar energy engineering，2002，72(2)：89-98.

[4] KUNDSEN S,FURBO S,SHAH L J. Design of inlet to the mantle in a vertical mantle storage tank Adelaide,South Australia:Internation solar energy society[C]//Proceedings of ISES 2001 solar world congress.Adelaide,South Australia:International Solar Energy Society,2001.

[5] SHAH L J,ANDERSEN E,FURBO S，et al.Entrance effects in solar hot water stores[C]//Proceedings of ISES 2001 solar world congress.Adelaide,South Australia:International Solar Energy Society,2001.

[6] 張森，程偉良，孫東紅，等.太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)儲(chǔ)熱水箱散熱機(jī)理分析研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010，26(1)：73-76.

[7] 林文賢， ARMFIELD S W，劉滔.用基于非交錯(cuò)網(wǎng)格的有限體積法數(shù)值模擬煮熱水箱中的瞬態(tài)過(guò)程[J].新能源，1998，20(5)：1-8.

[8] 李琳.太陽(yáng)能熱水器貯熱水箱內(nèi)混水特性的數(shù)值模擬分析[D].昆明：云南師范大學(xué)，2008.

[9] 溫正，石良臣，任毅如.FLUENT流體計(jì)算應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金(51266016，51469035)。

作者簡(jiǎn)介翟立軍(1988- )，男，山西陽(yáng)泉人，碩士研究生，研究方向：太陽(yáng)能熱利用及計(jì)算流體力學(xué)。*通訊作者，副教授，從事太陽(yáng)能熱利用及計(jì)算流體力學(xué)研究。

收稿日期2016-04-08

中圖分類號(hào)S 214

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)14-055-03

Experimental and Numerical Analysis on Discharge Characteristics of a Pressurized Solar Heat Storage Water Tank

ZHAI Li-jun, GAO Wen-feng*, LIU Tao et al

(Key Laboratory of Advanced Technique & Preparation for Renewable Energy Materials of the Ministry of Education, Solar Energy Research Institute, Yunnan Normal University, Kunming, Yunnan 650500)

Abstract[Objective] The discharge characteristics of a pressurized solar heat storage water tank under three different inlet velocities were studied. [Method] Using experimental and numerical simulation methods, discharge characteristics of a pressurized solar heat storage water tank were analyzed. [Result] The temperature of the discharged water undergoes three stages: stable high-temperature stage, rapid decrease stage and stable low temperature stage. The time durations of these stages were related with the inlet velocity. Discharge efficiency of the heat storage water tank decreased with the increase of inlet velocity. It was found that the discharge curves and discharge efficiency between numerical simulation and experiment were basically same. [Conclusion] The study can provide scientific theoretical guidance for the project of solar water heaters and quality inspection standards.

Key wordsExperiment test; Numerical simulation; Discharge characteristic; Heat release efficiency