矩形水箱保溫過程數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究

唐景春, 孟曉磊, 張 健

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

矩形水箱保溫過程數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究

唐景春1, 孟曉磊1, 張 健2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

文章對(duì)矩形太陽能蓄熱水箱在保溫過程中的溫度場進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,并對(duì)水箱內(nèi)部流體出現(xiàn)的溫度分層現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)研究。數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明:矩形水箱在蓄熱結(jié)束后,其內(nèi)部流體已經(jīng)形成一定的溫度梯度;在38 h試驗(yàn)時(shí)間內(nèi),水箱中下部溫度分層良好,即水箱內(nèi)部流體各測點(diǎn)溫度均沒有出現(xiàn)較大的溫度波動(dòng),基本呈線性下降趨勢。壁面的對(duì)流換熱以及頂部檢修口的漏熱,是水箱內(nèi)部流體溫度分層現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合工程實(shí)際,該文提出了太陽能蓄熱循環(huán)溫差設(shè)置的改進(jìn)方式。

數(shù)值計(jì)算;試驗(yàn);矩形水箱;溫度分層;漏熱

0 引 言

根據(jù)住建部專家統(tǒng)計(jì), 建筑能耗約占全社會(huì)總能耗的30%,其中熱水供應(yīng)、采暖約占中國建筑總能耗的25%左右[1]。太陽能跨季節(jié)蓄熱采暖系統(tǒng)蓄存的熱量不僅可用于建筑物采暖、熱水供應(yīng)等,還可應(yīng)用于電力、制冷、食品等多個(gè)行業(yè),該技術(shù)的應(yīng)用可大幅度降低不可再生能源消耗。

以水作為蓄熱介質(zhì)的中低溫蓄熱技術(shù)是太陽能跨季節(jié)蓄熱采暖的關(guān)鍵技術(shù),水箱作為太陽能跨季節(jié)蓄熱采暖系統(tǒng)的主要組成部分之一,其性能對(duì)系統(tǒng)整體效率有著重要的影響。

目前,已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)圓柱形蓄熱水箱的工作過程進(jìn)行了研究分析。文獻(xiàn)[2]對(duì)分層水箱做了試驗(yàn)研究,研究表明擴(kuò)散和壁面導(dǎo)熱會(huì)減弱和破壞水箱分層程度;文獻(xiàn)[3]對(duì)帶有保溫層的豎直圓柱形水箱的保溫過程進(jìn)行了數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究,研究表明圓柱形水箱的保溫過程分為非穩(wěn)態(tài)與準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)2個(gè)階段。然而,當(dāng)水箱容量超過30 t(低于1 000 t)時(shí),圓柱形水箱的制造、運(yùn)輸成本會(huì)大幅上升。

矩形水箱具有強(qiáng)度高、重量輕等優(yōu)點(diǎn),在工程中可以根據(jù)場地情況現(xiàn)場拼裝焊接,比圓柱形水箱有更高的土地利用率。文獻(xiàn)[4-5]對(duì)臥式熱分區(qū)水箱儲(chǔ)能過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究,討論了低理查遜數(shù)對(duì)水箱近壁面擾動(dòng)的影響,但對(duì)其保溫過程研究不足。在保溫過程中,水箱內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)溫度分層現(xiàn)象,良好的溫度分層不僅可以降低集熱器進(jìn)口溫度,提高集熱器效率,還能增加可利用的熱水量,提高太陽能保證率(solar fraction)[6]。因此,本文采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)矩形水箱保溫過程溫度分層過程與機(jī)理進(jìn)行了研究。

1 太陽能跨季節(jié)儲(chǔ)熱試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)平臺(tái)原理如圖1所示。系統(tǒng)由U型管集熱器、板式換熱器、蓄熱水箱、傳感器以及其他閥門組件構(gòu)成。系統(tǒng)循環(huán)采用溫差控制原理,當(dāng)太陽能集熱器出口處水溫與水箱內(nèi)水溫差值達(dá)到設(shè)定值時(shí),溫差循環(huán)泵開始工作,從太陽能集熱器出來的熱水通過板式換熱器與蓄熱水箱的水進(jìn)行熱量交換,將熱量儲(chǔ)存在水箱內(nèi)部。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)原理圖

儲(chǔ)熱水箱為矩形,如圖2所示。水箱由沖壓成形的不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)板(1 m×1 m,厚0.75 mm)焊接而成,1 m×1 m的單元體上沖有深度為60 mm、半徑r為1 084 mm的球冠,水箱頂部預(yù)留檢修口,直徑D=500 mm。水箱各壁面均包裹有硬質(zhì)聚氨酯保溫材料,厚度為50 mm。

圖2 水箱示意圖

試驗(yàn)測量了水箱豎直方向溫度隨時(shí)間的變化。在水箱的豎直方向,均勻布置了5個(gè)溫度變送器(PT100,T1～T5),溫度變送器精度為0.2%。試驗(yàn)初始條件如下:① 系統(tǒng)蓄熱過程中管道流速為0.814 m/s,蓄熱結(jié)束后,5個(gè)測點(diǎn)(自上而下)的水溫分別為322.702、323.279、323.924、322.256、321.806 K;② 室溫為289.15 K;③ 試驗(yàn)持續(xù)時(shí)長為38 h。試驗(yàn)期間,溫差換熱循環(huán)裝置關(guān)閉,水箱與集熱器沒有熱量交換。

2 數(shù)學(xué)模型與邊界條件

當(dāng)水溫高于4 ℃時(shí)，水的密度隨水溫的升高而減小。儲(chǔ)熱水箱中由于壁面對(duì)流換熱等因素產(chǎn)生的低溫?zé)崴畷?huì)因密度大而聚集在水箱的底部，高溫?zé)崴畡t會(huì)因密度較小而浮升到水箱的上部，從而實(shí)現(xiàn)不同溫度的水在水箱內(nèi)的溫度分區(qū)。

(1) 建立水箱液體區(qū)域的無量綱瞬態(tài)控制方程,連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程分別如下:

(1)

其中,Ti、ui、p分別為量綱為1時(shí)的溫度、速度、壓力;Re為雷諾數(shù);Ri為理查遜數(shù),Ri=Gr/Re2(Gr為格拉曉夫數(shù));Pe為貝克萊數(shù),Pe=Re×Pr,Pr為普朗特?cái)?shù),Pr=ν/a，a為擴(kuò)散率,ν為液體的運(yùn)動(dòng)黏度;T為液體溫度;k為液體的導(dǎo)熱系數(shù)。

(2) 矩形水箱在保溫過程中,熱傳導(dǎo)導(dǎo)致的熱損失量[7]為:

(2)

其中,A為保溫材料表面積;Z為傳熱時(shí)間;λ為聚氨酯材料導(dǎo)熱系數(shù);δ為保溫層厚度;Δt1為熱水與環(huán)境間的溫差。

3 數(shù)值模擬

本文使用有限體積法對(duì)上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解[3]。為縮短計(jì)算時(shí)間,簡化計(jì)算模型,忽略了水箱初始的溫度分層以及檢修口、進(jìn)出水管對(duì)水箱的影響。

數(shù)值計(jì)算設(shè)置的初始條件為:水箱內(nèi)部水溫325.15 K,環(huán)境溫度289.15 K,水箱外壁面與環(huán)境對(duì)流換熱系數(shù)取10 W/(m2·K)[3];水箱底部加載10 ℃溫度載荷。保溫材料厚度設(shè)置為50 mm。設(shè)置水的密度為溫度的函數(shù)。壓力與速度耦合采用壓力隱式分裂算子算法,采用二階迎風(fēng)格式離散動(dòng)量項(xiàng)與能量項(xiàng)[8-12]。

仿真結(jié)束時(shí),水箱最終溫度云圖如圖3所示。由圖3可以看出,水箱中上部水溫較高,且溫度分布較為均勻;中下部水溫變化較為明顯,有良好的溫度分層,此現(xiàn)象在文獻(xiàn)[3]中也有論述。受地面低溫影響,水箱底部水溫較低。水箱壁面附近水溫均低于同一水平面其他區(qū)域水溫。

圖3 溫度云圖

使用Fluent軟件分析水箱內(nèi)部速度場,流體300 s與25 000 s時(shí)的速度云圖分別如圖4所示。由圖4可知，水箱內(nèi)部的速度場雖然處于很小的量級(jí)(10-3～10-5m/s),但是水箱始終處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程,正是由于這些流體的不斷流動(dòng),水箱內(nèi)部才會(huì)出現(xiàn)溫度的分層。

初始時(shí)刻,由于水箱與外界環(huán)境溫差較大,對(duì)流換熱較強(qiáng),產(chǎn)生的冷流體相對(duì)速度較大,不斷向下流動(dòng),熱流體不斷向上浮動(dòng)(見圖4a);上壁面處的冷流體在向下流動(dòng)時(shí),會(huì)排開周圍的液體[3](見圖4b)。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,水箱溫度整體降低,與外界環(huán)境溫差逐漸減小,對(duì)流換熱不斷減弱,速度沿z軸負(fù)向(豎直向下)的流體不斷減少,速度也不斷降低,水箱內(nèi)部最終達(dá)到一個(gè)平衡的狀態(tài)。由于側(cè)壁面不斷向外散熱,側(cè)壁面附近始終存在不斷向下流動(dòng)的冷流體(見圖4)。下壁面在散熱過程中也會(huì)產(chǎn)生溫度相對(duì)較低的冷流體,該部分冷流體相對(duì)密度較大,對(duì)水箱速度場并無較大的影響。水箱內(nèi)部冷流體不斷向下運(yùn)動(dòng),熱流體不斷向上運(yùn)動(dòng),兩股流體交匯混合,因此在圖4b中,有大部分區(qū)域處于-2.671×10-5～ 4.735×10-5m/s。

(a) 300 s

(b) 25 000 s

4 試驗(yàn)分析

(1) 在試驗(yàn)過程中,各測溫點(diǎn)處的溫度基本呈線性下降,如圖5所示。38 h試驗(yàn)時(shí)間內(nèi),水箱溫度降幅約為4.81 ℃,總熱損失約為20 198.30 kJ;水箱熱傳導(dǎo)導(dǎo)致的熱損失量可以由公式(2)計(jì)算得到,約為13 384.24 kJ。由此得出檢修口處的漏熱量約為6 814.06 kJ,占總熱損失的33.74%。

圖5 各測點(diǎn)溫度變化曲線

(2) 在試驗(yàn)過程中,水箱內(nèi)部并沒有出現(xiàn)自上而下的溫度遞減現(xiàn)象。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,水箱中部的水溫度最高,以此為界,水溫向上和向下均出現(xiàn)遞減現(xiàn)象,而上部水溫梯度較小。由于計(jì)算機(jī)仿真忽略了水箱頂部檢修口與外界的傳質(zhì)與傳熱,因而在圖3中,水箱中上部溫度較為均勻,未呈現(xiàn)明顯的溫度梯度。由此可見,檢修口處的漏熱對(duì)水箱中上部溫度分布有較大的影響。

(3) 圖5中曲線5的線性度較差,由2個(gè)方面因素造成:① 水箱置于地面,底面散熱較強(qiáng),對(duì)該處水溫產(chǎn)生了較大的影響;② 上壁面、側(cè)壁面對(duì)流換熱以及檢修口漏熱產(chǎn)生的冷流體不斷向下流動(dòng),對(duì)底部流體溫度產(chǎn)生了一定的影響。

(4) 相鄰測點(diǎn)溫差值的曲線如圖6所示。

圖6 相鄰測點(diǎn)的溫差曲線

測點(diǎn)2、1間溫差逐漸增大,測點(diǎn)3、2間溫差逐漸減小,測點(diǎn)3、4間溫差基本恒定不變。隨著水箱溫度的整體降低,冷、熱流體相對(duì)密度差逐漸減小,聚集在水箱頂部的冷流體逐漸增多,水箱上部溫度梯度逐漸減小。由于分析(3)中2種因素產(chǎn)生的冷流體聚集在水箱底部,且體積逐漸增大,地面的低溫使其加速向上擴(kuò)散,致使水箱下部溫度分層受到一定的破壞。因此,在5～25 h,測點(diǎn)4、5間溫差在逐漸增大,而30 h后,該差值有減小的趨勢。

(5) 測點(diǎn)3和測點(diǎn)5之間的溫差最大，達(dá)至2.75 ℃,測點(diǎn)1、5間的溫差最高達(dá)1.6 ℃。在實(shí)際工程當(dāng)中,循環(huán)溫差(集熱器出口處的水溫與水箱底部水溫的差值)達(dá)到5 ℃時(shí)[13],溫差循環(huán)泵啟動(dòng),系統(tǒng)開始蓄熱。隨著水箱高度的增加,水箱內(nèi)部溫度梯度會(huì)進(jìn)一步增大,文獻(xiàn)[14]研究表明,在沒有機(jī)械擾動(dòng)的前提下,容積為450 L的水箱,水箱頂部與底部的溫差最高可達(dá)32.4 ℃。故水箱底部的流體經(jīng)過管道以及換熱器之后,其溫度依然會(huì)低于頂部流體溫度。

絕大多數(shù)情況下,儲(chǔ)熱水箱的蓄熱過程和放熱過程會(huì)同時(shí)進(jìn)行,這種循環(huán)溫差的設(shè)置方式不僅會(huì)造成循環(huán)泵頻繁啟動(dòng),浪費(fèi)電力能源,縮短控制系統(tǒng)與循環(huán)泵的壽命;而且會(huì)擾亂水箱已經(jīng)形成的溫度分層,增加輔助熱源的能源消耗量,造成資源浪費(fèi)。因此,循環(huán)溫差應(yīng)以水箱上部水溫為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)定。

5 結(jié) 論

(1) 本文試驗(yàn)過程中,各個(gè)測點(diǎn)(自上而下)處水溫基本呈線性下降,水箱中下部分層良好。在試驗(yàn)后期,受壁面散熱以及檢修口漏熱的影響,水箱中下部流體分層受到一定的破壞。

(2) 水箱檢修口處漏熱占總熱損失為33.74%。因而在實(shí)際工程當(dāng)中,要減少熱損失,不僅要在各個(gè)壁面設(shè)置厚度合理的保溫材料,還應(yīng)在檢修口外圍增設(shè)保溫裝置,或?qū)z修口的保溫結(jié)構(gòu)做出改進(jìn)。

(3) 依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),且考慮到板式換熱器換熱溫差以及管路的熱損耗,循環(huán)溫差應(yīng)按以下方式設(shè)定:當(dāng)集熱器出口處水溫高出水箱上部水溫3～4 ℃時(shí),系統(tǒng)開始蓄熱。

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(責(zé)任編輯 胡亞敏)

Numerical simulation and experimental research on insulation process of a rectangular water tank

TANG Jingchun1, MENG Xiaolei1, ZHANG Jian2

(1.School of Automobile and Traffic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.School of Electric Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The experiments on thermal stratification of rectangular solar heat storage water tank were carried out, and the reasons for internal thermal stratification in the tank were analyzed by numerical calculation. The results show that the internal fluid in the rectangular tank led to certain thermal stratification at the end of solar thermal storage. During the 38 hours of experiment, the temperature in the middle and lower part of the tank stratified well. Temperatures at each measuring point did not fluctuate wildly, basically descending linearly. However, the heat convection of the walls and the heat leakage had effect on the thermal stratification of the internal fluid. An improved method of setting up the cyclic temperature difference for the solar regenerative system was proposed based on the analysis of the experimental data and practical condition of engineering.

numerical calculation; experiment; rectangular water tank; thermal stratification; heat leakage

2016-01-22；

2016-09-01

合肥工業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研校企合作資助項(xiàng)目(K-GD2014-0767);合肥工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(JZ2016HGBZ0748)

唐景春(1968-),男,安徽巢湖人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師; 孟曉磊(1988-),男,山西朔州人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生,通訊作者,E-mail:mxlbmw760li@163.com.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.004

TK512.4

A

1003-5060(2017)08-1026-05