多孔進(jìn)水結(jié)構(gòu)對(duì)蓄熱水箱熱特性的影響

(1 上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093； 2 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心 北京 100835)

隨著全球環(huán)境日益惡化，可再生能源受到高度關(guān)注。太陽(yáng)能技術(shù)的使用日趨成熟，且應(yīng)用領(lǐng)域廣闊[1-3]。在太陽(yáng)能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中，蓄熱技術(shù)均應(yīng)用廣泛，是提高太陽(yáng)能利用效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。蓄熱水箱是太陽(yáng)能系統(tǒng)中的核心設(shè)備，蓄熱水箱性能的高低，不僅對(duì)系統(tǒng)蓄熱量有關(guān)鍵作用，而且對(duì)系統(tǒng)效率有決定性的影響，因此，有必要深入研究蓄熱水箱的性能[4-6]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，由于水的密度隨水溫的升高而降低，由此形成的浮生力會(huì)驅(qū)動(dòng)溫度較高的水流向水箱頂部，同時(shí)溫度較低的水會(huì)流向水箱底部，并在冷熱水間形成溫躍層，形成水箱的溫度分層，從而提高系統(tǒng)效率[7-9]。

諸多學(xué)者使用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)分層蓄熱水箱進(jìn)行了深入研究。A. Castell等[10]在使用了一種喇叭形進(jìn)口均流器的條件下，對(duì)比分析了理查德森數(shù)(Ri)、混合數(shù)(MIX)、佩克萊數(shù)(Pe)及雷諾數(shù)(Re)等表征分層水箱性能的參數(shù)，發(fā)現(xiàn)用Ri表征分層水箱性能最為合理。N. Altuntop等[11]基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流方程，采用FLUENT對(duì)具有不同結(jié)構(gòu)折流板的水箱進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，折流板對(duì)水箱的熱分層特性提高效果顯著，且具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)折流板的水箱性能最佳。A. A. Hegazy[12]研究了楔形、多孔形及條縫形進(jìn)口結(jié)構(gòu)對(duì)水箱分層特性的影響，結(jié)果表明，相同進(jìn)口體積流量及水箱長(zhǎng)徑比時(shí)，具有條縫形進(jìn)口結(jié)構(gòu)的水箱效率最高。

韓延民等[13]闡述了熱分層的形成原因、破壞因素以及對(duì)熱分層效果的評(píng)判指標(biāo)，結(jié)果表明，水箱性能的提高，是由于導(dǎo)流板改善了水箱內(nèi)水的流道，并進(jìn)一步降低了蓄熱水箱的湍流耗散程度。李舒宏等[14]基于80 cm×40 cm×40 cm方形水箱，研究了不同進(jìn)水結(jié)構(gòu)對(duì)水箱用能效率和內(nèi)部溫度分層特性的影響，當(dāng)進(jìn)口體積流量分別為5 L/min和10 L/min時(shí)，開(kāi)孔型進(jìn)口比直接進(jìn)口的水箱用能效率分別提高21%和36%，表明該進(jìn)水結(jié)構(gòu)可明顯提高水箱內(nèi)部的熱分層特性。孫東亮等[15]分別基于溫度分層模型和均溫模型，對(duì)太陽(yáng)能水箱蓄熱供暖系統(tǒng)進(jìn)行了模擬研究，得到溫度分層模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)系統(tǒng)性能。郝新月等[16]研究了雙分層水箱太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)特性，結(jié)果表明，該制冷循環(huán)較傳統(tǒng)水箱太陽(yáng)能?chē)娚渲评溲h(huán)日產(chǎn)冷量提高36.8%。

綜上所述，蓄熱水箱中的分層可以提高熱水出水量，進(jìn)而提高整個(gè)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)效率；同時(shí)水箱分層越好，所具有的火用值越高，水箱分層良好與完全混合相比，火用值更高。而降低進(jìn)口水流對(duì)高溫水箱內(nèi)熱水的擾動(dòng)是提高水箱熱分層特性的關(guān)鍵因素之一。本文設(shè)計(jì)了一種具有抑制進(jìn)口水流對(duì)高溫水箱內(nèi)熱水?dāng)_動(dòng)的均流器，并搭建了蓄熱水箱熱分層特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)，同時(shí)基于混合數(shù)法、理查德森數(shù)法和填充效率對(duì)蓄熱水箱的熱分層特性進(jìn)行定量分析，研究結(jié)果可為太陽(yáng)能水箱進(jìn)出口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)主要研究新型進(jìn)口結(jié)構(gòu)對(duì)于水箱分層及其效率的影響。3種蓄熱水箱結(jié)構(gòu)如圖1所示，分別為直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)水箱、三層孔板結(jié)構(gòu)水箱及均流器結(jié)構(gòu)水箱。水箱箱體為不銹鋼材料，頂蓋通過(guò)螺栓與箱體聯(lián)接，以便對(duì)水箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改。本文設(shè)計(jì)的分水器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 3種蓄熱水箱結(jié)構(gòu)Fig.1 The structures of three types of hot water storage tanks

圖2 分水器結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of stratifier

圖3所示為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由渦輪流量計(jì)、變頻泵、閥、高溫蓄熱水箱及恒溫水箱組成。蓄熱水箱的容積是影響水箱分層的重要參數(shù)之一，尤其蓄熱水箱的高徑比，眾多學(xué)者研究了高徑比對(duì)水箱分層特性影響。由文獻(xiàn)[10，17]可知，水箱高度越高，其內(nèi)部分層效果越好，但同時(shí)也會(huì)增強(qiáng)水箱與周?chē)h(huán)境的對(duì)流換熱，增大水箱的熱損失。根據(jù)文獻(xiàn)[10，17]，水箱的高徑比為1～4時(shí)，效果最佳，考慮水箱的實(shí)際使用環(huán)境，本文選擇水箱的高度為60 cm、直徑為35 cm、長(zhǎng)徑比為1.7的不銹鋼圓筒，并在其內(nèi)部放置一根功率為1.5 kW的電加熱器，該水箱的有效容積為60 L。水箱共布置16根鉑電阻，型號(hào)為OMEGA PR-10-2-100-1/8-6-E, 精度為±(0.15+ 0.002|t|) ℃。其中桶壁沿高度方向均勻布置14根鉑電阻，每根鉑電阻深入桶內(nèi)10 cm，鉑電阻間距為4 cm，如圖3所示，用于測(cè)試水箱各層溫度分布。水箱頂部為高溫?zé)崴隹?、底部為低溫冷水進(jìn)口，分別位于水箱頂部和底部的中央位置，此外，在進(jìn)、出水口處再分別布置一根鉑電阻，用于檢測(cè)水箱的進(jìn)出口水溫。本文采用Agilent 34970為測(cè)量數(shù)據(jù)記錄儀，設(shè)定采集時(shí)間間隔為5 s。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中體積流量測(cè)量采用OMEGA FLR1013-D，測(cè)量精度為±1%。為了減少漏熱對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用導(dǎo)熱系數(shù)為0.024 W/(m·K)的保溫材料，主要對(duì)高溫蓄熱水箱及進(jìn)、出水管路進(jìn)行保溫。恒溫水箱的溫度范圍為-120～100 ℃，精度為±0.1 ℃，以確保進(jìn)口水溫恒定。熱水回收水箱用于回收來(lái)自蓄熱水箱的高溫出水，容積為200 L。在熱水回收水箱的左側(cè)上下分別有一個(gè)補(bǔ)水和回水口，以保證系統(tǒng)的水量充足。

圖3 太陽(yáng)能分層水箱熱力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Experimental system of thermodynamic characteristics of a solar water storage tank

使用電加熱棒將水箱內(nèi)水溫加熱至約70 ℃，由于冷熱水密度不同，導(dǎo)致水箱內(nèi)上層水溫較高，下層水溫較低，需要使用變頻水泵進(jìn)行循環(huán)使水溫分布均勻，實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)水箱頂部與底部溫差小于0.5 ℃時(shí)，即認(rèn)為水箱內(nèi)水溫達(dá)到均勻。此外，設(shè)定恒溫水箱溫度為10 ℃，即為水箱的進(jìn)水溫度。從開(kāi)始進(jìn)水瞬間記錄各溫度點(diǎn)的溫度，直至出水溫度與進(jìn)水溫度近似相等時(shí)，停止數(shù)據(jù)采集。

本文實(shí)驗(yàn)工況為初始溫度70 ℃，進(jìn)水溫度10 ℃，流量分別為1、2、3、4、5、6 L/min時(shí)的熱分層特性，共計(jì)18組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，以確定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 計(jì)算模型

國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出多種方法來(lái)表征水箱內(nèi)的分層效率，兩種最基本的方法是密度法與溫度法。A. Castell等[10]用最常用的無(wú)量綱數(shù)，如MIX、Ri、Ratio H/D、Pe和Re來(lái)表征水箱內(nèi)的熱分層。Pe和Re無(wú)法描述水箱內(nèi)的熱分層；Ratio H/D是影響熱分層的重要因素，但無(wú)法表征熱分層的實(shí)際程度，且并未考慮流體溫度的不同；Ri用于計(jì)算對(duì)比熱分層，如不同入口體積流量下的水箱內(nèi)熱分層的區(qū)別；MIX用于計(jì)算水箱內(nèi)給定時(shí)間點(diǎn)的熱分層，其值變化范圍為0～1，表征不同程度的熱分層，它對(duì)溫度的微小變化極度靈敏[10]。

2.1 混合數(shù)法

E. Andersen等[18]提出了混合數(shù)的概念，如式(1)所示?；旌蠑?shù)忽略了儲(chǔ)熱水箱的熱損系數(shù)，并建立在箱內(nèi)能量與溫度分布水平的基礎(chǔ)上。Mexp為計(jì)算值，且與Mstratified和Mfull-mix相關(guān)。MIX用于計(jì)算水箱內(nèi)給定時(shí)間點(diǎn)的熱分層，取值范圍為0～1，表征不同程度的熱分層。當(dāng)水箱內(nèi)冷熱水為理想分層時(shí)，MIX=0；而當(dāng)水箱內(nèi)冷熱水為充分混合時(shí)MIX=1。

(1)

其中，

(2)

Ei=ρVicpTi

(3)

假設(shè)Mstratified具有和實(shí)驗(yàn)水箱相同的總能量，并定義Thot與Tcold為實(shí)驗(yàn)值，即Thot=70 ℃，Tcold=10 ℃。

Estratified=Eexp

(4)

其中，

(5)

Estratified=VhotρcpThot+VcoldρcpTcold

(6)

VT=Vhot+Vcold

(7)

斜溫層的位置ystratified由式(8)確定：

(8)

根據(jù)Vhot與Vcold，完美分層水箱的動(dòng)量為：

(9)

完美混合時(shí)水箱的能量與實(shí)驗(yàn)水箱的能量相等：

Efully-mixed=Eexp

(10)

完美混合時(shí)水箱的動(dòng)量：

(11)

其中，

Efully-mixed=ViρcpTfully-mixed

(12)

2.2 理查德森數(shù)

Ri表征浮力與混合力的比率，廣泛應(yīng)用于描述分層特性[19-20]；Ri越小表示水箱內(nèi)冷熱水充分混合，而Ri越大則表示水箱內(nèi)冷熱水完美分層。

(13)

其中，

(14)

2.3 填充效率

Ri和MIX均可以用來(lái)表征水箱的熱分層特性，但也存在各自的缺點(diǎn)。MIX未考慮體積流量對(duì)水箱分層特性的影響，而Ri只能從質(zhì)而不能從量上分析水箱的分層特性，故需要完善表征水箱熱分層特性的參數(shù)。本文根據(jù)水箱出口水溫，并基于熱力學(xué)第一定律，綜合體積流量、初始水溫及進(jìn)口水溫，提出填充效率的方法來(lái)表征水箱的分層特性。具體解釋如下：

(15)

完美分層水箱的能量：

(16)

填充效率：

(17)

填充效率(ξ)取值范圍為0～1，表征不同程度的熱分層。ξ=0代表充分混合水箱，即冷熱水層間的溫度梯度為0，無(wú)熱分層；ξ=1代表完美分層水箱，即冷熱水層間的溫度梯度無(wú)窮大，完美分層。ξ越大，代表水箱的可用能越多，水箱的熱效率越大。

2.4 無(wú)量綱時(shí)間

為了便于分析，定義水箱的無(wú)量綱時(shí)間t*為：

t*=τ/σ

(18)

(19)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 理查德森數(shù)分析

溫度不同，傳熱介質(zhì)的密度也不同，因此，在重力作用下形成具有驅(qū)動(dòng)作用的浮升力，使水箱自下至上形成溫度分層。對(duì)于上述情況，大多采用Ri(Ri=Gr/Re2)評(píng)價(jià)其影響程度[13]。

Ri是表征浮升力與慣性力之比的量度，當(dāng)Ri≤0.1時(shí)為純強(qiáng)迫對(duì)流。研究表明，當(dāng)Ri≤3.6時(shí)，水箱進(jìn)水口的結(jié)構(gòu)對(duì)水箱內(nèi)溫度分層產(chǎn)生一定影響；而當(dāng)Ri>10時(shí)，由于進(jìn)水混合對(duì)水箱分層的影響很小，可忽略進(jìn)水口結(jié)構(gòu)對(duì)水箱內(nèi)溫度分層的影響。

由Ri的計(jì)算式可知，對(duì)于結(jié)構(gòu)固定的水箱，當(dāng)流體溫度一定時(shí)，其Gr不變，而由于進(jìn)水口結(jié)構(gòu)的不同，其Re(表征慣性力)是改變的。因此，當(dāng)Ri較小時(shí)，水箱中高、低溫水之間的混合程度會(huì)隨Re的提高而增強(qiáng)，進(jìn)而降低水箱溫度分層的效果。

圖4 不同體積流量下不同進(jìn)水結(jié)構(gòu)對(duì)Ri的影響Fig.4 The effect of different inlet structures on Ri under different volume flow rates

圖4所示為不同體積流量下不同進(jìn)水結(jié)構(gòu)對(duì)Ri的影響。在圖4中，分別對(duì)比了直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)水箱、三層孔板結(jié)構(gòu)水箱及均流器結(jié)構(gòu)水箱在1、3、6 L/min時(shí)Ri的變化。不同進(jìn)水結(jié)構(gòu)的水箱Ri的衰減時(shí)刻隨著進(jìn)口體積流量的增大而提前，當(dāng)進(jìn)口體積流量為1 L/min時(shí)，直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)水箱、三層孔板結(jié)構(gòu)水箱及均流器結(jié)構(gòu)水箱的衰減時(shí)間點(diǎn)分別為0.85、0.85和0.9；當(dāng)進(jìn)口體積流量增加為3 L/min時(shí)，直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)水箱、三層孔板結(jié)構(gòu)水箱及均流器結(jié)構(gòu)水箱的衰減時(shí)間點(diǎn)分別為0.75、0.8和0.85；當(dāng)進(jìn)口體積流量增加為6 L/min時(shí)，直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)水箱、三層孔板結(jié)構(gòu)水箱及均流器結(jié)構(gòu)水箱的衰減時(shí)間點(diǎn)分別為0.6、0.7和0.8。此外，當(dāng)進(jìn)水流量為6 L/min時(shí)，均流器結(jié)構(gòu)水箱的Ri=4×106，而直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)水箱和三層孔板結(jié)構(gòu)水箱的Ri分別為6和4×104。說(shuō)明均流器結(jié)構(gòu)能明顯提高水箱的熱分層性能，原因是進(jìn)口水經(jīng)過(guò)分水器后，流速下降且水流方向變成流向水箱底部，使其與水箱底部的熱水充分進(jìn)行熱交換，降低底部水溫，水箱形成熱分層，進(jìn)而提高了水箱的熱分層程度。

3.2 混合數(shù)分析

圖5 不同體積流量下MIX隨無(wú)量綱時(shí)間的變化Fig.5 The variation of MIX with t*under different volume flow rates

圖5所示為不同體積流量下不同進(jìn)水結(jié)構(gòu)水箱對(duì)MIX的影響。在圖5中，分別對(duì)比了直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)水箱、三層孔板結(jié)構(gòu)水箱及均流器結(jié)構(gòu)水箱在1、2、3、4、5、6 L/min時(shí)MIX的變化。由圖5(a)、(b)可知，直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)和三層孔板結(jié)構(gòu)水箱的MIX隨著進(jìn)水流量的增大而減小，并在t*=0.2時(shí)達(dá)到最小值，此后隨著放水過(guò)程的進(jìn)行逐漸增大。說(shuō)明直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)和三層孔板結(jié)構(gòu)水箱的熱分層程度隨進(jìn)口體積流量的增大而減小，這主要是由于進(jìn)口體積流量的增加，破壞了冷熱水的分階層，并強(qiáng)化了水箱中冷熱水的混合程度，使水箱的斜溫度層厚度增加，進(jìn)而使水箱的分層效率降低，且直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)水箱MIX的增幅要大于三層孔板結(jié)構(gòu)水箱，說(shuō)明孔板結(jié)構(gòu)對(duì)冷熱水的混合起到了一定的削弱作用，提高了水箱的熱分層程度。由圖5(c)可知，均流器結(jié)構(gòu)水箱的MIX隨著進(jìn)口體積流量的增大先減小后增大，并在t*=0.5時(shí)達(dá)到最小值，此后隨著放水過(guò)程的進(jìn)行逐漸增大。進(jìn)口體積流量分別為1 L/min和2 L/min時(shí)的MIX均大于其他體積流量，這是因?yàn)榱魉佥^低時(shí)，出水時(shí)間長(zhǎng)，水箱水層間導(dǎo)熱和沿桶壁導(dǎo)熱的作用。當(dāng)進(jìn)口體積流量為3 L/min時(shí)，水箱的MIX最小。由圖5還可知，在水箱的放水過(guò)程中，均流器結(jié)構(gòu)水箱的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間(圖5(c)中t*=0.2～0.8)要明顯長(zhǎng)于其他兩種進(jìn)水結(jié)構(gòu)的水箱，表明該種進(jìn)水結(jié)構(gòu)的水箱具有較好的熱分層特性。

3.3 填充效率分析

圖6 填充效率隨進(jìn)口體積流量的變化Fig.6 The variation of the fill efficiency with inlet volume flow rates

圖6所示為3種結(jié)構(gòu)水箱的填充效率ξ隨進(jìn)口體積流量的變化。由圖6可知，隨著進(jìn)口體積流量的增加，直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)水箱和三層孔板結(jié)構(gòu)水箱的ξ逐步降低。當(dāng)進(jìn)口體積流量為1 L/min時(shí)，直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)和三層孔板結(jié)構(gòu)水箱的ξ分別為0.718 27和0.740 01，相差0.021 81；而當(dāng)進(jìn)口體積流量為6 L/min時(shí)，ξ分別為0.534 93和0.584 93，相差0.05，說(shuō)明隨著體積流量的增加，直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)水箱的ξ衰減較大，這主要是由于隨著體積流量的增大，混合作用的加劇，直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)水箱的ξ減小幅度變大，而三層孔板結(jié)構(gòu)水箱由于孔板的作用減弱了水箱內(nèi)冷熱水混合，其ξ減小幅度較小。此外，當(dāng)進(jìn)口體積流量為1 L/min時(shí)，均流器結(jié)構(gòu)水箱的ξ=0.775 99，并隨進(jìn)口體積流量的增加而增加；當(dāng)進(jìn)口體積流量為3 L/min時(shí)，ξ=0.854 71，達(dá)到峰值，此后，當(dāng)進(jìn)口體積流量增至6 L/min時(shí)，ξ減小至0.814 05。這主要是因?yàn)椋?dāng)體積流量增大時(shí)，位于底部的分流器降低了進(jìn)口速度，減緩了水箱內(nèi)冷熱水的混合，因此水箱的ξ有所提升。但隨著體積流量的進(jìn)一步增大，分流器對(duì)進(jìn)口流量的緩沖作用減小，加劇了水箱內(nèi)冷熱水的混合程度，減小了水箱的ξ。當(dāng)體積流量為1 L/min時(shí)，均流器結(jié)構(gòu)水箱的ξ分別高于直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)和三層孔板結(jié)構(gòu)水箱5.7%和3.6%，并且隨著體積流量的增加，ξ的增幅變大，當(dāng)體積流量為6 L/min時(shí)，均流器結(jié)構(gòu)水箱的ξ分別高于直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)和三層孔板結(jié)構(gòu)水箱27.9%和22.9%，說(shuō)明在大體積流量條件下，均流器結(jié)構(gòu)可以更好地提高水箱的熱分層特性，進(jìn)而提高水箱的效率。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種用于提高蓄熱水箱熱分層特性的新型均流器，當(dāng)初始水溫為70 ℃，進(jìn)水溫為10 ℃，進(jìn)口體積流量分別為、2、3、4、5、6 L/min工況下，與直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)水箱和三層孔板結(jié)構(gòu)水箱進(jìn)行了熱特性對(duì)比，得到如下結(jié)論：

1)不同進(jìn)水結(jié)構(gòu)水箱的理查德森數(shù)均隨體積流量的增加而減小，三層孔板和均流器均能提高蓄熱水箱的理查德森數(shù)，增強(qiáng)水箱的熱分層特性，且均流器進(jìn)水結(jié)構(gòu)水箱的理查德森數(shù)最大。

2)不同進(jìn)水結(jié)構(gòu)水箱的混合數(shù)隨放水過(guò)程的進(jìn)行呈先減小后增大的趨勢(shì)，表明水箱的熱分層效率先提高后降低。在相同體積流量下或無(wú)量綱時(shí)間時(shí)，直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)水箱、三層孔板結(jié)構(gòu)水箱及均流器結(jié)構(gòu)水箱的混合數(shù)依次減小，表明均流器可以更好地降低水箱內(nèi)冷熱水的混合程度，提高水箱的熱分層效率。

3)相同進(jìn)口體積流量下，直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)水箱、三層孔板結(jié)構(gòu)水箱及均流器結(jié)構(gòu)水箱的填充效率逐步增大。直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)水箱和三層孔板結(jié)構(gòu)水箱的填充效率隨著進(jìn)口體積流量的增大而減小，且直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)水箱的填充效率減小幅度大于三層孔板結(jié)構(gòu)水箱，均流器結(jié)構(gòu)水箱的填充效率隨進(jìn)口體積流量的增大而先增大后減小。此外，隨著進(jìn)口體積流量的增大，均流器結(jié)構(gòu)水箱填充效率的增幅變大，表明在大體積流量條件下，均流器結(jié)構(gòu)可以更好地提高水箱的熱分層特性。

符號(hào)說(shuō)明

cp——水的比熱容，J/(kg·K)

D——水箱直徑，m

E——水箱總能量，J

Ei——第i塊水層的能量(i=1、2、3…15)，J

Estratified——完美分層水箱的總能量，J

Eexp——實(shí)驗(yàn)水箱的總能量，J

Efully-mixed——絕對(duì)混合水箱的總能量，J

ξ——填充效率

Gr——格拉曉夫數(shù)

H——水箱高度，m

MIX——混合數(shù)

Mexp——實(shí)驗(yàn)水箱的能量矩，J·m

Mstratified——完美分層水箱的能量矩，J·m

Mfull-mix——完全混合水箱的能量矩，J·m

mi——每塊的質(zhì)量，kg

Q——水箱進(jìn)水流量，m3/s

Qexp——實(shí)驗(yàn)水箱在τ時(shí)間內(nèi)放出的能量，J·s

Qstratified——完美分層水箱在T時(shí)間內(nèi)放出的能量，J·s

Ri——理查德森數(shù)

Re——雷諾數(shù)

rstratifier——水箱進(jìn)水口當(dāng)量半徑，m

t*——無(wú)量綱時(shí)間

Ti——第i塊水層的溫度(i=1、2、3…15)，K

Texp——實(shí)驗(yàn)溫度，K

Thot——水箱初始水溫，K

Tcold——水箱進(jìn)口水溫，K

Tfully-mixed——絕對(duì)混合水箱的溫度，K

Ttop——水箱頂部溫度，K

Tbottom——水箱底部溫度，K

σ——理想活塞流情況下，將水箱內(nèi)的水全部置換一遍所需時(shí)間，min

V——水箱容積，L

Vi——第i塊水層的體積(i=1、2、3…15)，m3

Vhot——完美分層水箱中熱水的體積，m3

Vcold——完美分層水箱中冷水的體積，m3

νs——進(jìn)入水箱的平均流速，m/s

yi——每個(gè)水層重心到水箱底部的垂直距離，m

ystratified——躍溫層到水箱底部的垂直距離，m

ρ——水的密度，kg/m3

β——膨脹系數(shù)，1/K

τ——從放水瞬間開(kāi)始所經(jīng)歷的時(shí)間，min