于偉洋,石 巖,陶 進(jìn),張俊男
(1:吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,吉林 長春 130118;2:吉林建筑科技學(xué)院,吉林 長春 130114)
太陽能儲(chǔ)熱水箱是太陽能供暖系統(tǒng)的重要組成部分,一方面能夠儲(chǔ)存熱量,另一方面可協(xié)調(diào)源側(cè)和負(fù)荷側(cè)保持合理水溫,以保證供暖需求[1]。在儲(chǔ)熱水箱內(nèi)部,由于不同溫度的流體之間存在密度差異,使得高溫流體上升,低溫流體下降,從而形成了溫度分層現(xiàn)象。儲(chǔ)熱水箱中的溫度分層現(xiàn)象對(duì)提高水箱的熱性能具有顯著影響,溫度分層現(xiàn)象越明顯,儲(chǔ)熱水箱儲(chǔ)存的可用能越多,同時(shí)可降低集熱器的進(jìn)口溫度,從而提高整個(gè)太陽能供暖系統(tǒng)的效率[2]。
目前各國學(xué)者對(duì)儲(chǔ)熱水箱溫度分層特性的研究主要集中在儲(chǔ)熱水箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)(高徑比、入口位置和尺寸、箱體形式)和運(yùn)行工況對(duì)分層的影響[3]。韓延民等[1]設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的太陽能儲(chǔ)熱水箱,并對(duì)其溫度分層特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,研究認(rèn)為溫度梯度或斜溫層是維持穩(wěn)定溫度分層的關(guān)鍵。YAICI等[4]通過軟件模擬,對(duì)儲(chǔ)熱水箱的分層性能的影響因素進(jìn)行研究,分析了高徑比、進(jìn)水與水箱中水之間的溫差及入口流量等因素的影響。另外,有研究學(xué)者提出了一些參數(shù)來評(píng)價(jià)儲(chǔ)熱水箱溫度分層的效果。
綜合國內(nèi)外研究進(jìn)展,本文主要從儲(chǔ)熱水箱在垂直方向不同高度測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線入手,分析了整個(gè)儲(chǔ)熱過程的溫度分層特性,同時(shí)對(duì)不同流量下的水箱Str函數(shù)和MIX函數(shù)的變化情況進(jìn)行了計(jì)算分析。
新型管殼式儲(chǔ)熱水箱,箱體尺寸為長700 mm,寬700 mm,高1 500 mm,最大蓄水容積為0.7 m3,水箱入口距底部50 mm,入口出口垂直間距1 200 mm。箱體內(nèi)部主要由帶有螺旋翅片的U型換熱盤管組成,盤管外徑19 mm,壁厚1 mm,兩管中心間距90 mm,水平直管長500 mm,兩管外壁之間的間距為109 mm。圖1為新型儲(chǔ)熱水箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。箱體的外部覆蓋了50 mm的聚乙烯泡沫用于與環(huán)境隔熱保溫,在箱體頂部留有1個(gè)小孔防止水箱由于熱脹冷縮而引起箱體變形,同時(shí)也用于連接所有的熱電偶到電腦以讀取數(shù)據(jù)。
圖1 儲(chǔ)熱水箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)
本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、帶有電加熱的穩(wěn)壓水箱、新型儲(chǔ)熱水箱、循環(huán)水泵、閥門、電磁流量計(jì)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖2所示。
圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理
通過閥門和水泵的開啟來實(shí)現(xiàn)太陽能集熱、儲(chǔ)熱水箱儲(chǔ)熱、儲(chǔ)熱水箱放熱3種循環(huán)方式。在儲(chǔ)熱水箱內(nèi)部不同高度布置9個(gè)溫度傳感器PT100,每個(gè)傳感器垂直間距為150 mm,用于記錄不同高度測(cè)點(diǎn)的溫度變化。入口流量通過調(diào)節(jié)閥門來控制,同時(shí)由電磁流量計(jì)進(jìn)行記錄。實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)備參數(shù)見表1。
表1 設(shè)備技術(shù)參數(shù)
本實(shí)驗(yàn)可分為預(yù)熱、儲(chǔ)熱、靜置和放熱4個(gè)過程,首先當(dāng)太陽能輻射強(qiáng)度較高時(shí),打開太陽能集熱循環(huán),進(jìn)行水箱儲(chǔ)熱;當(dāng)太陽能輻射強(qiáng)度過低時(shí),打開恒溫水箱中的加熱裝置,當(dāng)達(dá)到儲(chǔ)熱要求的溫度時(shí)停止加熱。之后打開循環(huán)水泵M2以70℃入口溫度,0.8 m3/h,1.0 m3/h,1.2 m3/h這3種不同入口流量對(duì)儲(chǔ)熱水箱進(jìn)行儲(chǔ)熱,當(dāng)儲(chǔ)熱水箱出口溫度在10 min內(nèi)變化≤1℃時(shí),認(rèn)為儲(chǔ)熱過程結(jié)束。之后進(jìn)行靜置,當(dāng)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)溫度趨于穩(wěn)定時(shí),進(jìn)行放熱過程。
圖3表示入口溫度70℃,入口流量0.8 m3/h,1.0 m3/h,1.2 m3/h這3種運(yùn)行工況下儲(chǔ)熱水箱內(nèi)部不同高度上測(cè)點(diǎn)溫度的變化。
由圖3可以看出不同測(cè)點(diǎn)在儲(chǔ)熱過程中開始溫度上升速率較快,之后逐漸減少直到不再發(fā)生變化,并且在不同高度上出現(xiàn)明顯的溫度分層現(xiàn)象。說明開始時(shí)水箱內(nèi)部冷熱流體擾動(dòng)較為強(qiáng)烈,溫度急劇上升,之后溫度上升減緩,并且逐漸出現(xiàn)溫度分層。同時(shí),當(dāng)入口流量在0.8 m3/h,1.0 m3/h,1.2 m3/h這3種工況下,儲(chǔ)熱水箱完成儲(chǔ)熱的時(shí)間為16 800 s,15 600 s,14 100 s,儲(chǔ)熱完成時(shí)水箱垂直方向不同測(cè)點(diǎn)的最大溫差分別為10.52℃,12.4℃,9.76℃。說明提高入口流量能夠明顯縮短水箱儲(chǔ)熱時(shí)間,在一定范圍內(nèi)入口流量越高,溫度分層效果越好,但超過一定閾值時(shí)分層效果會(huì)減弱。這是由于提高入口流量,能夠提高換熱管內(nèi)流體的流速,使流體從層流提高至紊流狀態(tài),流體傳熱更快,水箱內(nèi)部溫升更快。同時(shí)增加流量能夠提高流體溫升速率,使溫度分層效果更好,但流量過大則水箱內(nèi)部冷熱流體的擾動(dòng)過于劇烈,摻混嚴(yán)重,溫度分層效果則會(huì)減弱。
圖3 不同入口流量的各測(cè)點(diǎn)溫度變化
為了分析不同入口流量在不同時(shí)刻水箱儲(chǔ)熱的變化情況,引入無量綱時(shí)間[5],其定義為:
式(1)中:t為從開始儲(chǔ)熱到儲(chǔ)熱結(jié)束的時(shí)間,min;T水箱內(nèi)的水置換一遍所需的時(shí)間,min。
同時(shí)為了消除水箱內(nèi)部不同測(cè)點(diǎn)初始溫度的差異,引入無量綱溫度T*[6],其定義為:
式(2)中:T為水箱垂直方向不同測(cè)點(diǎn)溫度,Tstart水箱內(nèi)部測(cè)點(diǎn)初始溫度,Tinter為水箱入口溫度,℃。
本文取無量綱時(shí)間t*=0.25,0.5,0.7表示水箱儲(chǔ)熱初期、中期、末期,經(jīng)過計(jì)算可以看出在水箱儲(chǔ)熱初期,由于冷熱流體溫差較大,各測(cè)點(diǎn)都在大量吸熱,因此水箱內(nèi)部溫度分層現(xiàn)象不明顯;在儲(chǔ)熱中期,水箱內(nèi)部不同高度的測(cè)點(diǎn)開始出現(xiàn)溫差,說明水箱出現(xiàn)溫度分層現(xiàn)象;在儲(chǔ)熱后期,各測(cè)點(diǎn)的溫差最大,說明此時(shí)的水箱溫度分層最為明顯。
SEARA等[7]在文章中提出Str函數(shù)。Str函數(shù)是另一個(gè)表征蓄熱水箱溫度分層性能的指標(biāo),它是1個(gè)隨時(shí)間變化的值,表明某一時(shí)間溫度梯度的平均值與整個(gè)進(jìn)出水過程最大的溫度梯度的平均值的比值,溫度梯度主要是通過水箱各層溫度測(cè)點(diǎn)獲得的溫度值計(jì)算而得到的。計(jì)算公式為:
式(3)~(5)中:J為水箱分層數(shù),個(gè);Δz為每層分層高度,m;Tmax為某時(shí)刻水箱垂直方向的最高溫度,Tin為水箱入口溫度,℃。
以入口溫度70℃,流量為0.8 m3/h,1.0 m3/h,1.2 m3/h這3種運(yùn)行工況對(duì)水箱儲(chǔ)熱,計(jì)算不同入口流量下的水箱Str數(shù)隨無量綱時(shí)間的變化,如圖4所示。
圖4 不同入口流量的水箱Str函數(shù)變化
由圖4可知,3種流量下的Str函數(shù)開始較小并且增加比較緩慢,說明開始時(shí)水箱溫度分層現(xiàn)象不夠明顯。在儲(chǔ)熱后期,Str函數(shù)急劇上升,說明水箱出現(xiàn)溫度分層現(xiàn)象,并且溫度分層現(xiàn)象越加明顯,直至水箱儲(chǔ)熱完成。同時(shí)當(dāng)水箱儲(chǔ)熱完成時(shí),流量0.8 m3/h,1.0 m3/h,1.2 m3/h的 最 大Str函 數(shù) 分 別 為12.6,17.61,8.56。流量為1.0 m3/h的Str函數(shù)最大,水箱溫度分層最明顯。
丹麥學(xué)者ANDERSEN等[8]在論文中提出水箱的混合函數(shù)MIX,定義為:將水箱分為N個(gè)體積大小相同V的水平層,每層的能量為Mi,整個(gè)水箱總能量為M。其計(jì)算公式為:
式(6)~(7)中:ρi為水箱每一層工質(zhì)的密度,kg/m3;ci為水箱每一層工質(zhì)的比熱容,J/(kg·℃);Ti為水箱入口溫度與每一層工質(zhì)溫度的溫差,℃;yi為水箱每一層中心距水箱底部的垂直高度,m。
故定義MIX為:
式(8)中:Mstr為完美水箱的M值,Mexp為水箱實(shí)際的M值,Mmix為完全混合水箱的M值。MIX函數(shù)是一個(gè)介于0~1之間的值。MIX=1,表明水箱完全混合;MIX=0,表明水箱完全分層。
在實(shí)驗(yàn)中,可以測(cè)出每一水平層的平均溫度,計(jì)算出每一層的能量,進(jìn)而計(jì)算出整個(gè)水箱的能量。對(duì)于完全混合水箱時(shí),水箱具有相同的平均溫度;對(duì)于完全分層水,計(jì)算時(shí)可認(rèn)為將水箱分為2個(gè)部分,高溫部分為入口溫度,低溫部分為水箱平均溫度。
圖5為3種流量下水箱的MIX函數(shù)隨無量綱時(shí)間的變化。
圖5 不同入口流量的水箱MIX函數(shù)變化
由圖5可知,3種流量下的MIX函數(shù)都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),在無量綱時(shí)間為0~0.1時(shí),3組流量的MIX函數(shù)急劇下降,說明水箱開始出現(xiàn)溫度分層。在無量綱時(shí)間為0.1~0.3時(shí),3組流量的MIX函數(shù)變化不明顯均>0.1,說明該時(shí)間段分層不明顯。在無量綱時(shí)間為0.3~1時(shí),3組流量的MIX函數(shù)逐漸下降,且均在0.1以下,說明水箱內(nèi)的溫度分層逐漸接近完美分層。蓄熱結(jié)束時(shí),3種流量的MIX函數(shù)最小此時(shí)溫度分層最為明顯。同時(shí),在無量綱時(shí)間0.3~1時(shí),流量為1.0 m3/h流量下的MIX函數(shù)比0.8 m3/h和1.2 m3/h流量下MIX函數(shù)略小,例如當(dāng)無量綱時(shí)間為0.5時(shí),1.0 m3/h下的水箱MIX函數(shù)為0.046,比0.8 m3/h下的MIX函數(shù)低41%,比1.0 m3/h下的MIX函數(shù)低21%,說明流量為1.0 m3/h下的水箱分層效果最好。MIX函數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論和Str函數(shù)分析得出的結(jié)論基本相符。
本文設(shè)計(jì)了一種新型的太陽能儲(chǔ)熱水箱,通過實(shí)驗(yàn)對(duì)水箱內(nèi)部的溫度分層進(jìn)行了分析,可以得出以下結(jié)論。
1)通過對(duì)水箱內(nèi)部垂直方向的溫度變化曲線可以得出,各測(cè)點(diǎn)的溫升速率逐漸減緩,流量越大測(cè)點(diǎn)溫升越快儲(chǔ)熱完成時(shí)間越短。同時(shí)在水箱儲(chǔ)熱無量綱時(shí)間的中后期出現(xiàn)溫度分層現(xiàn)象,并且在儲(chǔ)熱完成時(shí)溫度分層現(xiàn)象最明顯。
2)在相同的無量綱時(shí)間內(nèi),不同入口流量對(duì)儲(chǔ)熱水箱的溫度分層有明顯的影響,入口流量1.0 m3/h的水箱溫度分層效果最好,儲(chǔ)熱過程中的最大溫差能達(dá)到12.4℃。
3)對(duì)不同流量下的水箱Str函數(shù)和MIX函數(shù)進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明在無量綱時(shí)間內(nèi),儲(chǔ)熱水箱的Str函數(shù)在儲(chǔ)熱初期較小,中后期急劇增大,在儲(chǔ)熱結(jié)束時(shí)最大;儲(chǔ)熱水箱的MIX函數(shù)在儲(chǔ)熱初期較大,中后期急劇降低,在儲(chǔ)熱結(jié)束時(shí)最小,說明儲(chǔ)熱水箱在中后期出現(xiàn)溫度分層并且在儲(chǔ)熱結(jié)束時(shí)分層效果最好。同時(shí)在入口流量為1.0 m3/h的水箱Str函數(shù)最大,MIX函數(shù)最小,水箱溫度分層效果最好。