2017, Vol. 38
随着环境恶化的日益加剧, 作为环保能源之一的太阳能越来越受到人们的重视, 目前应用较为广泛的是太阳能集热系统.储热水箱是太阳能集热系统中非常重要的部件, 具有能量调配和节能的作用.由于太阳能辐射的间歇性以及使用的不规律性, 使得储热水箱的作用十分突出, 其储热性能直接影响着整个集热系统的效率.因此, 对储热水箱的性能分析逐渐成为研究热点.
一系列研究表明, 储热水箱的利用效率受温度分层影响, 温度分层越明显, 水箱的进口温度越低, 热量的利用率越高, 太阳能集热系统的效率也就越高.而温度分层效果受到多个参数的影响, 包括水箱结构设计、流量进口位置及几何尺寸、进出水口的温差、进水流量等因素[1].这些因素主要影响着水箱内部的掺混作用, 即对雷诺数Re的影响.Oró等[2]指出, 理查逊数(Ri=Gr/Re2)表征了浮升力和掺混力比值的大小, 可以用来作为度量储热水箱内部分层性能的参数.理查逊数越大表明水箱的分层效果越好, 反之则意味着水箱的掺混程度较大, 分层效果较差.本文通过在储热水箱内部安装三层孔板, 改变了水箱内水的掺混效果, 起到了调节水箱内部温度分层的作用.搭建了水箱分层特性测试试验台, 并从温度分布、体积、能量等角度分析了两种不同结构的储热水箱的热量利用效率.
1 试验台搭建及测试储热水箱分层特性研究试验台由稳压水箱、球阀、变频水泵、手动调节阀、储热水箱以及PPR连接管路组成, 图 1为试验系统原理图.
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图 1 试验系统原理图 Fig. 1 Schematic of experimental system |
储热水箱设计高度为60 cm, 直径35.7 cm, 内部容积60 L, 实测内部储水质量为62.34 kg(测试温度为8.6 ℃), 考虑密度的影响, 换算后水箱内部储水质量按61 kg来计算.水箱内部插有1.5 kW电加热器, 电加热器安装在水箱底部, 尽可能地靠近进水口, 有利于水箱内部热水的循环以及温度的均匀分布.水箱底部为进水口.图 2和图 3为两种水箱的结构示意图.
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图 2 直接进口式水箱 Fig. 2 Direct import water storage tank |
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图 3 三层孔板式水箱 Fig. 3 Three-plate orifice storage tank |
试验采用上海自动化仪表三厂A级铂电阻作为测温电阻, 精度为0.15 ℃, 进出水口各布置1根铂电阻, 从水箱进水口到出水口均匀布置16根铂电阻测量水温, 依次标号1~16, 铂电阻的间隔距离为4 cm.铂电阻长度为10 cm, 测温端距离水箱的进水中心距离为7.5 cm, 理论上认为水箱内每一层的温度分布是均匀的, 所以测温端距离进水中心的距离对本试验测量数据的影响忽略不计.试验开始前, 经油浴恒温槽校准, 达到精度范围, 16根铂电阻将测得的温度数据传送至安捷伦34970数据采集器并可上传至电脑软件.采用上海横河电机有限公司出品的数字式涡街流量计测量试验流量, 精度精确到读数的1%.水箱四壁及进出水口用保温材料保温, 近似可认为与环境无热交换.运行试验, 从开始进水瞬间记录直至水箱出水温度下降到接近进水温度时, 停止数据采集, 进行数据的保存和分析.本次试验利用电加热和内部循环的方式将水箱内水温加热至(50±0.3)℃.
试验步骤:
(1) 关闭球阀4, 将系统其他所有球阀及手动调节阀打开, 开启变频水泵, 保证出水口水流通畅, 调节水箱顶部排气孔, 使管路及储热水箱中充满水(无空气).
(2) 关闭球阀6和球阀7, 调整手动调节阀开度及变频水泵频率, 达到需要测试的流量.在调节过程中, 应尽量保证稳压水箱液位的稳定, 以期尽可能小地减少液位对水流量的影响.
(3) 关闭球阀1、球阀3及球阀9, 关闭变频水泵, 打开球阀6及球阀7, 开启循环水泵, 开启电加热, 使得储热水箱内部温度逐步循环加热至既定温度(50±0.3)℃.开启安捷伦34970数据采集器的扫描功能, 实时将水箱各层温度传送至电脑软件, 以便监测.
(4) 停止水箱电加热, 此时由于水的密度不同造成温度不均, 上层温度较高, 下层温度较低, 继续运行循环水泵至水箱内部温度均匀.之后关闭循环水泵, 关闭球阀6和球阀7, 打开球阀9, 打开球阀3及球阀1, 开启变频水泵, 出水开始.记录出水开始时间, 以便查阅数据.
(5) 记录水箱实时出水流量.
(6) 待水箱出水温度下降到接近进水温度时, 停止数据采集, 进行数据的保存和分析.
2 试验数据分析 2.1 进水流量对储热水箱分层特性的影响 2.1.1 温度-时间曲线图 4和图 5绘制了直接进口、三层孔板结构在初始水温50 ℃时(进水温度基本一致)不同流量下水箱各层温度随时间的变化, 以及出水口温度对比曲线.
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图 4 50 ℃直接进口不同流量水箱各温度测点温度随时间变化图 Fig. 4 Image of the temperature change of tank's temperature measurements over time under the condition of 50 ℃ initial water temperature, directly import and different flow |
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图 5 50 ℃直接进口不同流量水箱出水温度随时间变化图 Fig. 5 Image of tank outlet water's temperature change over time under the condition of 50 ℃ initial water temperature, directly import and different flow |
可以看出, 不同结构出水曲线存在明显的差异, 这是由水箱结构决定的.水箱各层温度在维持各自的“持续”时间后, 会出现急剧下滑, 后逐步趋向进水温度.每条曲线都存在一个温度突变的拐点, 此拐点的出现表明该层水体的原始温度被破坏, 于冷水的进入导致冷热水掺混, 热水层被推向出水口, 使该层水体温度下降.大流量出水温度的拐点出现的时间比小流量的早.
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表 1 50 ℃直接进口不同流量水箱出水数据表 Tab. 1 Data of outlet water under the condition of 50 ℃ initial water temperature, directly import and different flow |
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图 6 50 ℃三层孔板不同流量水箱各温度测点温度随时间变化图 Fig. 6 Image of the temperature change of tank's temperature measurements over time under the condition of 50 ℃ initial water temperature, three-plate orifice and different flow |
观察水箱50 ℃初始水温在不同水箱结构内的温度曲线和数据可以发现:在直接进口的水箱内, 温度曲线呈现“老鼠”状, 随着流量的增大, 曲线逐步收缩, 各层水温趋于一致的时间缩短, 说明流量增大后, 混合效应加大, 更容易使各层温度一致, 但各层水温趋于一致后的温度与进水口的温度之差较大, 说明进水没有将水箱中的水逐层推出就流向了出水口.
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图 7 50 ℃水箱初始水温三层孔板不同流量水箱出水温度随时间变化图 Fig. 7 Image of tank outlet water's temperature change over time under the condition of 50℃ initial water temperature, three-plate orifice and different flow |
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表 2 50 ℃水箱初始水温三层孔板不同流量出水数据表 Tab. 2 Data of outlet water under the condition of 50 ℃ initial water temperature, three-plate orifice and different flow |
三层孔板初始水温50 ℃温度曲线呈现“鱼尾”状, 曲线形状介于直接进口与盒状结构之间.随着流量的增大, 曲线逐步收缩.水箱温度一致后与进水温度的差值比直接进口小, 在1~2 ℃左右, 表明三层孔板的水箱热量利用情况要好于直接进口的水箱.
2.1.2 不同流量取出效率的对比Lavan等[3]首次提出的概念, Hegazy[4]在文章中定义:
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(1) |
式中:v为进水速度; t10%为进出水温差从初始温差值下降10%时所经历的时间; 10%是一个比较主观的值; Vst为水箱容积.
反映了水箱分层情况的好坏.采用文献[4]中提出的公式计算不同流量时的取出效率, 即进出水温差从初始温差值下降10%时所经历的时间与理论上将水箱中的水置换一遍所需时间之比.计算结果如表 3所示.
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表 3 相同进口结构、相同初始进出水温差时随流量的变化 Tab. 3 Extraction efficiency change with flow under the condition of same import structure and initial temperature difference of in and out water |
将表 3中数据绘制成相同进水结构、相同初始进出水温差时取出效率随流量的变化图, 如图 8所示.
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图 8 相同结构、相同初始进出水温差取出效率随流量的变化图 Fig. 8 Image of extraction efficiency change with flow under the condition of same structure and initial temperature difference of in and out water |
可以发现:直接进口相同初始进出水温差储热水箱随流量的增大而降低, 且呈现近似线性下降的规律.这是因为, 随着进水流量的增大, 进口流速增大, 混合效应超过了自然分层, 水流经进水口直接竖直向上喷出, 流向出水口, 破坏了水箱中水体的冷热水的自然分层, 流量越大, 越加剧冷热水的掺混, 导致出水口温度维持初始水箱中的水温的时间缩短, 取出效率下降.
三层孔板取出效率随流量变化的规律与直接进口相似, 也是呈现流量增大取出效率下降的规律.但因为孔板有效地阻隔了向上的水流, 减少了进水对水箱内温度分层的破坏和冷热水的掺混.因此, 三层孔板的取出效率没有出现直线下降, 并高于直接进口水箱.
2.2 水箱内部结构对水箱分层特性的影响MIX数的概念在Davidson等[5]及Andersen等[6]学者的研究中均有提及.Andersen等[6]提出:将水箱分成N个相同大小的体积为V的水平层, 水箱每层的能量Ei=ρi·ci·V·Ti, 定义“能量矩(momentum of energy)”M, 
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(2) |
式中:Mstr, Mexp, Mmix分别为完美分层水箱、试验水箱、完全混合水箱的“能量矩”.
一个水箱MIX数的值可以由试验测定的温度曲线以及相对应的完美分层和完全混合的水箱的温度曲线得到.
MIX数是一个介于0~1的值, MIX=1, 水箱完全混合, 即任意时刻水箱具有均匀的温度; MIX=0, 水箱完美分层, 出水过程以理想活塞流进行, 无高温热水及冷水间的温度过渡区域, 冷热水边界处温度梯度无穷大.
在试验水箱中, 可以测出每块水平层的平均温度, 计算出每块水平层的能量.将测试水箱以铂电阻为中心分块, 计算每块的能量与距离水箱底部距离的乘积, 再求和, 即得测试水箱的M值.计算MIX数时应使水箱的总能量相等.对于完美分层水箱, 计算时, 水箱分成两个部分, 高温部分温度为出水温度, 低温部分温度为进水温度.
图 9和图 10绘制了水箱初始水温50 ℃, 流量为1.1和4.2 kg·min-1, 直接进口、三层孔板不同水箱结构时, MIX数随无量纲时间的变化情况.考虑到不同的进水流量对水箱内部的温度分布有一定的影响, 因此在做水箱内部结构对水箱分层特性的对比试验时, 特选取小流量和大流量两种流量条件分别进行对比.无量纲时间用t*=t/T*表示, 其中t为水箱出水时间, T*为置换一个水箱所需时间.T*=mstore/ṁ, 其中mstore为水箱储水质量, 取61 kg; ṁ为水箱进水质量流量.
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图 9 50 ℃, 1.1 kg·min-1不同结构MIX数随无量纲时间的变化 Fig. 9 Different structures' MIX number change with the dimensionless time under the condition of 1.1 kg·min-1 flow |
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图 10 50 ℃, 4.2 kg·min-1不同结构MIX数随无量纲时间的变化 Fig. 10 Different structures' MIX number change with the dimensionless time under the condition of 4.2 kg·min-1 flow |
图 9所示, 水箱初始水温50 ℃、流量1.1 kg·min-1, 出水开始瞬间, 两种结构MIX数均在1附近.这是因为水箱是均匀的50 ℃完全混合状态, 后冷水进入, 形成分层, MIX数急速下降到0.1左右.随着过程的进行, 直接进口MIX数呈现快速上升的趋势, 后出现局部震荡.三层孔板MIX数也呈现逐步上升的趋势, 但上升速度相较于直接进口缓慢.总体而言, 直接进口的MIX数要大于三层孔板的MIX数.
直接进口MIX数最大, 且震荡剧烈, 尤其在大流量时更为明显, 这是由于扰动对于水箱温度场的影响, 进而影响到MIX数的值.三层孔板的MIX数值较直接进口小, 呈逐步平缓上升的趋势, 说明水箱的分层是逐步恶化的.在一个置换过程的后期, MIX数快速上升说明水箱内分层明显的, 一旦将热水全部推出, 又重新达到了冷水的近似完全混合的状态.而不会像直接进口那样, 持续很长时间, 水箱中的温度仍然是不均匀的, 进入水箱的冷水的推挤作用十分有限.表 4列出了一个无量纲时间、不同结构的MIX数.
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表 4 不同结构的MIX数 Tab. 4 Different structures' MIX number |
本文绘制了直接进口、三层孔板两种储热水箱结构, 两种水箱在相同初始水温、不同流量时水箱各层温度随时间的变化图.随着流量的增大, 不同结构水箱同一测点温度更快地出现温度的拐点, 温度下降得更快, 说明流量增大后, 混合效应加大, 更容易使各层温度一致.直接进口结构储热水箱水箱各层温度趋于一致后与进水温度的差值Δt相较三层孔板结构储热水箱更大, 且随着流量增大, Δt增大.
对比了相同进口结构、相同初始进出水温差取出效率随时间的变化.发现:直接进口取出效率随流量呈线性下降; 三层孔板取出效率也随流量逐步下降, 但下降速度明显低于直接进口, 对水箱内温度分层的保护效果也更好.
对比了不同结构的MIX数对储热水箱分层性能的影响, 在一个无量纲时间内, 三层孔板的MIX数更小, 距离完美分层更近, 说明三层孔板起到了提高水箱内部温度分层的作用, 有利于提高水箱内热量的利用率.
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