新型進(jìn)水口結(jié)構(gòu)對儲能水箱釋能性能的影響

李舒宏，李陽，張小松，聞才

(1. 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京，210096；2. 上海核工程研究設(shè)計院，上海，200233)

在儲能水箱的釋能過程中，水箱內(nèi)部水體存在熱分層現(xiàn)象，提高熱分層效果能有效提高釋能效率[1?4]。影響水箱內(nèi)部熱分層的一個重要的因素是進(jìn)口水流造成的擾動。優(yōu)化進(jìn)口結(jié)構(gòu)能有效抑制水流的混合擾動，使冷熱水的混合程度降低到最低，從而維持溫度分層，提高水箱釋能效率。國外學(xué)者在這一領(lǐng)域進(jìn)行了模擬及實驗研究。Altuntop等[5]通過數(shù)值方法研究了水箱中設(shè)置阻擋件對水體溫度分層的影響，發(fā)現(xiàn)設(shè)置障礙物相比較沒有障礙物而言能取得更好的熱分層效果。Castell等[6]通過24組實驗，研究了幾種評價水箱熱分層效應(yīng)的無量綱參數(shù)，這些參數(shù)包括混合數(shù)、理查遜數(shù)、出流效率、雷諾數(shù)和貝克萊數(shù)。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)：只有理查遜數(shù)和出流效率能夠有效地評價水箱內(nèi)的熱分層效應(yīng)。Al-Najem等[7]利用數(shù)值方法對水箱內(nèi)的湍流混合參數(shù)進(jìn)行研究，并發(fā)展了基于Chapeau-Galerkin 積分公式的效率計算準(zhǔn)則。計算結(jié)果表明在進(jìn)出口的水力擾動是影響水箱性能的最重要的因素。Alizadeh[8]通過4組釋能實驗研究了在變進(jìn)口溫度、變進(jìn)口形狀條件下水箱釋能性能。發(fā)現(xiàn)進(jìn)口形狀是影響水箱釋能性能最關(guān)鍵的因素，并通過使用一個向下彎曲 30°的圓錐型管子有效提高釋能過程中水箱內(nèi)的分層效應(yīng)，從而獲得更好的出水效果。Shin等[9]研究了水箱中熱分層的機(jī)理以優(yōu)化設(shè)計參數(shù)和運行參數(shù)從而獲得最大效率。并設(shè)計了一套基于Simpler算法的計算機(jī)程序?qū)λ渲械牧鲃舆M(jìn)行模擬計算。計算結(jié)果表明大型的水箱比小型水箱具有更好的性能，進(jìn)口水流速對熱分層的影響不明顯。

我國目前跟這一領(lǐng)域接近的研究大部分局限于對水蓄冷過程的熱分層研究。方貴銀[10?11]對高溫水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了實驗研究，全面考察了該系統(tǒng)最大蓄冷能力、水箱溫度分布、蓄冷過程制冷系統(tǒng)的運行特性等。被模擬的水蓄冷罐是垂直放置的圓柱形蓄冷桶。將蓄冷桶沿軸向離散化分成N層，并認(rèn)為每一層內(nèi)的水是等溫的。蓄冷桶內(nèi)的水沿軸向流動被近似為某一層水在離散化時間步長內(nèi)向上移動一層。實際操作中，在蓄冷桶的進(jìn)、出口處都裝有擴(kuò)散器。通過數(shù)值模擬，得到了水溫在時間和空間上的分布規(guī)律，并且認(rèn)為斜溫層的存在有利于空調(diào)水蓄冷系統(tǒng)，減少了冷、溫水混合。于航等[12?13]對于大溫差水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，并對斜溫層的形成及發(fā)展進(jìn)行了研究。分析影響自然分層型水蓄冷槽蓄冷特性的主要因素，采用CFD模擬軟件FLUENT對3種不同類型的布水器建立模型，模擬其充冷過程中的溫度分布和速度場，并進(jìn)行比較分析，優(yōu)化布水器的設(shè)計。趙軍等[14]進(jìn)行了分層型蓄冷水箱中擴(kuò)散器的設(shè)計與實驗研究。提出了擴(kuò)散器設(shè)計的基本假設(shè)及方法。實驗結(jié)果表明按照分層型蓄冷水箱中擴(kuò)散器的設(shè)計條件，可以保證分層型蓄能水箱經(jīng)濟(jì)、可靠地運行。韓延民等[15?16]對國外大量有關(guān)水箱熱分層的研究進(jìn)行了詳細(xì)的歸納總結(jié)，闡述了熱分層的形成原因及破壞因素以及對熱分層效果的評判指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)之上提出一種臥式熱分區(qū)太陽能儲熱水箱結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)置導(dǎo)流板改善水箱中流道有效抑制了水箱內(nèi)的湍流耗散，并建立此水箱的數(shù)值模型進(jìn)行數(shù)值模擬，計算結(jié)果表明了該新型水箱較傳統(tǒng)水箱有更好的熱分層特性，并結(jié)合實驗對計算結(jié)果進(jìn)行了驗證。

綜上所述，有必要提出一種能直觀表達(dá)水箱釋能效率的評價指標(biāo)，并將其用于新型的進(jìn)出水口結(jié)構(gòu)對水箱釋能效率的影響的對比研究。因此，本文作者對3種進(jìn)口結(jié)構(gòu)的儲能水箱釋能過程進(jìn)行實驗研究，并使用有效釋能效率指標(biāo)對3種不同結(jié)構(gòu)的釋能效率進(jìn)行定量分析，研究結(jié)果可以為儲能水箱的進(jìn)出口結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)。

1 實驗系統(tǒng)

本實驗系統(tǒng)主要研究不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)對于水箱釋能效率的影響作用。水箱設(shè)計成規(guī)格為 80 cm(高)×40 cm(長)×40 cm(寬)的長方體形狀，且頂蓋可拆卸，實驗時可通過頂蓋螺栓的拆卸對水箱的冷水進(jìn)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，從而研究不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)的水箱在釋能過程中的差異[17]。本實驗設(shè)計了3種進(jìn)口結(jié)構(gòu)來研究采用不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)時水箱不同高度層的溫度變化，3種進(jìn)口結(jié)構(gòu)分別是直接進(jìn)口、多孔式進(jìn)口和楔形進(jìn)口，進(jìn)水口裝在內(nèi)膽底部中心，分別如圖1和圖2所示，其中楔形進(jìn)口的傾角為17°，多孔型進(jìn)口結(jié)構(gòu)的底部共有3排45個圓形噴水孔，孔徑為3 mm。

實驗系統(tǒng)如圖3所示，由水泵、溫控器、固態(tài)繼電器、電加熱器組成的恒溫水加熱裝置保證每次釋能實驗時，水箱內(nèi)部初始溫度場一致以及釋能過程進(jìn)口冷水溫度相同。實驗使用玻璃轉(zhuǎn)子流量計測量釋能過程中的水流量，流量計精度為1.5級。

圖1 楔形進(jìn)口結(jié)構(gòu)Fig.1 Wedged inlet structure

圖2 多孔型進(jìn)口結(jié)構(gòu)Fig.2 Perforated inlet structure

圖3 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of experiment system

水箱的進(jìn)出水口分別設(shè)置在水箱的底部和頂部的中央，在水箱釋能管路分別布置2根熱電偶來測量釋能過程進(jìn)出口水溫，水箱內(nèi)部的8根熱電偶在豎直方向上等距排列，用以測量其所代表水層的平均溫度。最上層熱電偶與水箱頂部的距離為5 cm，每根熱電偶間距為10 cm。在加熱器出口布置一根熱電偶作為加熱調(diào)節(jié)器的反饋信號。以上熱電偶均為Omega公司的T型熱電偶，量程為?270～400 ℃，實驗前經(jīng)過校驗，其準(zhǔn)確度為±0.2 ℃。

熱電偶的溫度數(shù)據(jù)以及流量計的流量數(shù)據(jù)均由安捷倫34970A數(shù)據(jù)采集儀采集。34970A自帶上機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件，用戶只要將 34970A與遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)通過RS232數(shù)據(jù)線建立連接便可以實時獲取實驗過程的數(shù)據(jù)，并在實驗結(jié)束后保存數(shù)據(jù)以備后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。

實驗開始時，首先開啟恒溫水加熱裝置將水箱下層冷水加熱至60 ℃送至水箱上部，直至整個水箱內(nèi)部的水體沒有明顯溫度分層現(xiàn)象，并均達(dá)到(60±0.5) ℃為止，從而保證每個釋能實驗均在等同的初始溫度場條件下進(jìn)行。同時，進(jìn)口冷水溫度均通過恒溫水加熱裝置維持在(15±0.2) ℃，從而保證各實驗的冷水進(jìn)水溫度一致。

釋能實驗開始后冷水以定流量定溫度的狀態(tài)注入水箱，熱水從水箱上部的出口流出。在釋能過程中每隔5 s讀取一次進(jìn)出口水溫及水箱內(nèi)部8層水體的平均水溫。對每種不同的結(jié)構(gòu)，實驗分別在進(jìn)口流量為5，10和15 L/min的條件下進(jìn)行，每次實驗均持續(xù)一個單位釋能時間，即當(dāng)釋能流量累計達(dá)到水箱額定容積(128 L)時結(jié)束實驗，中斷采集并導(dǎo)出溫度數(shù)據(jù)報表。為方便不同流量條件下的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一比較，數(shù)據(jù)結(jié)果均以無量綱時間的形式表示。

2 釋能評價指標(biāo)

實驗考察水箱中水置換一次過程中水箱的各層水體溫度分布情況以及出水溫度特性，因此定義如下參數(shù)：

單位釋能時間：

無量綱釋能時間：

式中：Vst為水箱體積，m3；vuse為釋能水流量，m3/s；t為釋能時間，s。

在對水箱不同高度層水體溫度進(jìn)行定性分析的同時，為了更好地對水箱綜合性能進(jìn)行定量的對比，本文基于熱力學(xué)第一定律提出了儲能水箱有效釋能效率評價指標(biāo)，并以此作為討論不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)、不同流量條件下水箱釋能性能分析的基礎(chǔ)。釋能效率是指釋能過程中累計出水所含能量與釋能過程開始時刻水箱內(nèi)含有能量的比值。以下為該評價指標(biāo)的定義過程。

在釋能過程中僅考慮在豎直方向上的溫度差異，水箱內(nèi)部8根熱電偶代表了其所在水體的平均溫度。

定義釋能過程初始時刻水箱中含有的總能量為：

式中：m為每層水體質(zhì)量，kg；cp為水的比熱容，4.18 kJ/(kg·K)；Tj?use(τuse=0)為初始時刻每層水體溫度，K；Ti?use為釋能過程進(jìn)口水溫度，K。

定義釋能過程中出口熱水在一定時間內(nèi)累計輸出的總能量如下：

式中：ρ為水體密度(kg/m3)；To?use(t)為t時刻出水溫度，K。

將t=τusetuse代入式(2)得：

式中：vusetuse=Vst，而ρVst=8m，表示整箱水體的質(zhì)量，因此：

由于實驗中數(shù)據(jù)采集是一個離散的過程，不能達(dá)到時間上的連續(xù)，若假設(shè)每個數(shù)據(jù)采集時間間隔為 5 s，可將上述積分式(4)轉(zhuǎn)換成如下代數(shù)式以利于實驗數(shù)據(jù)的處理。

式中：k為截止釋能時間τuse的數(shù)據(jù)采集點數(shù)，即為τusetuse/5

進(jìn)一步將式(5)簡化為：

釋能效率定義如下：

(2) 有效釋能時間。自初始時刻至出水溫度下降幅度達(dá)到 20%時的無量綱釋能時間為τuse?0.8，即稱為有效釋能時間。

(3) 有效平均溫度：To?useyx為在有效釋能時間內(nèi)出口熱水的平均溫度，其公式如下：

式中：k為截止有效釋能時間τuse?0.8的數(shù)據(jù)采集點數(shù)，即為τuse?0.8tuse/5。

在上述分析的基礎(chǔ)上，本文綜合不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)水箱不同高度層水體溫度變化的實驗數(shù)據(jù)采用有效釋能效率評價指標(biāo)對水箱性能進(jìn)行如下分析。

3 討論與分析

3.1 頂層水溫變化

在一個單位釋能過程中，不同流量不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)水箱頂層溫度變化曲線如圖4所示。從圖4可以看出：在特定流量條件下，對于不同的進(jìn)口結(jié)構(gòu)，其頂層水溫產(chǎn)生拐點的無量綱釋能時間不同。當(dāng)流量為5 L/min時，多孔型進(jìn)口、楔形進(jìn)口和直接進(jìn)口的頂層水溫產(chǎn)生拐點的無量綱釋能時間分別為0.85，0.75和0.60，多孔型進(jìn)口結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度拐點的無量綱釋能時間比直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)大42%。同時，當(dāng)無量綱釋能時間達(dá)到0.85時，多孔型進(jìn)口結(jié)構(gòu)的頂層溫度達(dá)到58.2 ℃，而此時，楔形進(jìn)口和直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)的頂層溫度分別降至53.9 ℃和42.6 ℃，多孔型進(jìn)口結(jié)構(gòu)的頂層水溫比直接進(jìn)口水箱高出37%。當(dāng)無量綱釋能時間為1時，多孔型進(jìn)口、楔形進(jìn)口和直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)的頂層水溫分別降至 47.1，41.3和 34.7 ℃，降幅分別為 21%，31%和42%。

對比不同流量條件下，同種進(jìn)口結(jié)構(gòu)的頂層水溫變化可以發(fā)現(xiàn)：隨著流量的增加，同種進(jìn)口結(jié)構(gòu)頂層水溫產(chǎn)生拐點的無量綱釋能時間不同。當(dāng)流量由5 L/min增加至15 L/min時，多孔型進(jìn)口結(jié)構(gòu)頂層水溫產(chǎn)生溫度拐點的無量綱釋能時間由0.85降至0.75，降幅為11%，而此時，楔形進(jìn)口和直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)頂層水溫產(chǎn)生拐點的無量綱釋能時間也分別下降至0.55和0.25，降幅分別為26%和58%。

由上述分析可知：在特定流量條件下，不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)頂層水溫對底層冷水進(jìn)水的響應(yīng)時間不同。這是因為使用多孔型進(jìn)口結(jié)構(gòu)的水體熱分層較好，上下層水體混合程度較弱，從而導(dǎo)致頂層水溫在較長時間內(nèi)維持在較高水平。同時，隨著流量的增加，同種進(jìn)口結(jié)構(gòu)的頂層水溫對底層冷水進(jìn)水的響應(yīng)時間明顯加快。這是因為流量增加時，水體擾動增強，熱分層的破壞程度加劇。

3.2 第5層水溫變化

圖5所示為在一個單位釋能過程中，不同流量條件下不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)對應(yīng)的水箱第5層溫度。由圖5可以看出：整個釋能過程中直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)的溫度變化趨勢比較緩慢，溫度隨無量綱釋能時間的增加而均勻降低；多孔型和楔形進(jìn)口結(jié)構(gòu)的溫度變化比較劇烈，溫度隨釋能時間的增加出現(xiàn)不規(guī)則變化。在流量為 5 L/min的條件下，當(dāng)無量綱釋能時間為0.4時，多孔型進(jìn)口結(jié)構(gòu)的第5層溫度開始出現(xiàn)拐點，且溫度為57.5℃，而此時直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)的第5層水溫降至36.5 ℃，兩者溫差為21 ℃；當(dāng)無量綱釋能時間為0.6時，多孔型進(jìn)口和直接進(jìn)口的第 5層溫度分別降至 34.7 ℃和31.6 ℃，兩者溫差減小至3.1 ℃；當(dāng)無量綱釋能時間為1時，多孔型進(jìn)口結(jié)構(gòu)和直接進(jìn)口對應(yīng)的第5層溫度分別降至15.5 ℃和25.4 ℃，此時直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)對應(yīng)的溫度反而比多孔型進(jìn)口高9.9 ℃。由此說明，在釋能過程中，多孔型進(jìn)口結(jié)構(gòu)水箱的溫度梯度較大，上下層水體溫度變化較為顯著，熱量主要集中在上層，具有明顯的熱分層現(xiàn)象，而直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)的水體溫度分布較為均勻，沒有明顯的熱分層現(xiàn)象。另外，楔形進(jìn)口的溫度變化也較為劇烈，熱分層現(xiàn)象明顯，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)。

當(dāng)流量不同時，所有進(jìn)口結(jié)構(gòu)的第5層水體維持在高溫狀態(tài)的時間均出現(xiàn)下降，但多孔型和楔形進(jìn)口結(jié)構(gòu)所維持的時間均高于直接進(jìn)口。同時，釋能過程結(jié)束后，多孔型和楔形進(jìn)口結(jié)構(gòu)的第5層溫度比直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)更低。由此說明，多孔型和楔形進(jìn)口結(jié)構(gòu)對流量變化較為敏感，水體內(nèi)溫度場分布不均勻，熱量主要集中在上層；而直接進(jìn)口結(jié)構(gòu)隨流量變化產(chǎn)生的影響較小，熱量均勻分布，其整體性能要明顯劣于其他兩種進(jìn)口結(jié)構(gòu)形式。

綜合比較頂層與第5層水溫曲線可以看出：多孔型進(jìn)口結(jié)構(gòu)頂層水溫對冷水進(jìn)水的響應(yīng)最慢，水體熱分層明顯；直接型進(jìn)口結(jié)構(gòu)響應(yīng)最快，熱分層較弱；而楔形進(jìn)口相比于直接進(jìn)口也能有效改善釋能過程中的熱分層，并使頂層水溫在較長時間內(nèi)保持較高水平。

3.3 不同流量條件下有效釋能時間的比較

上述分析說明了不同流量條件下，不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)的水箱局部高度層的溫度場變化，為了進(jìn)一步分析水箱的整體性能，本文以有效釋能時間和有效釋能效率為指標(biāo)對儲能水箱進(jìn)行如下定量分析。

實驗中不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)水箱的有效釋能時間隨流量的變化如圖6所示。從圖6可以發(fā)現(xiàn)：無論流量如何變化，多孔型進(jìn)口結(jié)構(gòu)的有效釋能時間始終高于其他進(jìn)口結(jié)構(gòu)，而楔形進(jìn)口結(jié)構(gòu)也明顯高于直接進(jìn)口。當(dāng)流量為5 L/min時，多孔型進(jìn)口、楔形進(jìn)口和直接進(jìn)口的有效釋能時間分別是0.98，0.87和0.77。當(dāng)流量增至15 L/min時，各進(jìn)口結(jié)構(gòu)的有效釋能時間均明顯縮短。其中，多孔型進(jìn)口、楔形進(jìn)口和直接進(jìn)口水箱的有效釋能時間分別縮短了13%，30%和40%。

3.4 不同流量條件下有效釋能效率的比較

圖7所示為不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)水箱隨流量變化的有效釋能效率。

圖6 不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)的有效釋能時間隨流量變化Fig.6 Effective discharging time of three inlets with different flow rates

圖7 不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)的有效釋能效率隨流量變化Fig.7 Effective discharging efficiency of three inlets with different flow rates

從圖7可以看出：隨著流量的增加，所有進(jìn)口結(jié)構(gòu)的有效釋能效率均下降，同時多孔型進(jìn)口結(jié)構(gòu)的有效釋能效率始終高于其他進(jìn)口結(jié)構(gòu)，且楔形進(jìn)口的有效釋能效率也明顯高于直接進(jìn)口。當(dāng)流量為 5 L/min時，多孔型進(jìn)口結(jié)構(gòu)的有效釋能效率高達(dá)97%，此時，楔形進(jìn)口和直接進(jìn)口的有效釋能效率分別為 86%和76%。當(dāng)流量增加到15 L/min時，多孔型進(jìn)口結(jié)構(gòu)的有效釋能效率下降了13%，而楔形進(jìn)口和直接進(jìn)口的有效釋能效率降幅分別達(dá)30%和42%。由此可見：多孔型進(jìn)口對流量變化具有很好的適應(yīng)性，能夠顯著提高水箱性能，同時楔形進(jìn)口的性能也比直接進(jìn)口的性能好。

4 結(jié)論

(1) 多孔型進(jìn)口能夠最大限度地抑制低溫進(jìn)水的混合擾動，改善水體熱分層，提高水箱釋能效率，楔形進(jìn)口的性能稍次之，而直接進(jìn)口加大了進(jìn)口水流的擾動，強化了冷熱水的混合，熱分層不明顯，釋能效率較低。

(2) 在流量為5 L/min的條件下，當(dāng)無量綱釋能時間達(dá)到0.8時，多孔型進(jìn)口水箱和楔形進(jìn)口水箱的熱量仍集中在上層，頂層水溫仍保持在57 ℃以上，且分別比直接進(jìn)口水箱頂層水溫高28%和26%；當(dāng)流量增加至15 L/min且無量綱釋能時間達(dá)到0.8時，多孔型進(jìn)口、楔形進(jìn)口水箱的頂層水溫分別降至 55.6 ℃和35.7 ℃，分別比直接進(jìn)口水箱的頂層水溫高 67%和7%。同時，在整個釋能過程中，多孔型進(jìn)口的第5層水溫變化梯度最大，溫度分層現(xiàn)象最為明顯，楔形進(jìn)口稍次之，直接進(jìn)口的第5層水溫變化最為平緩，冷熱水混合程度最大。

(3) 隨著流量的增加，所有進(jìn)口結(jié)構(gòu)的熱分層均遭到破壞。在5 L/min流量條件下，多孔型和楔形進(jìn)口相對于直接進(jìn)口其有效釋能效率改進(jìn)百分比分別達(dá)到27%和13%。由于不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)對于流量的敏感程度不一樣，當(dāng)流量增加時，不同進(jìn)口水箱的有效釋能效率的差距增大，當(dāng)流量為15 L/min時，多孔型進(jìn)口和楔形進(jìn)口對應(yīng)的有效釋能效率分別比直接進(jìn)口高出91%和37%，這2種結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)勢十分明顯，值得推廣使用。

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