周志鋼 王 維

（1、上海錦立保鮮科技有限公司，上海201201 2、摩丁熱能技術(shù)（無錫）有限公司，江蘇 無錫214112）

能源問題在現(xiàn)代社會可持續(xù)發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。據(jù)經(jīng)濟學家稱，能源短缺造成的國民經(jīng)濟損失約為其自身價值的20-60 倍[1]。中國的能源短缺問題嚴重制約了國民經(jīng)濟的發(fā)展，80 年代以后，中國能源總消耗量年增長率為5%左右[2]。近年來，中國的能源短缺嚴重，石油進口量逐年增加，對進口能源的依賴程度不斷提高。2017 年中國原油總消耗量6.1 億噸，同比增長6.1%，對外依存度上升至67.4%[3]。我國太陽能資源較為豐富，年日照量大于2200 h 的國土面積超過三分之二，年輻射量超過5000 MJ/m2[4]。太陽能因其具有的清潔性、廣泛性、易獲得性、能量巨大性等特點，越來越成為全球各國研究的焦點。但其也具有間斷性和不穩(wěn)定的特點，對于太陽能熱水系統(tǒng)，最為經(jīng)濟的方式是以水作為蓄熱介質(zhì)。蓄熱技術(shù)能顯著提高太陽能熱利用效率，而儲熱水箱作為集熱系統(tǒng)的主要組成部件，其蓄、放熱特性影響著整體性能。相變材料具有潛熱量大，能量密度高，裝置簡單，體積小，設(shè)計靈活，易于管理等特點。通過對相變材料潛熱量的利用，可以提高系統(tǒng)的單位體積蓄熱量，減小儲熱體積。李培濤等[5]研究了圓柱形等距螺旋盤管式相變蓄熱裝置蓄熱性能。王劍峰等[6]研究了組合式相變材料蓄熱系統(tǒng)中相變溫度分布。

1 實驗系統(tǒng)

本實驗主要模擬太陽能水箱系統(tǒng)，引入一種具有均流作用的新型水箱進口結(jié)構(gòu)，進口結(jié)構(gòu)是改善水箱的熱分層效果，添加的相變蓄熱材料則可增加儲熱水箱的儲熱量。其系統(tǒng)主要由儲熱水箱、恒溫水箱、恒溫水槽、循環(huán)水泵、變頻水泵、流量計、球閥、相變蓄熱球及PPR 管連接組成，原理圖如圖1 所示。

圖1 實驗原理圖

圖2 相變材料在水箱內(nèi)的分布

儲熱水箱是一個直徑357 mm，高600 mm 的不銹鋼圓筒，有效容積為60 L，箱四周及進出口位置包裹有厚30 mm、導熱系數(shù)為0.024 W/（K·m）的保溫材料。水箱內(nèi)部裝有1.5 kW 的電加熱棒，用以模擬太陽能對水箱的供熱。水箱采用下進上出進水方式。水箱內(nèi)部共布置有16 根鉑電阻作為測溫傳感器，精度為±0.15 ℃，從上至下依次被標記為測溫點1-16，間隔距離為40 mm。儲熱水箱豎直方向上布置有四層焊點用于放置置物架，置物架分別距箱底200 mm、300 mm、400 mm、500 mm。實驗時，43 個相變蓄熱小球放置于置物架上方，從上到下依次被標記為第一、二、三、四層，如圖2 所示。實驗采用型號FLR1013-D 型渦街流量計和Agilent 34970 的數(shù)據(jù)記錄儀，用以采集鉑電阻的溫度信號和流量計的電壓信號，掃描時間間隔設(shè)定為2s。本文所用的相變蓄熱球經(jīng)差式掃描量熱法（DSC）及熱常數(shù)分析儀測得其物性參數(shù)如表1 所示。循環(huán)泵采用型號為DESUN DS3502 的無刷直流水泵。供水泵采用型號為DC50E-24150A 的直流變頻泵，恒溫水箱容積120L。為保證水箱每層盡可能多地放置相變蓄熱小球，每層最終均勻放置43 個相變蓄熱小球。

當水箱內(nèi)各層溫度為80±0.5 ℃時，即可近似認為儲熱水箱內(nèi)溫度均勻。從進水瞬間記錄各個測點的溫度，調(diào)節(jié)變頻水泵并通過流量計來控制進水流量2 L/min 、6L/min、10 L/min。

2 水箱特性計算

2.1 無量綱時間

表1 相變蓄熱球物性參數(shù)表

為了更方便直觀地研究對比不同的流量工況下水箱的分層特性，定義無量綱時間τ 為水箱進水時間t 與當前流量下完全置換整箱水的時間T 的比值，公式如下：

2.2 Richardson 數(shù)（理查德森數(shù)）

理查德森數(shù)（Ri 數(shù)）通常被用來比較不同進口流量下，水箱內(nèi)的熱分層情況。它是表示浮升力與混合力的比值的一個無量綱數(shù)。其公式如下所示：

2.3 ?效率

?是反應(yīng)能量的“數(shù)量”與能量之間“質(zhì)”的差別的一個度量，表征實驗水箱的? 值與完美分層水箱?值的偏離度。計算方法如下：

3 實驗分析

3.1 溫度曲線分析

不含相變蓄熱材料的均流水箱在進口流量為2 L/min、6 L/min、10 L/min 的工況下，出口水溫度（測點1 溫度）及水箱內(nèi)部從上至下的測點2- 測點15 的溫度隨無量綱時間的變化趨勢可用溫度曲線形式表現(xiàn)出來。

當相變蓄熱材料處于第四層時，均流水箱在進口流量為2 L/min、6 L/min、10 L/min 的工況下，出口水溫度（測點1 溫度）及水箱內(nèi)部從上至下的測點2- 測點15 的溫度隨無量綱時間而變化，隨著進口流量的增大，各個溫度層的溫度變化拐點并未同普通水箱一樣過早出現(xiàn)，表明水箱進口處的均流裝置起到了較強的穩(wěn)流作用，降低了流量增加帶來的冷熱水之間的摻混效應(yīng)，斜溫層厚度比普通水箱明顯減小，分層效果提升。

3.2 Ri 數(shù)（理查德森數(shù)）分析

進口流量在2 L/min，4 L/min，6 L/min，8 L/min，10 L/min下，五種不同的儲熱水箱的Ri 數(shù)隨無量綱時間增加的變化情況，可用溫度曲線形式表現(xiàn)出來。

不同進口流量下，不同水箱的Ri 數(shù)變化基本一致。隨著無量綱時間的增加，不同儲熱水箱的Ri 數(shù)都是增大，表明水箱內(nèi)熱分層程度逐步提升，且隨著進口的流量的增大，Ri 數(shù)減小，相變材料處于第一層的水箱Ri 數(shù)大于處于其他三層的水箱，表明相變材料在第一層時的水箱分層性要高于其他的水箱。此后，隨著進口流量的增加，普通均流水箱的分層效果要優(yōu)于相變水箱，主要是由于釋熱過程越快，而相變材料的導熱系數(shù)較小，因此對周圍冷流體的溫度提升作用有限，儲熱水箱的出口溫度降低，由公式（4）可知，普通均流水箱的Ri 數(shù)高于相變均流水箱。

3.3 ?效率分析

在進口流量為2 L/min、4 L/min、6 L/min、8 L/min、10 L/min 的工況下，普通水箱和相變蓄熱材料處于四種不同位置相變水箱的?效率隨無量綱時間的變化情況,可用溫度曲線形式表現(xiàn)出來。

相變蓄熱材料在不同位置會影響水箱內(nèi)的流動和熱分層情況，因此我們需要對相變蓄熱材料處于不同位置時對水箱?效率的影響進行對比分析。五種不同水箱在不同進口流量下的?效率變化規(guī)律基本一致，釋熱開始時，所有水箱的?效率都為1，隨著無量綱時間的增大，火 用效率逐漸減低，且在最初下降得較為緩慢，釋熱接近結(jié)束的時候，開始陡然下降，斜率相對更大，流量越大時，這種現(xiàn)象越明顯。這是由于流量更大時，水箱內(nèi)的摻混較大，分層情況更差，水箱內(nèi)部冷熱水的分布更加偏離于完美分層水箱?？梢杂^察到，進口流量為2 L/min 及4 L/min 時，蓄熱材料處于第一層時，其?效率在整個釋熱過程中始終大于其他四種水箱，這主要是由于低流量時，相變蓄熱材料有更加長的時間釋放出相變潛熱，對所在水層起到一定的再熱作用，其他層遠離出口水，再熱作用更加微弱，造成相變材料在第一層的水箱?效率更高，而流量大于4 L/min 時，釋熱過程更短，且相變潛熱是一個緩慢釋放的過程，相變潛熱無法充分釋放，導致?效率更低。

4 結(jié)論

本文基于三水合乙酸鈉，研究了不同相變蓄熱球位置和進口流量對水箱內(nèi)各溫度點隨無量綱時間的變化情況，在初始水溫80℃、進水溫度20℃的工況下，通過相變蓄熱水箱實驗系統(tǒng)，分析了蓄熱水箱的熱分層特性，研究結(jié)果表明：

4.1 相變蓄熱材料的增加提升了水箱的初始能量，變蓄熱材料使得儲熱水箱的蓄熱量增加了3.14%。

4.2 隨著進口的流量的增大，Ri 數(shù)減小，儲熱水箱熱分層程度減弱；當進口流量為2 L/min 和4 L/min 時，相變材料在第一層時的水箱熱分層程度要強于其他的水箱。

4.3 由于相變蓄熱材料本身體積占據(jù)了水箱內(nèi)部分容積，高進口流量下，相變潛熱釋放不完全，所以?效率低于不含相變材料的水箱。