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(huì)可持續(xù)發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)家稱，能源短缺造成的國(guó)民經(jīng)濟(jì)損失約為其自身價(jià)值的20-60 倍[1]。中國(guó)的能源短缺問題嚴(yán)重制約了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，80 年代以后，中國(guó)能源總消耗量年增長(zhǎng)率為5%左右[2]。近年來，中國(guó)的能源短缺嚴(yán)重，石油進(jìn)口量逐年增加，對(duì)進(jìn)口能源的依賴程度不斷提高。2017 年中國(guó)原油總消耗量6.1 億噸，同比增長(zhǎng)6.1%，對(duì)外依存度上升至67.4%[3]。我國(guó)太陽能資源較為豐富，年日照量大于2200 h 的國(guó)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(diǎn)，越來越成為全球各國(guó)研究的焦點(diǎn)。但其也具有間斷性和不穩(wěn)定的特點(diǎn)，對(duì)于太陽能熱水系統(tǒng)，最為經(jīng)濟(jì)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(chǔ)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(jiǎn)單，體積小，設(shè)計(jì)靈活，易于管理等特點(diǎn)。通過對(duì)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(chǔ)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)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(jìn)口結(jié)構(gòu)，進(jìn)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(chǔ)熱水箱的儲(chǔ)熱量。其系統(tǒng)主要由儲(chǔ)熱水箱、恒溫水箱、恒溫水槽、循環(huán)水泵、變頻水泵、流量計(jì)、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(shí)驗(yàn)原理圖

圖2 相變材料在水箱內(nèi)的分布

儲(chǔ)熱水箱是一個(gè)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(jìn)出口位置包裹有厚30 mm、導(dǎo)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(duì)水箱的供熱。水箱采用下進(jìn)上出進(jìn)水方式。水箱內(nèi)部共布置有16 根鉑電阻作為測(cè)溫傳感器，精度為±0.15 ℃，從上至下依次被標(biāo)記為測(cè)溫點(diǎn)1-16，間隔距離為40 mm。儲(chǔ)熱水箱豎直方向上布置有四層焊點(diǎn)用于放置置物架，置物架分別距箱底200 mm、300 mm、400 mm、500 mm。實(shí)驗(yàn)時(shí)，43 個(gè)相變蓄熱小球放置于置物架上方，從上到下依次被標(biāo)記為第一、二、三、四層，如圖2 所示。實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)FLR1013-D 型渦街流量計(jì)和Agilent 34970 的數(shù)據(jù)記錄儀，用以采集鉑電阻的溫度信號(hào)和流量計(jì)的電壓信號(hào)，掃描時(shí)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(cè)得其物性參數(shù)如表1 所示。循環(huán)泵采用型號(hào)為DESUN DS3502 的無刷直流水泵。供水泵采用型號(hào)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(gè)相變蓄熱小球。

當(dāng)水箱內(nèi)各層溫度為80±0.5 ℃時(shí)，即可近似認(rèn)為儲(chǔ)熱水箱內(nèi)溫度均勻。從進(jìn)水瞬間記錄各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度，調(diào)節(jié)變頻水泵并通過流量計(jì)來控制進(jìn)水流量2 L/min 、6L/min、10 L/min。

2 水箱特性計(jì)算

2.1 無量綱時(shí)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(duì)比不同的流量工況下水箱的分層特性，定義無量綱時(shí)間τ 為水箱進(jìn)水時(shí)間t 與當(dāng)前流量下完全置換整箱水的時(shí)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(jìn)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(gè)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(gè)度量，表征實(shí)驗(yàn)水箱的? 值與完美分層水箱?值的偏離度。計(jì)算方法如下：

3 實(shí)驗(yàn)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(jìn)口流量為2 L/min、6 L/min、10 L/min 的工況下，出口水溫度（測(cè)點(diǎn)1 溫度）及水箱內(nèi)部從上至下的測(cè)點(diǎn)2- 測(cè)點(diǎn)15 的溫度隨無量綱時(shí)間的變化趨勢(shì)可用溫度曲線形式表現(xiàn)出來。

當(dāng)相變蓄熱材料處于第四層時(shí)，均流水箱在進(jìn)口流量為2 L/min、6 L/min、10 L/min 的工況下，出口水溫度（測(cè)點(diǎn)1 溫度）及水箱內(nèi)部從上至下的測(cè)點(diǎn)2- 測(cè)點(diǎn)15 的溫度隨無量綱時(shí)間而變化，隨著進(jìn)口流量的增大，各個(gè)溫度層的溫度變化拐點(diǎn)并未同普通水箱一樣過早出現(xiàn)，表明水箱進(jìn)口處的均流裝置起到了較強(qiáng)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(jìn)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(chǔ)熱水箱的Ri 數(shù)隨無量綱時(shí)間增加的變化情況，可用溫度曲線形式表現(xiàn)出來。

不同進(jìn)口流量下，不同水箱的Ri 數(shù)變化基本一致。隨著無量綱時(shí)間的增加，不同儲(chǔ)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(jìn)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(shí)的水箱分層性要高于其他的水箱。此后，隨著進(jìn)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(dǎo)熱系數(shù)較小，因此對(duì)周圍冷流體的溫度提升作用有限，儲(chǔ)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(jìn)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(shí)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(huì)影響水箱內(nèi)的流動(dòng)和熱分層情況，因此我們需要對(duì)相變蓄熱材料處于不同位置時(shí)對(duì)水箱?效率的影響進(jìn)行對(duì)比分析。五種不同水箱在不同進(jìn)口流量下的?效率變化規(guī)律基本一致，釋熱開始時(shí)，所有水箱的?效率都為1，隨著無量綱時(shí)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(shí)候，開始陡然下降，斜率相對(duì)更大，流量越大時(shí)，這種現(xiàn)象越明顯。這是由于流量更大時(shí)，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。可以觀察到，進(jìn)口流量為2 L/min 及4 L/min 時(shí)，蓄熱材料處于第一層時(shí)，其?效率在整個(gè)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(shí)，相變蓄熱材料有更加長(zhǎng)的時(shí)間釋放出相變潛熱，對(duì)所在水層起到一定的再熱作用，其他層遠(yuǎn)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(shí)，釋熱過程更短，且相變潛熱是一個(gè)緩慢釋放的過程，相變潛熱無法充分釋放，導(dǎo)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(jìn)口流量對(duì)水箱內(nèi)各溫度點(diǎn)隨無量綱時(shí)間的變化情況，在初始水溫80℃、進(jìn)水溫度20℃的工況下，通過相變蓄熱水箱實(shí)驗(yàn)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(chǔ)熱水箱的蓄熱量增加了3.14%。

4.2 隨著進(jìn)口的流量的增大，Ri 數(shù)減小，儲(chǔ)熱水箱熱分層程度減弱；當(dāng)進(jìn)口流量為2 L/min 和4 L/min 時(shí)，相變材料在第一層時(shí)的水箱熱分層程度要強(qiáng)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(jìn)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。