趙 恒, 王 芃, 吳金龍, 丁 立, 王 威

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150090; 2.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150001)

1 概述

蓄熱水罐是區(qū)域供熱系統(tǒng)中平衡供需熱量、利用低谷電儲存熱量的裝置。在蓄熱水罐中,由于冷熱水的密度差,在冷熱水的交界區(qū)域形成溫度梯度較大的斜溫層[1],有效控制斜溫層的厚度可以提高蓄熱水罐蓄熱效率及可用能品質(zhì)[2]。

蓄熱水罐的溫度分層效果與多因素有關(guān),包括水罐和布水器結(jié)構(gòu)、進(jìn)水流量、進(jìn)出水溫差等[3]。Ievers等[4]、戈志華等[5]研究發(fā)現(xiàn)影響水罐內(nèi)部熱分層最主要的因素是進(jìn)口水流造成的擾動(dòng),而布水器的設(shè)計(jì)形式及其結(jié)構(gòu)決定了進(jìn)口水流的摻混程度,從而影響斜溫層厚度。布水器作為蓄熱水罐中實(shí)現(xiàn)水流穩(wěn)定分層的關(guān)鍵部件,能夠使出流更加均勻,對于減少擾動(dòng)、抑制水流摻混、減小斜溫層厚度具有重要作用。布水器形式多樣,包括八角形、H形和圓形等。Karim[6]對布水器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)八角形布水器比分布式布水器具有更好的性能。Chung等[7]研究表明布水器的幾何結(jié)構(gòu)是影響分層效果的重要因素。王子燁等[8]進(jìn)行了H形布水器的設(shè)計(jì)與研究,通過改善布水器孔口的出流區(qū)域,控制斜溫層厚度。戈志華等[5]以配置圓形布水器的圓柱形蓄熱水箱為對象進(jìn)行模擬研究,結(jié)果顯示在進(jìn)水流量一定時(shí),隨著布水器開孔數(shù)量增多及開孔直徑變大,斜溫層會減薄。胡國霞[9]對不同開孔間距和開孔直徑的圓形布水器進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)表明開孔間距與開孔高度的比為1～2的布水器的性能更好。

除以上布水器外,還有一種結(jié)構(gòu)更簡單的孔板布水結(jié)構(gòu),其影響布水性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為開孔面積和開孔數(shù)量。韓延民等[10]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析的方法進(jìn)行研究,結(jié)果表明水箱擋板能有效地控制水箱中的湍流耗散。Altuntop等[11]對比了12種不同類型的擋板對罐內(nèi)溫度場的影響,研究發(fā)現(xiàn),在罐內(nèi)布置擋板能提高熱分層效果,擋板中間有空隙比邊緣部分有空隙具有更好的分層效果。白鵑[12]發(fā)現(xiàn)在蓄熱水罐內(nèi)添加均流孔板可以明顯減小斜溫層厚度,并且在高雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)下有明顯優(yōu)勢。

目前已有的研究大多以布水器為研究對象,對孔板布水結(jié)構(gòu)的研究較少。本文以上下裝配孔板的圓柱形蓄熱水罐為研究對象,搭建蓄熱水罐蓄熱性能實(shí)驗(yàn)臺。設(shè)計(jì)多工況實(shí)驗(yàn)條件,以斜溫層厚度為評價(jià)指標(biāo),研究孔板布水結(jié)構(gòu)參數(shù)(開孔面積比、開孔數(shù)量)對蓄熱性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

為了使進(jìn)入蓄熱水罐的水溫穩(wěn)定,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)按開式系統(tǒng)設(shè)計(jì),將供水與回水分置在兩個(gè)水箱中。蓄熱水罐蓄熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見圖1,安裝完成后實(shí)驗(yàn)臺實(shí)景見圖2。

圖1 蓄熱水罐蓄熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 蓄熱水罐蓄熱實(shí)驗(yàn)臺實(shí)景

實(shí)驗(yàn)臺主體管道公稱直徑為20 mm,流量計(jì)前后過渡段管道公稱直徑為10 mm,均為鋼管。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段的高溫水和低溫水由電加熱器制備。實(shí)驗(yàn)臺主要設(shè)備和計(jì)量儀表主要參數(shù)和規(guī)格見表1,表1中無型號的設(shè)備或計(jì)量儀表均為定制。其中流量計(jì)前后過渡段管道長度滿足JJG 164—2000《液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程》的要求。

實(shí)驗(yàn)蓄熱水罐為圓筒形,內(nèi)直徑350 mm,外直徑360 mm,內(nèi)高700 mm,外高720 mm,進(jìn)出水管公稱直徑均為20 mm。在罐體內(nèi),距頂部和底部60 mm處均設(shè)置孔板。罐體以上下孔板為界分為3部分,分別為上孔板上部罐體、中間罐體、下孔板下部罐體,通過法蘭連接各部分罐體和固定孔板。罐體外側(cè)和管道采用橡塑材料保溫。蓄熱水罐剖面見圖3,圖中標(biāo)注數(shù)值相應(yīng)的單位均為mm。

圖3 蓄熱水罐剖面(軟件截圖)

在罐體內(nèi)布置24個(gè)溫度測點(diǎn),測量蓄熱水罐內(nèi)不同高度的溫度。共分8組,同一高度上的3個(gè)測點(diǎn)為一組,測點(diǎn)均在中心截面上,從高到低記為1～8組。測點(diǎn)的水平間距為87 mm,垂直間距為70 mm。

3 實(shí)驗(yàn)原理與方案

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

為得到實(shí)驗(yàn)蓄熱水罐入口流速,按原型蓄熱水罐依據(jù)相似原理進(jìn)行計(jì)算。

原型蓄熱水罐內(nèi)高2.8 m,內(nèi)直徑1.4 m,原型蓄熱水罐結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)蓄熱水罐相同,實(shí)驗(yàn)蓄熱水罐與原型蓄熱水罐相似比0.25,進(jìn)行相似?；Ｔ托顭崴薰┧髁?.35 m3/h,高溫水溫度50 ℃,低溫水溫度20 ℃。計(jì)算得出原型蓄熱水罐入口流速為0.185 m/s。依據(jù)原型蓄熱水罐結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)確定實(shí)驗(yàn)蓄熱水罐入口流速。

蓄熱水罐蓄熱過程的相似需要滿足幾何相似、流動(dòng)相似、導(dǎo)熱相似、邊界條件相似[13],具體如下。

① 幾何相似

實(shí)驗(yàn)蓄熱水罐及其他結(jié)構(gòu)與原型蓄熱水罐及其他結(jié)構(gòu)保持幾何形狀相同。

② 流動(dòng)相似

流動(dòng)相似可以由雷諾數(shù)、歐拉數(shù)、弗勞德數(shù)表示。由于實(shí)驗(yàn)中水處于封閉的受迫流動(dòng)狀態(tài),重力影響可以忽略不計(jì),故不考慮弗勞德數(shù)。歐拉數(shù)為非定性特征數(shù),且其包含的非單值條件為壓差,不是本文研究的對象,故也不考慮歐拉數(shù)。因此,流動(dòng)相似只考慮雷諾數(shù)Re。

③ 導(dǎo)熱相似

導(dǎo)熱相似根據(jù)導(dǎo)熱方程式[14]推導(dǎo)可知,傅里葉數(shù)與貝克來數(shù)互為倒數(shù),故只需考慮其中一個(gè),這里考慮貝克來數(shù)Pe。存在關(guān)系Pr=Pe/Re,普朗特?cái)?shù)Pr包含了流體的物理參數(shù),只要保證實(shí)驗(yàn)蓄熱水罐流體與原型蓄熱水罐相同,流體溫度設(shè)定相同,就可以滿足兩者的普朗特?cái)?shù)相等。因此導(dǎo)熱相似只需要考慮雷諾數(shù)即可。

④ 邊界條件相似

本文主要針對蓄熱過程中的斜溫層厚度進(jìn)行研究,且罐體外部包裹保溫層,罐體散熱對斜溫層的影響可以忽略。

綜上,原型蓄熱水罐與實(shí)驗(yàn)蓄熱水罐的雷諾數(shù)相等即可完成相似模化,由此得出實(shí)驗(yàn)蓄熱水罐入口流速計(jì)算式為:

(1)

式中u2——實(shí)驗(yàn)蓄熱水罐入口流速,m/s

u1——原型蓄熱水罐入口流速,m/s

C——實(shí)驗(yàn)蓄熱水罐與原型蓄熱水罐相似比

經(jīng)計(jì)算,得出實(shí)驗(yàn)蓄熱水罐入口流速為0.74 m/s。以此入口流速進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

具體試驗(yàn)步驟如下。

① 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前,除低溫水箱外的系統(tǒng)內(nèi)充滿水。開啟水泵,調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度,使進(jìn)入蓄熱水罐的流量穩(wěn)定在設(shè)定流量。

② 通過電加熱器將蓄熱水罐中的水加熱至設(shè)定的低溫水溫度,然后調(diào)整電加熱器將高溫水箱中的水加熱至設(shè)定的高溫水溫度。

③ 將高溫水箱中的高溫水送入蓄熱水罐,排出的低溫水流入低溫水箱。實(shí)驗(yàn)過程中,每6 s記錄一組數(shù)據(jù),直至蓄熱水罐出水管處測點(diǎn)8(見圖3)的溫度穩(wěn)定為高溫水溫度。至此,一次蓄熱實(shí)驗(yàn)完成。

④ 進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)時(shí),將蓄熱水罐中的高溫水全部送回高溫水箱,調(diào)整實(shí)驗(yàn)條件(如更換孔板)將低溫水箱中的低溫水送入蓄熱水罐,使蓄熱水罐中充滿低溫水。重復(fù)步驟②③。

3.3 實(shí)驗(yàn)方案

定義孔板的總開孔面積與蓄熱水罐截面積之比為孔板開孔面積比。根據(jù)有無孔板和不同的孔板結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)11組實(shí)驗(yàn)方案,同一實(shí)驗(yàn)方案中上下兩孔板的開孔方案保持一致,具體實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2,方案0為無孔板的情況。11組實(shí)驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)蓄熱水罐入口流速均為0.74 m/s。

表2 實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)參數(shù)

不同開孔面積比的單孔方案及多孔方案開孔位置相同。以方案1和方案6為例,孔的布置見圖4,圖中數(shù)值相應(yīng)的單位為mm。

圖4 方案1和方案6孔板開孔位置(軟件截圖)

3.4 蓄熱性能評價(jià)指標(biāo)

以斜溫層厚度[14]作為蓄熱性能評價(jià)指標(biāo)。本文中的斜溫層厚度指斜溫層溫度范圍對應(yīng)高度與蓄熱水罐內(nèi)高之比。斜溫層厚度越小,高低溫水之間的溫度梯度越大,水箱的溫度分層效果越好。

引入無量綱溫度θβ,計(jì)算式為:

(2)

式中θβ——無量綱溫度

θ——斜溫層內(nèi)某點(diǎn)溫度,℃

θC——蓄熱水罐入口溫度,℃,取50 ℃

θH——蓄熱水罐初始溫度,℃,取20 ℃

以無量綱溫度區(qū)間為[0.15,0.85]時(shí),流體在蓄熱水罐內(nèi)的高度來確定斜溫層厚度。按本文的實(shí)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算,斜溫層溫度范圍為[24.5,45.5] ℃。

定義蓄熱水罐蓄熱過程進(jìn)行時(shí)間與空蓄熱水罐充滿所需時(shí)間的比值為無量綱時(shí)間tβ,表征蓄熱水罐蓄熱、放熱進(jìn)度的時(shí)間尺度。tβ的取值范圍為0～1,tβ=1時(shí)高溫水將蓄熱水罐內(nèi)的低溫水全部置換完畢。

3.5 蓄熱水罐入口溫度控制

蓄熱水罐蓄熱過程中,蓄熱水罐入口溫度是影響罐內(nèi)高低溫水換熱的重要參數(shù)。各方案蓄熱水罐入口溫度隨無量綱時(shí)間變化見圖5。

圖5 各方案蓄熱水罐入口溫度隨無量綱時(shí)間的變化

由于電加熱器精度原因,無法精確控制高溫水溫度在50 ℃、低溫水溫度在20 ℃,各個(gè)方案的高、低溫水溫度不同。電加熱器控制的高溫水溫度范圍為[49.5,50.5] ℃,控制的低溫水溫度范圍為[19.5,20.5] ℃。

由圖5可見,tβ=0.1時(shí),蓄熱水罐入口溫度與高溫水溫度相差2 ℃左右,無量綱時(shí)間tβ≤0.4時(shí),蓄熱水罐入口溫度并未達(dá)到高溫水溫度,這是電加熱器至蓄熱水罐之間的管段內(nèi)存有低溫水,低溫水與高溫水換熱導(dǎo)致。無量綱時(shí)間tβ≥0.5時(shí),各方案入口溫度基本穩(wěn)定在高溫水溫度,部分方案高溫水溫度較高。各方案蓄熱水罐入口溫度在tβ=0.6時(shí)均穩(wěn)定在高溫水溫度范圍。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 孔板開孔數(shù)量對蓄熱性能的影響

① 對斜溫層持續(xù)時(shí)間的影響

對比無孔方案0、單孔方案1和多孔方案6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分析無孔、單孔、多孔孔板結(jié)構(gòu)在蓄熱水罐內(nèi)的布水作用。在不同時(shí)刻下方案0、方案1、方案6蓄熱過程罐內(nèi)各組測點(diǎn)平均溫度分布見圖6。

圖6 在不同時(shí)刻下方案0、方案1、方案6蓄熱過程罐內(nèi)各組測點(diǎn)平均溫度分布

由圖6可見,罐內(nèi)斜溫層隨時(shí)間在罐內(nèi)逐漸由上向下移動(dòng)。斜溫層所在位置溫度梯度較大,其他位置溫度梯度較小。

根據(jù)圖6a,無孔板時(shí),蓄熱水罐斜溫層在0.2≤tβ≤0.3時(shí)生成,在tβ=0.5后消失;根據(jù)圖6b、6c,布置單孔和多孔孔板時(shí),蓄熱水罐斜溫層在0.2≤tβ≤0.3時(shí)生成,tβ=0.6后消失,說明布置孔板后無量綱時(shí)間為0.6時(shí)的斜率會比布置之前的斜率大,意味著斜溫層持續(xù)時(shí)間增加。在蓄熱水罐中布置孔板,可以有效延長蓄熱過程中斜溫層的持續(xù)時(shí)間。

② 對斜溫層厚度的影響

根據(jù)蓄熱水罐內(nèi)溫度分布,插值估算斜溫層厚度,在不同時(shí)刻下方案0、方案1、方案6蓄熱過程斜溫層厚度變化見圖7。

圖7 在不同時(shí)刻下方案0、方案1、方案6蓄熱過程斜溫層厚度變化

由圖7可見,在蓄熱過程中無孔板和布置孔板蓄熱水罐內(nèi)的斜溫層厚度隨無量綱時(shí)間的變化趨勢大致相同,布置單孔和多孔孔板后的斜溫層厚度均小于無孔板方案。

4.2 孔板開孔面積比對蓄熱性能影響

為研究單孔和多孔孔板開孔面積比對蓄熱性能的影響,分別繪制單孔方案1～5和多孔方案6～10蓄熱過程中斜溫層厚度隨開孔面積比的變化曲線,見圖8。

圖8 單孔和多孔孔板斜溫層厚度隨開孔面積比的變化

對于單孔方案,由圖8a可見,開孔面積比為0.1、0.2時(shí),斜溫層厚度隨蓄熱時(shí)間增加的變化趨勢相同。在開孔面積比為0.2時(shí),斜溫層厚度變化幅度降低,斜溫層厚度減小。開孔面積比大于0.2時(shí),斜溫層厚度隨蓄熱時(shí)間增加波動(dòng)幅度變大,斜溫層穩(wěn)定性降低。對比各單孔方案的斜溫層厚度,在開孔面積比為0.2時(shí),斜溫層最穩(wěn)定,且厚度較小。

對于多孔方案,由圖8b可見,在0.3≤tβ≤0.5時(shí),斜溫層厚度隨開孔面積比的變化趨勢相近,在開孔面積比為0.2時(shí),斜溫層厚度最小。tβ=0.6時(shí),斜溫層只在開孔面積比為0.1、0.2時(shí)存在,開孔面積比大于0.2時(shí),斜溫層消失。

5 結(jié)論

① 在蓄熱水罐中布置孔板,可以有效延長蓄熱過程中斜溫層的持續(xù)時(shí)間,減小生成的斜溫層厚度。

② 對于單孔、多孔孔板方案,最佳開孔面積比均為0.2。