新型進水口結構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 能源與環境學院，江蘇 南京，210096；2. 上海核工程研究設計院，上海，200233)

在儲能水箱的釋能過程中，水箱內部水體存在熱分層現象，提高熱分層效果能有效提高釋能效率[1?4]。影響水箱內部熱分層的一個重要的因素是進口水流造成的擾動。優化進口結構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。國外學者在這一領域進行了模擬及實驗研究。Altuntop等[5]通過數值方法研究了水箱中設置阻擋件對水體溫度分層的影響，發現設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的無量綱參數，這些參數包括混合數、理查遜數、出流效率、雷諾數和貝克萊數。通過對實驗數據的分析發現：只有理查遜數和出流效率能夠有效地評價水箱內的熱分層效應。Al-Najem等[7]利用數值方法對水箱內的湍流混合參數進行研究，并發展了基于Chapeau-Galerkin 積分公式的效率計算準則。計算結果表明在進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口溫度、變進口形狀條件下水箱釋能性能。發現進口形狀是影響水箱釋能性能最關鍵的因素，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的分層效應，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理以優化設計參數和運行參數從而獲得最大效率。并設計了一套基于Simpler算法的計算機程序對水箱中的流動進行模擬計算。計算結果表明大型的水箱比小型水箱具有更好的性能，進口水流速對熱分層的影響不明顯。

我國目前跟這一領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]對高溫水蓄冷空調系統進行了實驗研究，全面考察了該系統最大蓄冷能力、水箱溫度分布、蓄冷過程制冷系統的運行特性等。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，并認為每一層內的水是等溫的。蓄冷桶內的水沿軸向流動被近似為某一層水在離散化時間步長內向上移動一層。實際操作中，在蓄冷桶的進、出口處都裝有擴散器。通過數值模擬，得到了水溫在時間和空間上的分布規律，并且認為斜溫層的存在有利于空調水蓄冷系統，減少了冷、溫水混合。于航等[12?13]對于大溫差水蓄冷空調系統進行了模擬，并對斜溫層的形成及發展進行了研究。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，并進行比較分析，優化布水器的設計。趙軍等[14]進行了分層型蓄冷水箱中擴散器的設計與實驗研究。提出了擴散器設計的基本假設及方法。實驗結果表明按照分層型蓄冷水箱中擴散器的設計條件，可以保證分層型蓄能水箱經濟、可靠地運行。韓延民等[15?16]對國外大量有關水箱熱分層的研究進行了詳細的歸納總結，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，并在此基礎之上提出一種臥式熱分區太陽能儲熱水箱結構，通過內置導流板改善水箱中流道有效抑制了水箱內的湍流耗散，并建立此水箱的數值模型進行數值模擬，計算結果表明了該新型水箱較傳統水箱有更好的熱分層特性，并結合實驗對計算結果進行了驗證。

綜上所述，有必要提出一種能直觀表達水箱釋能效率的評價指標，并將其用于新型的進出水口結構對水箱釋能效率的影響的對比研究。因此，本文作者對3種進口結構的儲能水箱釋能過程進行實驗研究，并使用有效釋能效率指標對3種不同結構的釋能效率進行定量分析，研究結果可以為儲能水箱的進出口結構設計提供參考數據。

1 實驗系統

本實驗系統主要研究不同進口結構對于水箱釋能效率的影響作用。水箱設計成規格為 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口結構進行更改，從而研究不同進口結構的水箱在釋能過程中的差異[17]。本實驗設計了3種進口結構來研究采用不同進口結構時水箱不同高度層的溫度變化，3種進口結構分別是直接進口、多孔式進口和楔形進口，進水口裝在內膽底部中心，分別如圖1和圖2所示，其中楔形進口的傾角為17°，多孔型進口結構的底部共有3排45個圓形噴水孔，孔徑為3 mm。

實驗系統如圖3所示，由水泵、溫控器、固態繼電器、電加熱器組成的恒溫水加熱裝置保證每次釋能實驗時，水箱內部初始溫度場一致以及釋能過程進口冷水溫度相同。實驗使用玻璃轉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 楔形進口結構Fig.1 Wedged inlet structure

圖2 多孔型進口結構Fig.2 Perforated inlet structure

圖3 實驗系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of experiment system

水箱的進出水口分別設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出口水溫，水箱內部的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節器的反饋信號。以上熱電偶均為Omega公司的T型熱電偶，量程為?270～400 ℃，實驗前經過校驗，其準確度為±0.2 ℃。

熱電偶的溫度數據以及流量計的流量數據均由安捷倫34970A數據采集儀采集。34970A自帶上機數據采集軟件，用戶只要將 34970A與遠程監控計算機通過RS232數據線建立連接便可以實時獲取實驗過程的數據，并在實驗結束后保存數據以備后續的數據分析。

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，直至整個水箱內部的水體沒有明顯溫度分層現象，并均達到(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行。同時，進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水溫度一致。

釋能實驗開始后冷水以定流量定溫度的狀態注入水箱，熱水從水箱上部的出口流出。在釋能過程中每隔5 s讀取一次進出口水溫及水箱內部8層水體的平均水溫。對每種不同的結構，實驗分別在進口流量為5，10和15 L/min的條件下進行，每次實驗均持續一個單位釋能時間，即當釋能流量累計達到水箱額定容積(128 L)時結束實驗，中斷采集并導出溫度數據報表。為方便不同流量條件下的實驗數據進行統一比較，數據結果均以無量綱時間的形式表示。

2 釋能評價指標

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：

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行定性分析的同時，為了更好地對水箱綜合性能進行定量的對比，本文基于熱力學第一定律提出了儲能水箱有效釋能效率評價指標，并以此作為討論不同進口結構、不同流量條件下水箱釋能性能分析的基礎。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含有能量的比值。以下為該評價指標的定義過程。

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為釋能過程進口水溫度，K。

定義釋能過程中出口熱水在一定時間內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，表示整箱水體的質量，因此：

由于實驗中數據采集是一個離散的過程，不能達到時間上的連續，若假設每個數據采集時間間隔為 5 s，可將上述積分式(4)轉換成如下代數式以利于實驗數據的處理。

式中：k為截止釋能時間τuse的數據采集點數，即為τusetuse/5

進一步將式(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的數據采集點數，即為τuse?0.8tuse/5。

在上述分析的基礎上，本文綜合不同進口結構水箱不同高度層水體溫度變化的實驗數據采用有效釋能效率評價指標對水箱性能進行如下分析。

3 討論與分析

3.1 頂層水溫變化

在一個單位釋能過程中，不同流量不同進口結構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，對于不同的進口結構，其頂層水溫產生拐點的無量綱釋能時間不同。當流量為5 L/min時，多孔型進口、楔形進口和直接進口的頂層水溫產生拐點的無量綱釋能時間分別為0.85，0.75和0.60，多孔型進口結構產生溫度拐點的無量綱釋能時間比直接進口結構大42%。同時，當無量綱釋能時間達到0.85時，多孔型進口結構的頂層溫度達到58.2 ℃，而此時，楔形進口和直接進口結構的頂層溫度分別降至53.9 ℃和42.6 ℃，多孔型進口結構的頂層水溫比直接進口水箱高出37%。當無量綱釋能時間為1時，多孔型進口、楔形進口和直接進口結構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，同種進口結構的頂層水溫變化可以發現：隨著流量的增加，同種進口結構頂層水溫產生拐點的無量綱釋能時間不同。當流量由5 L/min增加至15 L/min時，多孔型進口結構頂層水溫產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，楔形進口和直接進口結構頂層水溫產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，不同進口結構頂層水溫對底層冷水進水的響應時間不同。這是因為使用多孔型進口結構的水體熱分層較好，上下層水體混合程度較弱，從而導致頂層水溫在較長時間內維持在較高水平。同時，隨著流量的增加，同種進口結構的頂層水溫對底層冷水進水的響應時間明顯加快。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口結構對應的水箱第5層溫度。由圖5可以看出：整個釋能過程中直接進口結構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；多孔型和楔形進口結構的溫度變化比較劇烈，溫度隨釋能時間的增加出現不規則變化。在流量為 5 L/min的條件下，當無量綱釋能時間為0.4時，多孔型進口結構的第5層溫度開始出現拐點，且溫度為57.5℃，而此時直接進口結構的第5層水溫降至36.5 ℃，兩者溫差為21 ℃；當無量綱釋能時間為0.6時，多孔型進口和直接進口的第 5層溫度分別降至 34.7 ℃和31.6 ℃，兩者溫差減小至3.1 ℃；當無量綱釋能時間為1時，多孔型進口結構和直接進口對應的第5層溫度分別降至15.5 ℃和25.4 ℃，此時直接進口結構對應的溫度反而比多孔型進口高9.9 ℃。由此說明，在釋能過程中，多孔型進口結構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象，而直接進口結構的水體溫度分布較為均勻，沒有明顯的熱分層現象。另外，楔形進口的溫度變化也較為劇烈，熱分層現象明顯，性能遠遠優于直接進口結構。

當流量不同時，所有進口結構的第5層水體維持在高溫狀態的時間均出現下降，但多孔型和楔形進口結構所維持的時間均高于直接進口。同時，釋能過程結束后，多孔型和楔形進口結構的第5層溫度比直接進口結構更低。由此說明，多孔型和楔形進口結構對流量變化較為敏感，水體內溫度場分布不均勻，熱量主要集中在上層；而直接進口結構隨流量變化產生的影響較小，熱量均勻分布，其整體性能要明顯劣于其他兩種進口結構形式。

綜合比較頂層與第5層水溫曲線可以看出：多孔型進口結構頂層水溫對冷水進水的響應最慢，水體熱分層明顯；直接型進口結構響應最快，熱分層較弱；而楔形進口相比于直接進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，不同進口結構的水箱局部高度層的溫度場變化，為了進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對儲能水箱進行如下定量分析。

實驗中不同進口結構水箱的有效釋能時間隨流量的變化如圖6所示。從圖6可以發現：無論流量如何變化，多孔型進口結構的有效釋能時間始終高于其他進口結構，而楔形進口結構也明顯高于直接進口。當流量為5 L/min時，多孔型進口、楔形進口和直接進口的有效釋能時間分別是0.98，0.87和0.77。當流量增至15 L/min時，各進口結構的有效釋能時間均明顯縮短。其中，多孔型進口、楔形進口和直接進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所示為不同進口結構水箱隨流量變化的有效釋能效率。

圖6 不同進口結構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 不同進口結構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，所有進口結構的有效釋能效率均下降，同時多孔型進口結構的有效釋能效率始終高于其他進口結構，且楔形進口的有效釋能效率也明顯高于直接進口。當流量為 5 L/min時，多孔型進口結構的有效釋能效率高達97%，此時，楔形進口和直接進口的有效釋能效率分別為 86%和76%。當流量增加到15 L/min時，多孔型進口結構的有效釋能效率下降了13%，而楔形進口和直接進口的有效釋能效率降幅分別達30%和42%。由此可見：多孔型進口對流量變化具有很好的適應性，能夠顯著提高水箱性能，同時楔形進口的性能也比直接進口的性能好。

4 結論

(1) 多孔型進口能夠最大限度地抑制低溫進水的混合擾動，改善水體熱分層，提高水箱釋能效率，楔形進口的性能稍次之，而直接進口加大了進口水流的擾動，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，當無量綱釋能時間達到0.8時，多孔型進口水箱和楔形進口水箱的熱量仍集中在上層，頂層水溫仍保持在57 ℃以上，且分別比直接進口水箱頂層水溫高28%和26%；當流量增加至15 L/min且無量綱釋能時間達到0.8時，多孔型進口、楔形進口水箱的頂層水溫分別降至 55.6 ℃和35.7 ℃，分別比直接進口水箱的頂層水溫高 67%和7%。同時，在整個釋能過程中，多孔型進口的第5層水溫變化梯度最大，溫度分層現象最為明顯，楔形進口稍次之，直接進口的第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，所有進口結構的熱分層均遭到破壞。在5 L/min流量條件下，多孔型和楔形進口相對于直接進口其有效釋能效率改進百分比分別達到27%和13%。由于不同進口結構對于流量的敏感程度不一樣，當流量增加時，不同進口水箱的有效釋能效率的差距增大，當流量為15 L/min時，多孔型進口和楔形進口對應的有效釋能效率分別比直接進口高出91%和37%，這2種結構的性能優勢十分明顯，值得推廣使用。

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