帶有隔熱擋板的水箱內溫度分布特性的實驗研究

楊驚濤 馬逸平 韓兵凱

上海理工大學環境與建筑學院

帶有隔熱擋板的水箱內溫度分布特性的實驗研究

楊驚濤 馬逸平 韓兵凱

上海理工大學環境與建筑學院

通過實驗研究在不同的擋板位置、不同的溫度工況下，CO2熱泵熱水器水箱內部的溫度分布，并研究擋板位置對水箱內“冷區”和“熱區”空間大小的影響、冷熱水出水溫度的影響。由實驗結果可得，擋板可以有效地將水箱內的“熱區”和“冷區”分開，使“熱區”水溫較高，為熱用戶提供更高溫度的熱水；使“冷區”水溫較低，為CO2熱泵熱水器氣冷器提供更低溫度的冷卻水，有助于提高系統的COP。綜合考慮“熱區”水溫和水量等因素，擋板處在水箱豎向的中間位置為最佳。另外，擋板位置的變化對熱水出水溫度沒有較明顯的影響。

水箱 擋板 溫度分層

CO2熱泵熱水器一般采用循環加熱的方式提供熱水，如果氣冷器的進水溫度較低，則系統的COP較大。常規的空氣源熱泵熱水器水箱為混合式水箱，其冷熱水互相摻混，一方面導致進入氣冷器的循環水溫度升高，使CO2熱泵熱水器系統的COP降低；另一方面，導致水箱供給用戶的水溫降低，不能提供滿足用戶需求的熱水[1]。因此，保持和降低氣體冷卻器的進水溫度（水箱供給氣冷器的出水溫度）是提高熱水器性能的途徑。為解決上述問題，本項目提出一種適用于CO2熱泵熱水器循環加熱方式的分層水箱，在水箱內部安裝一個活動隔熱擋板，可將高溫水與低溫水隔開，減少水箱內部高溫水和低溫水的換熱和相互摻混，使水箱供給氣體冷卻器的水溫保持在較低的溫度，從而提高系統的COP[2]。

1　實驗設計

1.1帶有隔熱擋板的水箱

圖1所示為一個圓柱形的鑄鐵水箱，高880mm，直徑340mm。左側共有四個水口，R2口為來自氣冷器的循環水入口，L1為送往氣冷器的循環水出口，L2接自來水，用于為水箱補水，R1為供給熱用戶的熱水出口。水箱內有一個活動擋板，由連桿連接，可隨連桿上下移動。

圖1　水箱結構簡圖

1.2實驗系統

1.2.1實驗原理

如圖1所示，擋板上部空間有從CO2熱泵熱水器氣冷器側流回的高溫循環水，擋板下部空間有自來水補給，故擋板上部為“熱區”，下部為“冷區”，擋板將“熱區”和“冷區”分開，減少冷熱水的摻混換熱，從而使流向熱用戶的熱水溫度較高，滿足用戶所需；流向氣冷器的循環水溫度較低，有助于提高CO2熱泵熱水器系統的COP。實驗中，通過改變擋板在水箱內豎直方向的位置和R2入水口的熱水溫度，來形成不同的溫度分布，利用T型熱電偶（測溫范圍：-200℃～400℃）測定水箱內的溫度分布（安捷倫型號：34970A，測量精度0.01），分析活動擋板在水箱內冷熱分區作用的有效性、以及擋板位置對冷、熱水出水溫度的影響。

1.2.2實驗方案

圖2所示為實驗方案示意，A虛線框內為水箱溫度分層實驗區，B虛線框內為指定溫度的熱水發生區。

圖2　實驗方案示意圖

1.2.3焓差室水系統

本次實驗使用焓差室的水系統，該系統可以產生指定溫度的熱水，并通過循環泵驅動整個系統里的水循環，為末端提供溫度穩定的熱媒。

為了給水箱創造穩定的熱水供應以模擬來自CO2熱泵熱水器氣冷器的熱水供應，利用焓差室為儲水箱灌滿水，并將儲水箱與焓差室連接在一起，形成一個封閉循環，通過循環泵驅動整個循環，利用焓差室的加熱功能為循環水升溫，并通過鉑電阻實時監測儲水箱內的水溫，當達到工況所需的溫度時停止焓差室的電加熱，打開圖2所示閥門7，為水箱供應指定溫度的熱水。

1.3實驗內容

1.3.1溫度測定

本實驗控制2個變量，分別為供給水箱的熱水溫度TR2和擋板位置x。如圖3所示，共有6各測點分布截面，其中1、2、5、6截面內各有4個測點，均勻分布；3、4截面內各有一個測點，都位于平面內的幾何中心處。a、b、c為三個擋板位置，在每個擋板位置測6個溫度工況，分別是：35℃，40℃，45℃，50℃，55℃，60℃。溫度測點布置說明見表1[3]。

圖3　測點分布

表1　溫度測點布制說明

1.3.2實驗工況

實驗工況安排如表2所示。

表2　實驗工況

2　實驗結果及分析

2.1水箱內溫度分布曲線

在工況1、2、3（擋板位置分別為C、B、A）下改變熱水供水溫度，水箱內的溫度分布見圖4、5、6。

圖4　工況1（擋板在C處時）水箱內的溫度分布

圖5　工況2（擋板在B處時）水箱內的溫度分布

圖6　工況3（擋板在A處時）水箱內的溫度分布

由圖可見三個工況水箱內都有明顯的溫度分層，R1口截面的水溫較R2口略低，原因是由R2口進入水箱的熱水經換熱后由R1口排出，溫度略有下降[4]。

圖7　擋板上表面溫度隨擋板位置變化的變化曲線

2.2擋板上表面水溫隨擋板位置不同的變化曲線

圖7所示為擋板上表面水溫隨擋板位置變化的變化曲線，橫坐標為A、B、C三個擋板位置，縱坐標為水溫。由圖可見，在不同的熱水供水溫度下，擋板在B位置時上表面水溫最高，在A位置時上表面水溫最低。擋板在C位置時水箱內的“熱區”空間最大，可供給熱用戶的熱水量最大，但水溫較低；擋板在A位置時水箱內“熱區”空間最小，熱水量最小，且由于“冷區”空間最大，“熱區”的一部分熱量傳至冷區導致“熱區”水溫降低，故擋板上表面水溫并不高；擋板在B位置時，冷、熱區空間大小相同，且水溫最高，故該擋板位置為最佳選擇。

2.3熱水出水溫度隨擋板位置變化的變化曲線

圖8所示為熱水出水溫度隨擋板位置變化的變化，由圖可見，擋板位置對熱水的出水溫度幾乎沒有影響。

圖8　熱水出水溫度隨擋板位置變化的變化

2.4冷水出水溫度隨擋板位置變化的變化曲線

圖9所示為冷水出水溫度隨擋板位置變化的變化曲線，由圖可見，除供水溫度50℃之外，其他溫度工況下擋板在B位置時冷水出水溫度較低，有利于提高CO2熱泵熱水器的COP。

圖9　冷水出水溫度隨擋板位置變化的變化

3　結論

1）擋板將水箱內的“熱區”和“冷區”分開，有助于水箱內的豎向溫度分層，使水箱上部水溫較高，為熱用戶提供更高溫度的熱水；使水箱下部水溫較低，為CO2熱泵熱水器氣冷器提供更低溫度的冷卻水，有助于提高系統的COP。

2）水箱縱向正中間（圖3所示b位置）為活動擋板的最佳位置，擋板處在該位置時“熱區”空間大，供給熱用戶的熱水量較大，且熱水溫度較高，冷水出水溫度較低，有利于提高CO2熱泵熱水器系統的COP。

3）擋板位置的變化對熱水出水溫度沒有較明顯的影響。

[1]呂靜,任瑩瑩,楊杰.水箱水溫對CO2熱泵熱水器性能影響的實驗研究[J].制冷學報,2012,33(6):73-78

[2]呂靜,周傳煜,王偉峰.跨臨界CO2熱泵熱水器的應用研究[J].節能,2009,(1):10-12

[3]王智平,陳丹丹,王克振.太陽能儲熱水箱溫度分層的研究現狀及發展趨勢[J].材料導報A,2013,27(8):70-74

[4]姚春妮,郝斌,賈春霞.太陽能熱水系統貯熱水箱溫度分層實驗結果及分析[J].建筑熱能通風空調,2009,28(S):196-200

Experiment Research of the Temperature Distribution Characteristics in the Tank with a Thermal Shield Baffle

YANG Jing-tao,MA Yi-ping,HAN Bing-kai
School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology

The distribution of temperature in the tank in different baffle locations and different temperature was studied by experiments.The space sizes of“hot sector”and“cold sector”and the temperature of the hot and cold water affected by baffle locations were also studied.The experiment shows the tank can divided into two sectors,“hot sector”and“cold sector”,effectively,which makes the temperature of“hot sector”higher in order to offer the user higher temperature water,and the temperature of“cold sector”lower in order to improve the COP of the system.Synthesizing the factors like temperature of the“hot sector”and quantity of the hot water,placed baffle in the middle of the tank is the best choose.Besides,the location change of the baffle has no effect on the temperature of the offer-hot-water.

water tank,baffle,temperature stratification

1003-0344（2015）06-008-4

2014-5-22

馬逸平（1991～），男，碩士研究生；上海理工大學環境與建筑學院（200093）；E-mail:myp318@163.com

大學生創新創業訓練計劃（XJ2013206）