一種承壓太陽能儲熱水箱放水特性的試驗與數值模擬分析

翟立軍， 高文峰， 劉 滔， 林文賢， 劉佰紅， 王 輝

(云南師范大學太陽能研究所，教育部可再生能源材料先進技術與制備重點實驗室，云南昆明 650500)

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一種承壓太陽能儲熱水箱放水特性的試驗與數值模擬分析

翟立軍， 高文峰*， 劉 滔， 林文賢， 劉佰紅， 王 輝

(云南師范大學太陽能研究所，教育部可再生能源材料先進技術與制備重點實驗室，云南昆明 650500)

摘要[目的]研究在入口水溫不變、3種不同入口流量下的一種承壓太陽能儲熱水箱的放水特征。[方法]采用試驗、數值模擬結合的方法，對承壓太陽能儲熱水箱放水特性進行模擬分析。[結果]根據放水曲線特征可將其分為3個階段：高溫穩定階段、溫度快速下降階段和低溫穩定階段。入口水溫一定時，各階段持續時間均與水箱入口進水速度有關，水箱放熱效率隨流速增大而降低，數值模擬結果的放水曲線與試驗結果基本相同，放熱效率也大致相同。[結論]該研究可為太陽能熱水器工程及其質量檢測標準提供科學的理論指導。

關鍵詞試驗測試；數值模擬；放水特征；放熱效率

太陽能是一種清潔可再生能源，同其他常規能源相比，其具有以下優點：太陽能無窮無盡、使用方便且成本低廉，其在轉換以及使用過程中不會產生污染。太陽能雖受時間、天氣、地區差異的影響，但其在地球上分布廣泛且取之不盡，故被廣泛應用于人們的日常生活中。常見的家用太陽能熱水器主要部件是由儲熱水箱和集熱器2個部分組成。太陽能儲熱水箱的性能決定了其使用壽命的長短，因而對其深入地了解和掌握尤為重要。Colle[1]利用一系列方法對儲熱水箱保溫層的厚度及其所用材料進行測試分析，得出了降低熱量損失的方法。Brinkworth[2]及Andres等[3]為研究帶有水箱的太陽能集熱器熱性能不僅對其建立了模型，而且還進行了數值模擬分析。也有其他研究人員利用試驗和數值模擬的方法對水箱中溫度的分層現象進行了分析[4-5]。國內也有學者對太陽能儲熱水箱進行了研究，如張森等[6]對太陽儲熱水箱的散熱和保溫性能進行研究；林文賢等[7]及李琳[8]對儲熱水箱的瞬態過程進行了數值模擬分析，林文賢等采用有限體積法對水箱進行數值模擬求解，研究了將熱水注入儲熱水箱后短時間內的瞬態過程，分析了其主要特點；而李琳采用不同進水速度和不同溫度研究水箱內部混水特性；二者均視水箱內初始溫度場為均勻分布。目前國內關于太陽能水箱的研究還比較少，鑒于此，筆者通過試驗對儲熱水箱的放水特性進行測量，利用FLUENT軟件對水箱不同入口速度下的放水特性進行模擬分析，得到儲水箱的放水曲線和放熱效率，并將模擬結果與試驗結果進行對比分析，以期為太陽能熱水器工程及質量檢測標準提供科學的理論指導。

1材料與方法

1.1試驗材料試驗選取的儲熱水箱容量約為150 L，水箱為立式圓柱形水箱，高970 mm，出口與入口直徑均為25 mm、底部直徑450 mm，其中心位置離水箱頂部和底部均為50 mm，其內膽外層聚氨酯保溫層厚度約為45 mm，進口與出口管道均伸入到水箱中心處。儲熱水箱的內膽截面及三維幾何模型如圖1所示。所用儀器為TRM-2太陽能測試系統(圖2a)和鉑電阻溫度傳感器(圖2b)。測試過程中需要記錄的數據有環境溫度、水箱初始溫度、入口溫度、出口溫度及流速，4個溫度均由TRM-2太陽能測試系統和鉑電阻溫度傳感器相連接并自動記錄，頻率為1次/min。

1.2試驗方法將測試裝置安裝在云南師范大學國家質檢中心實驗地，水箱垂直放置于測試臺。測試前，將水箱內注滿(334.5±1)K的熱水，并在水箱進水口與出水口布置溫度探頭。試驗中，水箱內水溫為334 K，打開閥門并觀察測試臺，通過手動設為某一固定入口流速，待其值穩定后開始記錄進出口水的溫度數據，直到出口溫度與入口溫度一致時，停止試驗。入口流速為2 L/min時測試時間約為120 min；入口流速為5 L/min時測試時間約為50 min；入口流速為8 L/min時測試時間約為30 min。在試驗中保持入口進水、出口出水，直至試驗結束，將測試的數據導出，通過ORIGIN軟件繪制放水曲線圖。最后根據下列公式計算3種不同流速下的放熱效率，并將其結果與數值模擬結果進行對比和分析。

(1)

式中，Q總為水箱內的總熱量(J)；V為水箱體積(m3)；ρ為密度(kg/m3)；T1為初始溫度(℃);T2為最終溫度(℃)；Cp為比容熱[J/(kg·℃)]。

(2)

式中，η放為放熱效率(%)；Q放為放出水的熱量(J)；Q總為水箱內的總熱量(J)。

2結果與分析

2.1放水曲線分析圖3為水箱內溫度為334 K時的3種不同進口流速下的放水曲線，觀察其特征可分為3個階段：①高溫穩定階段。這一階段，水箱內的水溫恒定在334 K，當冷水不斷注入水箱底部，由于冷水密度高，將水箱中的高溫水不斷從出水口頂出，同時，在水箱底部熱水出現摻混情況，由于冷水層和摻混層還尚未影響到水箱中的高溫水層，因而形成了高溫穩定階段；②溫度快速下降階段。在這一階段，隨著冷、熱水不斷的摻混，溫度過渡層逐漸達到了水箱出水口位置，冷、熱水摻混層溫差較大，所以放水曲線成快速下降階段；③低溫穩定階段。這一階段，過渡層基本全部排出，水箱內幾乎充滿與入口水溫相同的冷水，所以放水曲線處于低溫穩定。

注：a.儲熱水箱內膽截面；b.水箱三維幾何模型。Note: a. The heat storage water tank inner section; b. Water tank three dimensional geometric model. 圖1　儲熱水箱模型 Fig.1　Model of heat storage water tank

注：a.TRM-2太陽能測試系統；b.鉑電阻溫度傳感器。Note: a. TRM-2 solar energy testing system; b. Rtd temperature sensor. 圖2　試驗儀器Fig.2　Test instrument

圖3　3種流速下的放水曲線對比Fig.3　Comparison of discharge curves of three inlet velocities

2.2放熱效率分析利用公式(1)和(2)得出在一定入口水溫下的不同流速所對應的放熱效率。結果顯示，放熱效率隨流速的增大而減小，流速為2 L/min時水箱放熱效率最高，為95.03%，其次是5 L/min流速的放熱效率，為92.68%，效率最差的是8 L/min的高流速，放熱效率為91.33%；總體來看，3種流速的放熱效率相差較小，其值均大于90.00%。

3數值模擬與試驗結果對比分析

利用試驗中流速為5 L/min的數據進行模擬分析，描繪水箱放水過程，并對放水曲線、放熱效率及溫度分層度進行分析。圖4為進水時間分別為150、1 000、1 850 s時的水箱放水過程的模擬結果。由圖4可知，開始進水階段，隨著冷水不斷進入水箱內部，冷水與水箱內的熱水混合，溫度分層現象慢慢出現；進入第2階段，隨著水箱內冷水越來越多，過渡層形成且不斷穩定上升；末尾階段，冷水不斷進入水箱，熱水通過出口基本全部排出，過渡層到達水箱頂部位置。

圖4　不同時刻溫度云圖Fig.4　The temperature clouds at different moments

圖5為FLUENT數值模擬和試驗測試得出的同一入口溫度及流速條件下的放水曲線。由圖5可知，試驗與數值模擬曲線基本一致。高溫階段，放水曲線接近一致，但模擬計算中的放水曲線持續時間較長，因為在FLUENT模擬分析時，水箱壁面設置為絕熱的邊界條件，即沒有熱量的損失，所以試驗測試的時間沒有模擬的時間久。溫度迅速下滑階段曲線也基本一致，僅試驗持續的時間稍長一些；低溫階段曲線也基本保持一致。

圖5　數值模擬與試驗對比Fig.5　The comparation of numerical simulation and experiment

FLUENT數值模擬的放熱效率為92.62%，試驗中的放熱效率為92.68%，可見，模擬的放熱效率與試驗測試的放熱效率基本一致。

4結論

(1)在儲熱水箱入口水溫不變、3種不同的入口流量下，可將放水曲線分為3個階段，各階段持續時間均與水箱入口進水速度有關。

(2)在入口水溫一定的前提下，儲熱水箱的放熱效率與流速有關，表現為放熱效率隨著流速的增大而減小。

(3)通過計算機數值模擬，發現模擬的放水曲線與試驗的趨勢一致，放熱效率幾乎相同。

參考文獻

[1] COLLE S，ABREU S L，GLITZ K，et al. Optimization of the auxiliary heating and water storage insulation of a low cost domestic hot water heating system with an electric shower[C]//Proceedings of ISES 2001 solar world congress.Adelaide,South Australia:International Solar Energy Society,2001.

[2] BRINKWORTH B J. Solar DHW system performance correlation revisited[J].Journal of solar energy engineering，2001，71(4)：377-387.

[3] ANDRES C A,LOPEZ J M. TRNSYS model of a thermosyphon solar domestic water heater with a horizontal store and mantle heat[J]. Journal of solar energy engineering，2002，72(2)：89-98.

[4] KUNDSEN S,FURBO S,SHAH L J. Design of inlet to the mantle in a vertical mantle storage tank Adelaide,South Australia:Internation solar energy society[C]//Proceedings of ISES 2001 solar world congress.Adelaide,South Australia:International Solar Energy Society,2001.

[5] SHAH L J,ANDERSEN E,FURBO S，et al.Entrance effects in solar hot water stores[C]//Proceedings of ISES 2001 solar world congress.Adelaide,South Australia:International Solar Energy Society,2001.

[6] 張森，程偉良，孫東紅，等.太陽能供熱系統儲熱水箱散熱機理分析研究[J].電網與清潔能源，2010，26(1)：73-76.

[7] 林文賢， ARMFIELD S W，劉滔.用基于非交錯網格的有限體積法數值模擬煮熱水箱中的瞬態過程[J].新能源，1998，20(5)：1-8.

[8] 李琳.太陽能熱水器貯熱水箱內混水特性的數值模擬分析[D].昆明：云南師范大學，2008.

[9] 溫正，石良臣，任毅如.FLUENT流體計算應用教程[M].北京：清華大學出版社，2009.

基金項目國家自然科學基金(51266016，51469035)。

作者簡介翟立軍(1988- )，男，山西陽泉人，碩士研究生，研究方向：太陽能熱利用及計算流體力學。*通訊作者，副教授，從事太陽能熱利用及計算流體力學研究。

收稿日期2016-04-08

中圖分類號S 214

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)14-055-03

Experimental and Numerical Analysis on Discharge Characteristics of a Pressurized Solar Heat Storage Water Tank

ZHAI Li-jun, GAO Wen-feng*, LIU Tao et al

(Key Laboratory of Advanced Technique & Preparation for Renewable Energy Materials of the Ministry of Education, Solar Energy Research Institute, Yunnan Normal University, Kunming, Yunnan 650500)

Abstract[Objective] The discharge characteristics of a pressurized solar heat storage water tank under three different inlet velocities were studied. [Method] Using experimental and numerical simulation methods, discharge characteristics of a pressurized solar heat storage water tank were analyzed. [Result] The temperature of the discharged water undergoes three stages: stable high-temperature stage, rapid decrease stage and stable low temperature stage. The time durations of these stages were related with the inlet velocity. Discharge efficiency of the heat storage water tank decreased with the increase of inlet velocity. It was found that the discharge curves and discharge efficiency between numerical simulation and experiment were basically same. [Conclusion] The study can provide scientific theoretical guidance for the project of solar water heaters and quality inspection standards.

Key wordsExperiment test; Numerical simulation; Discharge characteristic; Heat release efficiency