矩形水箱保溫過程數值模擬與試驗研究

唐景春, 孟曉磊, 張 健

(1.合肥工業大學 汽車與交通工程學院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業大學 電氣與自動化工程學院,安徽 合肥 230009)

矩形水箱保溫過程數值模擬與試驗研究

唐景春1, 孟曉磊1, 張 健2

(1.合肥工業大學 汽車與交通工程學院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業大學 電氣與自動化工程學院,安徽 合肥 230009)

文章對矩形太陽能蓄熱水箱在保溫過程中的溫度場進行了數值計算,并對水箱內部流體出現的溫度分層現象進行了試驗研究。數值計算和試驗結果表明:矩形水箱在蓄熱結束后,其內部流體已經形成一定的溫度梯度;在38 h試驗時間內,水箱中下部溫度分層良好,即水箱內部流體各測點溫度均沒有出現較大的溫度波動,基本呈線性下降趨勢。壁面的對流換熱以及頂部檢修口的漏熱,是水箱內部流體溫度分層現象產生的主要原因。依據試驗數據并結合工程實際,該文提出了太陽能蓄熱循環溫差設置的改進方式。

數值計算;試驗;矩形水箱;溫度分層;漏熱

0 引 言

根據住建部專家統計, 建筑能耗約占全社會總能耗的30%,其中熱水供應、采暖約占中國建筑總能耗的25%左右[1]。太陽能跨季節蓄熱采暖系統蓄存的熱量不僅可用于建筑物采暖、熱水供應等,還可應用于電力、制冷、食品等多個行業,該技術的應用可大幅度降低不可再生能源消耗。

以水作為蓄熱介質的中低溫蓄熱技術是太陽能跨季節蓄熱采暖的關鍵技術,水箱作為太陽能跨季節蓄熱采暖系統的主要組成部分之一,其性能對系統整體效率有著重要的影響。

目前,已經有許多學者對圓柱形蓄熱水箱的工作過程進行了研究分析。文獻[2]對分層水箱做了試驗研究,研究表明擴散和壁面導熱會減弱和破壞水箱分層程度;文獻[3]對帶有保溫層的豎直圓柱形水箱的保溫過程進行了數值模擬與試驗研究,研究表明圓柱形水箱的保溫過程分為非穩態與準穩態2個階段。然而,當水箱容量超過30 t(低于1 000 t)時,圓柱形水箱的制造、運輸成本會大幅上升。

矩形水箱具有強度高、重量輕等優點,在工程中可以根據場地情況現場拼裝焊接,比圓柱形水箱有更高的土地利用率。文獻[4-5]對臥式熱分區水箱儲能過程進行了試驗研究,討論了低理查遜數對水箱近壁面擾動的影響,但對其保溫過程研究不足。在保溫過程中,水箱內部會出現溫度分層現象,良好的溫度分層不僅可以降低集熱器進口溫度,提高集熱器效率,還能增加可利用的熱水量,提高太陽能保證率(solar fraction)[6]。因此,本文采用數值模擬與試驗相結合的方法,對矩形水箱保溫過程溫度分層過程與機理進行了研究。

1 太陽能跨季節儲熱試驗平臺

試驗平臺原理如圖1所示。系統由U型管集熱器、板式換熱器、蓄熱水箱、傳感器以及其他閥門組件構成。系統循環采用溫差控制原理,當太陽能集熱器出口處水溫與水箱內水溫差值達到設定值時,溫差循環泵開始工作,從太陽能集熱器出來的熱水通過板式換熱器與蓄熱水箱的水進行熱量交換,將熱量儲存在水箱內部。

圖1 試驗平臺原理圖

儲熱水箱為矩形,如圖2所示。水箱由沖壓成形的不銹鋼標準板(1 m×1 m,厚0.75 mm)焊接而成,1 m×1 m的單元體上沖有深度為60 mm、半徑r為1 084 mm的球冠,水箱頂部預留檢修口,直徑D=500 mm。水箱各壁面均包裹有硬質聚氨酯保溫材料,厚度為50 mm。

圖2 水箱示意圖

試驗測量了水箱豎直方向溫度隨時間的變化。在水箱的豎直方向,均勻布置了5個溫度變送器(PT100,T1～T5),溫度變送器精度為0.2%。試驗初始條件如下:① 系統蓄熱過程中管道流速為0.814 m/s,蓄熱結束后,5個測點(自上而下)的水溫分別為322.702、323.279、323.924、322.256、321.806 K;② 室溫為289.15 K;③ 試驗持續時長為38 h。試驗期間,溫差換熱循環裝置關閉,水箱與集熱器沒有熱量交換。

2 數學模型與邊界條件

當水溫高于4 ℃時，水的密度隨水溫的升高而減小。儲熱水箱中由于壁面對流換熱等因素產生的低溫熱水會因密度大而聚集在水箱的底部，高溫熱水則會因密度較小而浮升到水箱的上部，從而實現不同溫度的水在水箱內的溫度分區。

(1) 建立水箱液體區域的無量綱瞬態控制方程,連續性方程、動量方程和能量方程分別如下:

(1)

其中,Ti、ui、p分別為量綱為1時的溫度、速度、壓力;Re為雷諾數;Ri為理查遜數,Ri=Gr/Re2(Gr為格拉曉夫數);Pe為貝克萊數,Pe=Re×Pr,Pr為普朗特數,Pr=ν/a，a為擴散率,ν為液體的運動黏度;T為液體溫度;k為液體的導熱系數。

(2) 矩形水箱在保溫過程中,熱傳導導致的熱損失量[7]為:

(2)

其中,A為保溫材料表面積;Z為傳熱時間;λ為聚氨酯材料導熱系數;δ為保溫層厚度;Δt1為熱水與環境間的溫差。

3 數值模擬

本文使用有限體積法對上述數學模型進行求解[3]。為縮短計算時間,簡化計算模型,忽略了水箱初始的溫度分層以及檢修口、進出水管對水箱的影響。

數值計算設置的初始條件為:水箱內部水溫325.15 K,環境溫度289.15 K,水箱外壁面與環境對流換熱系數取10 W/(m2·K)[3];水箱底部加載10 ℃溫度載荷。保溫材料厚度設置為50 mm。設置水的密度為溫度的函數。壓力與速度耦合采用壓力隱式分裂算子算法,采用二階迎風格式離散動量項與能量項[8-12]。

仿真結束時,水箱最終溫度云圖如圖3所示。由圖3可以看出,水箱中上部水溫較高,且溫度分布較為均勻;中下部水溫變化較為明顯,有良好的溫度分層,此現象在文獻[3]中也有論述。受地面低溫影響,水箱底部水溫較低。水箱壁面附近水溫均低于同一水平面其他區域水溫。

圖3 溫度云圖

使用Fluent軟件分析水箱內部速度場,流體300 s與25 000 s時的速度云圖分別如圖4所示。由圖4可知，水箱內部的速度場雖然處于很小的量級(10-3～10-5m/s),但是水箱始終處于一個動態的過程,正是由于這些流體的不斷流動,水箱內部才會出現溫度的分層。

初始時刻,由于水箱與外界環境溫差較大,對流換熱較強,產生的冷流體相對速度較大,不斷向下流動,熱流體不斷向上浮動(見圖4a);上壁面處的冷流體在向下流動時,會排開周圍的液體[3](見圖4b)。隨著試驗的進行,水箱溫度整體降低,與外界環境溫差逐漸減小,對流換熱不斷減弱,速度沿z軸負向(豎直向下)的流體不斷減少,速度也不斷降低,水箱內部最終達到一個平衡的狀態。由于側壁面不斷向外散熱,側壁面附近始終存在不斷向下流動的冷流體(見圖4)。下壁面在散熱過程中也會產生溫度相對較低的冷流體,該部分冷流體相對密度較大,對水箱速度場并無較大的影響。水箱內部冷流體不斷向下運動,熱流體不斷向上運動,兩股流體交匯混合,因此在圖4b中,有大部分區域處于-2.671×10-5～ 4.735×10-5m/s。

(a) 300 s

(b) 25 000 s

4 試驗分析

(1) 在試驗過程中,各測溫點處的溫度基本呈線性下降,如圖5所示。38 h試驗時間內,水箱溫度降幅約為4.81 ℃,總熱損失約為20 198.30 kJ;水箱熱傳導導致的熱損失量可以由公式(2)計算得到,約為13 384.24 kJ。由此得出檢修口處的漏熱量約為6 814.06 kJ,占總熱損失的33.74%。

圖5 各測點溫度變化曲線

(2) 在試驗過程中,水箱內部并沒有出現自上而下的溫度遞減現象。試驗數據表明,水箱中部的水溫度最高,以此為界,水溫向上和向下均出現遞減現象,而上部水溫梯度較小。由于計算機仿真忽略了水箱頂部檢修口與外界的傳質與傳熱,因而在圖3中,水箱中上部溫度較為均勻,未呈現明顯的溫度梯度。由此可見,檢修口處的漏熱對水箱中上部溫度分布有較大的影響。

(3) 圖5中曲線5的線性度較差,由2個方面因素造成:① 水箱置于地面,底面散熱較強,對該處水溫產生了較大的影響;② 上壁面、側壁面對流換熱以及檢修口漏熱產生的冷流體不斷向下流動,對底部流體溫度產生了一定的影響。

(4) 相鄰測點溫差值的曲線如圖6所示。

圖6 相鄰測點的溫差曲線

測點2、1間溫差逐漸增大,測點3、2間溫差逐漸減小,測點3、4間溫差基本恒定不變。隨著水箱溫度的整體降低,冷、熱流體相對密度差逐漸減小,聚集在水箱頂部的冷流體逐漸增多,水箱上部溫度梯度逐漸減小。由于分析(3)中2種因素產生的冷流體聚集在水箱底部,且體積逐漸增大,地面的低溫使其加速向上擴散,致使水箱下部溫度分層受到一定的破壞。因此,在5～25 h,測點4、5間溫差在逐漸增大,而30 h后,該差值有減小的趨勢。

(5) 測點3和測點5之間的溫差最大，達至2.75 ℃,測點1、5間的溫差最高達1.6 ℃。在實際工程當中,循環溫差(集熱器出口處的水溫與水箱底部水溫的差值)達到5 ℃時[13],溫差循環泵啟動,系統開始蓄熱。隨著水箱高度的增加,水箱內部溫度梯度會進一步增大,文獻[14]研究表明,在沒有機械擾動的前提下,容積為450 L的水箱,水箱頂部與底部的溫差最高可達32.4 ℃。故水箱底部的流體經過管道以及換熱器之后,其溫度依然會低于頂部流體溫度。

絕大多數情況下,儲熱水箱的蓄熱過程和放熱過程會同時進行,這種循環溫差的設置方式不僅會造成循環泵頻繁啟動,浪費電力能源,縮短控制系統與循環泵的壽命;而且會擾亂水箱已經形成的溫度分層,增加輔助熱源的能源消耗量,造成資源浪費。因此,循環溫差應以水箱上部水溫為基準進行設定。

5 結 論

(1) 本文試驗過程中,各個測點(自上而下)處水溫基本呈線性下降,水箱中下部分層良好。在試驗后期,受壁面散熱以及檢修口漏熱的影響,水箱中下部流體分層受到一定的破壞。

(2) 水箱檢修口處漏熱占總熱損失為33.74%。因而在實際工程當中,要減少熱損失,不僅要在各個壁面設置厚度合理的保溫材料,還應在檢修口外圍增設保溫裝置,或對檢修口的保溫結構做出改進。

(3) 依據試驗數據,且考慮到板式換熱器換熱溫差以及管路的熱損耗,循環溫差應按以下方式設定:當集熱器出口處水溫高出水箱上部水溫3～4 ℃時,系統開始蓄熱。

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(責任編輯 胡亞敏)

Numerical simulation and experimental research on insulation process of a rectangular water tank

TANG Jingchun1, MENG Xiaolei1, ZHANG Jian2

(1.School of Automobile and Traffic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.School of Electric Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The experiments on thermal stratification of rectangular solar heat storage water tank were carried out, and the reasons for internal thermal stratification in the tank were analyzed by numerical calculation. The results show that the internal fluid in the rectangular tank led to certain thermal stratification at the end of solar thermal storage. During the 38 hours of experiment, the temperature in the middle and lower part of the tank stratified well. Temperatures at each measuring point did not fluctuate wildly, basically descending linearly. However, the heat convection of the walls and the heat leakage had effect on the thermal stratification of the internal fluid. An improved method of setting up the cyclic temperature difference for the solar regenerative system was proposed based on the analysis of the experimental data and practical condition of engineering.

numerical calculation; experiment; rectangular water tank; thermal stratification; heat leakage

2016-01-22；

2016-09-01

合肥工業大學產學研校企合作資助項目(K-GD2014-0767);合肥工業大學博士學位專項基金資助項目(JZ2016HGBZ0748)

唐景春(1968-),男,安徽巢湖人,博士,合肥工業大學副教授,碩士生導師; 孟曉磊(1988-),男,山西朔州人,合肥工業大學碩士生,通訊作者,E-mail:mxlbmw760li@163.com.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.004

TK512.4

A

1003-5060(2017)08-1026-05