具有相變蓄熱材料的儲熱水箱的熱效率研究

陳彥康，張華，王子龍，張喬丹

（上海理工大學能源與動力學院，上海 200093）

0 引言

從國際能源供需格局的整體來看，全球能源正處于傳統能源與新能源的交替階段，新能源在近年來得到了很大應用[1]。太陽能供熱的應用最為廣泛，使用技術也日趨成熟[2-4]。太陽能作為清潔能源，具有普遍宜獲取、清潔無污染、能量巨大等優點。目前對太陽能的利用主要集中在太陽能的熱利用上。在太陽能熱利用系統中，儲熱水箱是關鍵部件之一[5]。水是太陽能儲熱水箱最常用的儲熱介質，水的密度隨溫度的升高而降低，冷熱水之間形成溫躍層而提高效率[6-7]。但是進口流量會使冷熱水混合，破壞分層并降低效率[8-9]，同時由于水的儲熱密度較小，當熱負荷增加時，需要增加水箱體積來滿足需求。所以改善儲熱水箱熱分層的同時提高儲熱水箱的儲熱密度成為了研究重點[10-12]。

1 實驗系統

本文設計實驗條件為水箱初始溫度(80±0.5) ℃，由水箱內的電加熱棒直接加熱，當測點1和測點14溫差小于0.5 ℃時即認為溫度均勻。進水溫度(5±0.5) ℃，由恒溫槽提供。進水流量由變頻泵控制并由流量計讀數，實驗設計進口流量為1 L/min、3 L/min、5 L/min、7 L/min以及9 L/min，當水箱內溫度均勻且進出口水溫近似相等時，先停止記錄，再關閉水泵，實驗結束。

2 評價參數

2.1 無量綱時間

由于實驗中進口流量的差別比較大，單位時間的進水量不一樣，為了更加直觀地分析和對比不同流量工況下的水箱熱效率和熱分層效果，定義進水時間t和當前流量下置換整個水箱中水的時間t0的比值為無量綱時間τ：

2.2 釋熱率

由于在實驗中進水溫度和水箱初始溫度不完全相等，不能直接定量比較出熱水過程的能量，所以提出了釋熱率這一評價參數，定義水箱的釋熱效率為無量綱時間τ= 1時，水箱出水能量與初始時刻水箱能量的比值。

當水箱中不放置相變蓄熱材料時，定義水箱初始能量為：

式中：

Qi——初始時刻水箱能量，J；

cw——水的比熱容，J/(kg·K)；

ρw——水的密度，kg/m3；

Vtank——水箱容積，m3；

——水箱內平均溫度，K；

Tin——進口水溫，K。

當水箱中含有相變蓄熱材料時，水箱初始能量為：

式中：

Vp——相變材料體積，m3；

ρp——相變材料密度，kg/m3；

cpl——相變材料液態比熱容，J/(kg·K)；

Tl——箱變材料液相線溫度，℃；

L——相變材料的潛熱值，J/kg；

cps——相變材料固態比熱容，J/(kg·K)；

Ts——箱變材料液相線溫度，℃。

當經過時間為t的釋熱時間時，溫度記錄的間隔時間為Δt，所以總記錄次數為k=t/Δt，可定義t時刻的水箱出水能量為：

式中：

Qt——t時刻的水箱出水累計所含能量，J；

Vi——第i層水的體積，m3；

Tout——出口水溫，K。

根據對釋熱率的定義，循環釋熱率ηc可表示為：

假定當出水溫度大于等于42 ℃時為可用水，可定義水箱的有效釋熱率ηe為出水溫度不小于42 ℃的出水能量與水箱初始能量的比值：

3 實驗結果及分析

3.1 溫度曲線分析

在進口流量分別為1 L/min、5 L/min和9 L/min的實驗工況下，普通水箱和加入了相變蓄熱球的水箱中測點1、測點7和測點14區域溫度隨無量綱時間的變化趨勢如圖4所示。

由圖4可知，水箱各測點在維持各自的“持續”時間后，會出現急劇的下滑，逐步趨于進口溫度。拐點的出現表明該區域的水體的原始溫度發生變化，冷水自下而上進入水箱逐步置換并與熱水摻混，流量越大拐點出現的越早，并且下滑的趨勢也越平緩，這是由于流量增大加強了擾動，破壞了原本水箱中的熱分層，使溫度下滑拐點出現得更早，同時冷熱水的摻混更加充分，冷熱水之間的斜溫層厚度增加，被進口冷水直接置換的熱水水量減少，溫度下降得也更平緩。加入相變蓄熱材料后水箱各層溫度以及進出口溫度隨無量綱時間的變化趨勢與普通水箱中類似，從圖中可以看出在進口流量為1 L/min和9 L/min時，在測點1和測點7區域，相變蓄熱材料的加入延緩了溫度拐點的出現，表明此時相變蓄熱材料能夠改善水箱的熱分層特性。測點14由于最靠近進口位置，而且位于相變蓄熱材料區域的下方，使得該區域受進口流量的影響大于受相變蓄熱材料的影響，因此溫度曲線基本重合。

圖4 水箱部分測點溫度曲線

3.2 釋熱率分析

實驗水箱在容積為60 L、進水溫度為5 ℃、初始水溫為80 ℃的設計工況下，普通水箱的初始能量計算為18.81 MJ；加入了相變蓄熱材料之后，水箱的初始能量增加了0.26 MJ。相變蓄熱水箱初始能量略高于普通水箱，這是由于相變蓄熱材料的總體積占水箱容積的比例較小，而且蓄熱材料的比熱值較小，同時初始溫度和進水溫度的溫差較大，因此導致蓄熱材料對水箱初始能量的提高效果不明顯。所以若要提高水箱初始能量，需要增加蓄熱材料的體積，同時選用密度、比熱和潛熱更大的相變材料。

在不同進水流量條件下，普通蓄熱水箱和放置了相變蓄熱材料的水箱釋熱率和有效釋熱率的變化曲線如圖5所示。釋熱率和有效釋熱率隨流量的變化趨勢一致，在普通水箱中是先增大后減小；這是因為當流量較小時出水時間比較長，水箱漏熱的影響不可忽略，且水箱內下層冷水和上層熱水之間的導熱導致冷熱水之間換熱量增加；當流量增大時，釋熱時間縮短，漏熱和冷熱水之間的導熱影響減小，使得釋熱效率和有效釋熱效率增加，最大值出現在進口流量為3 L/min的工況下，分別為93.7%和92.2%；當流量繼續增大時，進水流量對水箱內冷熱水擾動的影響超過了漏熱和冷熱水之間的導熱帶來的影響，所以釋熱率和有效釋熱率不斷降低。

加入相變蓄熱材料后水箱的有效釋熱率和釋熱率的變化趨勢和普通水箱中類似。當進口流量為1 L/min時，釋熱率和有效釋熱率都高于普通水箱，最高值也都出現在進口流量為3 L/min的工況左右，但是數值都低于普通水箱，最大值為91.7%和88.7%，釋熱率和有效釋熱率相比普通水箱低了2.1%和3.8%；當流量增大到7 L/min后，加入蓄熱材料的水箱的釋熱率和有效釋熱率又高于普通水箱。這是由于當流量為1 L/min時，釋熱時間較長，相變蓄熱材料有足夠的釋熱時間，潛熱能夠充分釋放，當流量逐漸增大時，釋熱時間逐漸較少，相變蓄熱材料不僅占據了原本部分熱水的空間，而且大部分的能量以潛熱形式存在，相變潛熱不能及時釋放出來，導致釋熱率和有效釋熱率下降。當流量繼續增大時，由于相變蓄熱材料周圍的水流流速增加，改善了對流換熱的效果，相變蓄熱材料的潛熱利用率也隨之提高，因此釋熱率和有效釋熱率也得以提高。

圖5 不同水箱效率曲線

4 結論

本文比較并分析了進口流量對水箱熱效率的影響，提出了釋熱率這個參數來評價水箱的熱效率，并且將普通水箱和加入了相變蓄熱材料的水箱進行了對比，結果表明：

1）水箱中各區域溫度隨流量的變化趨勢相近，都有溫度拐點，并且流量越大溫度拐點也出現得越早，導致水箱的分層效果越差；相變材料的加入對水箱的熱分層和熱效率的影響和進口流量有關；

2）加入相變蓄熱材料后，儲熱水箱初始總能量相比于普通水箱提高了1.4%，對有效釋熱率的提高不明顯；在進口流量為1 L/min左右和大于7 L/min時有效釋熱效率有所提高，表明在有足夠的釋熱時間和對流換熱效果較好時，相變蓄熱材料能夠提高水箱的熱效率；相變蓄熱材料的加入也能夠對進口流量起到一定的穩流和分流作用，尤其在流量較大時效果會比較明顯；

3）實驗僅比較了在水箱底部加入熱相變蓄熱材料的和普通水箱的熱效率，相變蓄熱材料對熱效率的影響可能與位置有關，需要進一步研究。