三水合乙酸鈉儲熱水箱熱特性實驗研究

周志鋼 王 維

（1、上海錦立保鮮科技有限公司，上海201201 2、摩丁熱能技術（無錫）有限公司，江蘇 無錫214112）

能源問題在現代社會可持續發展中起著至關重要的作用。據經濟學家稱，能源短缺造成的國民經濟損失約為其自身價值的20-60 倍[1]。中國的能源短缺問題嚴重制約了國民經濟的發展，80 年代以后，中國能源總消耗量年增長率為5%左右[2]。近年來，中國的能源短缺嚴重，石油進口量逐年增加，對進口能源的依賴程度不斷提高。2017 年中國原油總消耗量6.1 億噸，同比增長6.1%，對外依存度上升至67.4%[3]。我國太陽能資源較為豐富，年日照量大于2200 h 的國土面積超過三分之二，年輻射量超過5000 MJ/m2[4]。太陽能因其具有的清潔性、廣泛性、易獲得性、能量巨大性等特點，越來越成為全球各國研究的焦點。但其也具有間斷性和不穩定的特點，對于太陽能熱水系統，最為經濟的方式是以水作為蓄熱介質。蓄熱技術能顯著提高太陽能熱利用效率，而儲熱水箱作為集熱系統的主要組成部件，其蓄、放熱特性影響著整體性能。相變材料具有潛熱量大，能量密度高，裝置簡單，體積小，設計靈活，易于管理等特點。通過對相變材料潛熱量的利用，可以提高系統的單位體積蓄熱量，減小儲熱體積。李培濤等[5]研究了圓柱形等距螺旋盤管式相變蓄熱裝置蓄熱性能。王劍峰等[6]研究了組合式相變材料蓄熱系統中相變溫度分布。

1 實驗系統

本實驗主要模擬太陽能水箱系統，引入一種具有均流作用的新型水箱進口結構，進口結構是改善水箱的熱分層效果，添加的相變蓄熱材料則可增加儲熱水箱的儲熱量。其系統主要由儲熱水箱、恒溫水箱、恒溫水槽、循環水泵、變頻水泵、流量計、球閥、相變蓄熱球及PPR 管連接組成，原理圖如圖1 所示。

圖1 實驗原理圖

圖2 相變材料在水箱內的分布

儲熱水箱是一個直徑357 mm，高600 mm 的不銹鋼圓筒，有效容積為60 L，箱四周及進出口位置包裹有厚30 mm、導熱系數為0.024 W/（K·m）的保溫材料。水箱內部裝有1.5 kW 的電加熱棒，用以模擬太陽能對水箱的供熱。水箱采用下進上出進水方式。水箱內部共布置有16 根鉑電阻作為測溫傳感器，精度為±0.15 ℃，從上至下依次被標記為測溫點1-16，間隔距離為40 mm。儲熱水箱豎直方向上布置有四層焊點用于放置置物架，置物架分別距箱底200 mm、300 mm、400 mm、500 mm。實驗時，43 個相變蓄熱小球放置于置物架上方，從上到下依次被標記為第一、二、三、四層，如圖2 所示。實驗采用型號FLR1013-D 型渦街流量計和Agilent 34970 的數據記錄儀，用以采集鉑電阻的溫度信號和流量計的電壓信號，掃描時間間隔設定為2s。本文所用的相變蓄熱球經差式掃描量熱法（DSC）及熱常數分析儀測得其物性參數如表1 所示。循環泵采用型號為DESUN DS3502 的無刷直流水泵。供水泵采用型號為DC50E-24150A 的直流變頻泵，恒溫水箱容積120L。為保證水箱每層盡可能多地放置相變蓄熱小球，每層最終均勻放置43 個相變蓄熱小球。

當水箱內各層溫度為80±0.5 ℃時，即可近似認為儲熱水箱內溫度均勻。從進水瞬間記錄各個測點的溫度，調節變頻水泵并通過流量計來控制進水流量2 L/min 、6L/min、10 L/min。

2 水箱特性計算

2.1 無量綱時間

表1 相變蓄熱球物性參數表

為了更方便直觀地研究對比不同的流量工況下水箱的分層特性，定義無量綱時間τ 為水箱進水時間t 與當前流量下完全置換整箱水的時間T 的比值，公式如下：

2.2 Richardson 數（理查德森數）

理查德森數（Ri 數）通常被用來比較不同進口流量下，水箱內的熱分層情況。它是表示浮升力與混合力的比值的一個無量綱數。其公式如下所示：

2.3 ?效率

?是反應能量的“數量”與能量之間“質”的差別的一個度量，表征實驗水箱的? 值與完美分層水箱?值的偏離度。計算方法如下：

3 實驗分析

3.1 溫度曲線分析

不含相變蓄熱材料的均流水箱在進口流量為2 L/min、6 L/min、10 L/min 的工況下，出口水溫度（測點1 溫度）及水箱內部從上至下的測點2- 測點15 的溫度隨無量綱時間的變化趨勢可用溫度曲線形式表現出來。

當相變蓄熱材料處于第四層時，均流水箱在進口流量為2 L/min、6 L/min、10 L/min 的工況下，出口水溫度（測點1 溫度）及水箱內部從上至下的測點2- 測點15 的溫度隨無量綱時間而變化，隨著進口流量的增大，各個溫度層的溫度變化拐點并未同普通水箱一樣過早出現，表明水箱進口處的均流裝置起到了較強的穩流作用，降低了流量增加帶來的冷熱水之間的摻混效應，斜溫層厚度比普通水箱明顯減小，分層效果提升。

3.2 Ri 數（理查德森數）分析

進口流量在2 L/min，4 L/min，6 L/min，8 L/min，10 L/min下，五種不同的儲熱水箱的Ri 數隨無量綱時間增加的變化情況，可用溫度曲線形式表現出來。

不同進口流量下，不同水箱的Ri 數變化基本一致。隨著無量綱時間的增加，不同儲熱水箱的Ri 數都是增大，表明水箱內熱分層程度逐步提升，且隨著進口的流量的增大，Ri 數減小，相變材料處于第一層的水箱Ri 數大于處于其他三層的水箱，表明相變材料在第一層時的水箱分層性要高于其他的水箱。此后，隨著進口流量的增加，普通均流水箱的分層效果要優于相變水箱，主要是由于釋熱過程越快，而相變材料的導熱系數較小，因此對周圍冷流體的溫度提升作用有限，儲熱水箱的出口溫度降低，由公式（4）可知，普通均流水箱的Ri 數高于相變均流水箱。

3.3 ?效率分析

在進口流量為2 L/min、4 L/min、6 L/min、8 L/min、10 L/min 的工況下，普通水箱和相變蓄熱材料處于四種不同位置相變水箱的?效率隨無量綱時間的變化情況,可用溫度曲線形式表現出來。

相變蓄熱材料在不同位置會影響水箱內的流動和熱分層情況，因此我們需要對相變蓄熱材料處于不同位置時對水箱?效率的影響進行對比分析。五種不同水箱在不同進口流量下的?效率變化規律基本一致，釋熱開始時，所有水箱的?效率都為1，隨著無量綱時間的增大，火 用效率逐漸減低，且在最初下降得較為緩慢，釋熱接近結束的時候，開始陡然下降，斜率相對更大，流量越大時，這種現象越明顯。這是由于流量更大時，水箱內的摻混較大，分層情況更差，水箱內部冷熱水的分布更加偏離于完美分層水箱?？梢杂^察到，進口流量為2 L/min 及4 L/min 時，蓄熱材料處于第一層時，其?效率在整個釋熱過程中始終大于其他四種水箱，這主要是由于低流量時，相變蓄熱材料有更加長的時間釋放出相變潛熱，對所在水層起到一定的再熱作用，其他層遠離出口水，再熱作用更加微弱，造成相變材料在第一層的水箱?效率更高，而流量大于4 L/min 時，釋熱過程更短，且相變潛熱是一個緩慢釋放的過程，相變潛熱無法充分釋放，導致?效率更低。

4 結論

本文基于三水合乙酸鈉，研究了不同相變蓄熱球位置和進口流量對水箱內各溫度點隨無量綱時間的變化情況，在初始水溫80℃、進水溫度20℃的工況下，通過相變蓄熱水箱實驗系統，分析了蓄熱水箱的熱分層特性，研究結果表明：

4.1 相變蓄熱材料的增加提升了水箱的初始能量，變蓄熱材料使得儲熱水箱的蓄熱量增加了3.14%。

4.2 隨著進口的流量的增大，Ri 數減小，儲熱水箱熱分層程度減弱；當進口流量為2 L/min 和4 L/min 時，相變材料在第一層時的水箱熱分層程度要強于其他的水箱。

4.3 由于相變蓄熱材料本身體積占據了水箱內部分容積，高進口流量下，相變潛熱釋放不完全，所以?效率低于不含相變材料的水箱。