孔板布水结构对蓄热性能影响的实验研究

赵 恒, 王 芃, 吴金龙, 丁 立, 王 威

(1.哈尔滨工业大学 建筑学院, 黑龙江 哈尔滨 150090; 2.寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001)

蓄热水罐是区域供热系统中平衡供需热量、利用低谷电储存热量的装置。在蓄热水罐中,由于冷热水的密度差,在冷热水的交界区域形成温度梯度较大的斜温层[1],有效控制斜温层的厚度可以提高蓄热水罐蓄热效率及可用能品质[2]。

蓄热水罐的温度分层效果与多因素有关,包括水罐和布水器结构、进水流量、进出水温差等[3]。Ievers等[4]、戈志华等[5]研究发现影响水罐内部热分层最主要的因素是进口水流造成的扰动,而布水器的设计形式及其结构决定了进口水流的掺混程度,从而影响斜温层厚度。布水器作为蓄热水罐中实现水流稳定分层的关键部件,能够使出流更加均匀,对于减少扰动、抑制水流掺混、减小斜温层厚度具有重要作用。布水器形式多样,包括八角形、H形和圆形等。Karim[6]对布水器进行了实验研究,发现八角形布水器比分布式布水器具有更好的性能。Chung等[7]研究表明布水器的几何结构是影响分层效果的重要因素。王子烨等[8]进行了H形布水器的设计与研究,通过改善布水器孔口的出流区域,控制斜温层厚度。戈志华等[5]以配置圆形布水器的圆柱形蓄热水箱为对象进行模拟研究,结果显示在进水流量一定时,随着布水器开孔数量增多及开孔直径变大,斜温层会减薄。胡国霞[9]对不同开孔间距和开孔直径的圆形布水器进行实验,实验表明开孔间距与开孔高度的比为1～2的布水器的性能更好。

除以上布水器外,还有一种结构更简单的孔板布水结构,其影响布水性能的主要结构参数为开孔面积和开孔数量。韩延民等[10]通过实验和数值分析的方法进行研究,结果表明水箱挡板能有效地控制水箱中的湍流耗散。Altuntop等[11]对比了12种不同类型的挡板对罐内温度场的影响,研究发现,在罐内布置挡板能提高热分层效果,挡板中间有空隙比边缘部分有空隙具有更好的分层效果。白鹃[12]发现在蓄热水罐内添加均流孔板可以明显减小斜温层厚度,并且在高雷诺数和弗劳德数下有明显优势。

目前已有的研究大多以布水器为研究对象,对孔板布水结构的研究较少。本文以上下装配孔板的圆柱形蓄热水罐为研究对象,搭建蓄热水罐蓄热性能实验台。设计多工况实验条件,以斜温层厚度为评价指标,研究孔板布水结构参数(开孔面积比、开孔数量)对蓄热性能的影响。

为了使进入蓄热水罐的水温稳定,实验系统按开式系统设计,将供水与回水分置在两个水箱中。蓄热水罐蓄热实验系统见图1,安装完成后实验台实景见图2。

图1 蓄热水罐蓄热实验系统

图2 蓄热水罐蓄热实验台实景

实验台主体管道公称直径为20 mm,流量计前后过渡段管道公称直径为10 mm,均为钢管。实验准备阶段的高温水和低温水由电加热器制备。实验台主要设备和计量仪表主要参数和规格见表1,表1中无型号的设备或计量仪表均为定制。其中流量计前后过渡段管道长度满足JJG 164—2000《液体流量标准装置检定规程》的要求。

实验蓄热水罐为圆筒形,内直径350 mm,外直径360 mm,内高700 mm,外高720 mm,进出水管公称直径均为20 mm。在罐体内,距顶部和底部60 mm处均设置孔板。罐体以上下孔板为界分为3部分,分别为上孔板上部罐体、中间罐体、下孔板下部罐体,通过法兰连接各部分罐体和固定孔板。罐体外侧和管道采用橡塑材料保温。蓄热水罐剖面见图3,图中标注数值相应的单位均为mm。

图3 蓄热水罐剖面(软件截图)

在罐体内布置24个温度测点,测量蓄热水罐内不同高度的温度。共分8组,同一高度上的3个测点为一组,测点均在中心截面上,从高到低记为1～8组。测点的水平间距为87 mm,垂直间距为70 mm。

3.1 实验原理

为得到实验蓄热水罐入口流速,按原型蓄热水罐依据相似原理进行计算。

原型蓄热水罐内高2.8 m,内直径1.4 m,原型蓄热水罐结构与实验蓄热水罐相同,实验蓄热水罐与原型蓄热水罐相似比0.25,进行相似模化。原型蓄热水罐供水流量3.35 m3/h,高温水温度50 ℃,低温水温度20 ℃。计算得出原型蓄热水罐入口流速为0.185 m/s。依据原型蓄热水罐结构参数和设计参数确定实验蓄热水罐入口流速。

蓄热水罐蓄热过程的相似需要满足几何相似、流动相似、导热相似、边界条件相似[13],具体如下。

① 几何相似

实验蓄热水罐及其他结构与原型蓄热水罐及其他结构保持几何形状相同。

② 流动相似

流动相似可以由雷诺数、欧拉数、弗劳德数表示。由于实验中水处于封闭的受迫流动状态,重力影响可以忽略不计,故不考虑弗劳德数。欧拉数为非定性特征数,且其包含的非单值条件为压差,不是本文研究的对象,故也不考虑欧拉数。因此,流动相似只考虑雷诺数Re。

③ 导热相似

导热相似根据导热方程式[14]推导可知,傅里叶数与贝克来数互为倒数,故只需考虑其中一个,这里考虑贝克来数Pe。存在关系Pr=Pe/Re,普朗特数Pr包含了流体的物理参数,只要保证实验蓄热水罐流体与原型蓄热水罐相同,流体温度设定相同,就可以满足两者的普朗特数相等。因此导热相似只需要考虑雷诺数即可。

④ 边界条件相似

本文主要针对蓄热过程中的斜温层厚度进行研究,且罐体外部包裹保温层,罐体散热对斜温层的影响可以忽略。

综上,原型蓄热水罐与实验蓄热水罐的雷诺数相等即可完成相似模化,由此得出实验蓄热水罐入口流速计算式为:

(1)

式中u2——实验蓄热水罐入口流速,m/s

u1——原型蓄热水罐入口流速,m/s

C——实验蓄热水罐与原型蓄热水罐相似比

经计算,得出实验蓄热水罐入口流速为0.74 m/s。以此入口流速进行相应的实验。

3.2 实验步骤

具体试验步骤如下。

① 进行实验前,除低温水箱外的系统内充满水。开启水泵,调整调节阀开度,使进入蓄热水罐的流量稳定在设定流量。

② 通过电加热器将蓄热水罐中的水加热至设定的低温水温度,然后调整电加热器将高温水箱中的水加热至设定的高温水温度。

③ 将高温水箱中的高温水送入蓄热水罐,排出的低温水流入低温水箱。实验过程中,每6 s记录一组数据,直至蓄热水罐出水管处测点8(见图3)的温度稳定为高温水温度。至此,一次蓄热实验完成。

④ 进行下一组实验时,将蓄热水罐中的高温水全部送回高温水箱,调整实验条件(如更换孔板)将低温水箱中的低温水送入蓄热水罐,使蓄热水罐中充满低温水。重复步骤②③。

3.3 实验方案

定义孔板的总开孔面积与蓄热水罐截面积之比为孔板开孔面积比。根据有无孔板和不同的孔板结构,设计11组实验方案,同一实验方案中上下两孔板的开孔方案保持一致,具体实验方案及实验参数见表2,方案0为无孔板的情况。11组实验方案实验蓄热水罐入口流速均为0.74 m/s。

表2 实验方案及实验参数

不同开孔面积比的单孔方案及多孔方案开孔位置相同。以方案1和方案6为例,孔的布置见图4,图中数值相应的单位为mm。

图4 方案1和方案6孔板开孔位置(软件截图)

3.4 蓄热性能评价指标

以斜温层厚度[14]作为蓄热性能评价指标。本文中的斜温层厚度指斜温层温度范围对应高度与蓄热水罐内高之比。斜温层厚度越小,高低温水之间的温度梯度越大,水箱的温度分层效果越好。

引入无量纲温度θβ,计算式为:

(2)

式中θβ——无量纲温度

θ——斜温层内某点温度,℃

θC——蓄热水罐入口温度,℃,取50 ℃

θH——蓄热水罐初始温度,℃,取20 ℃

以无量纲温度区间为[0.15,0.85]时,流体在蓄热水罐内的高度来确定斜温层厚度。按本文的实验参数计算,斜温层温度范围为[24.5,45.5] ℃。

定义蓄热水罐蓄热过程进行时间与空蓄热水罐充满所需时间的比值为无量纲时间tβ,表征蓄热水罐蓄热、放热进度的时间尺度。tβ的取值范围为0～1,tβ=1时高温水将蓄热水罐内的低温水全部置换完毕。

3.5 蓄热水罐入口温度控制

蓄热水罐蓄热过程中,蓄热水罐入口温度是影响罐内高低温水换热的重要参数。各方案蓄热水罐入口温度随无量纲时间变化见图5。

图5 各方案蓄热水罐入口温度随无量纲时间的变化

由于电加热器精度原因,无法精确控制高温水温度在50 ℃、低温水温度在20 ℃,各个方案的高、低温水温度不同。电加热器控制的高温水温度范围为[49.5,50.5] ℃,控制的低温水温度范围为[19.5,20.5] ℃。

由图5可见,tβ=0.1时,蓄热水罐入口温度与高温水温度相差2 ℃左右,无量纲时间tβ≤0.4时,蓄热水罐入口温度并未达到高温水温度,这是电加热器至蓄热水罐之间的管段内存有低温水,低温水与高温水换热导致。无量纲时间tβ≥0.5时,各方案入口温度基本稳定在高温水温度,部分方案高温水温度较高。各方案蓄热水罐入口温度在tβ=0.6时均稳定在高温水温度范围。

4.1 孔板开孔数量对蓄热性能的影响

① 对斜温层持续时间的影响

对比无孔方案0、单孔方案1和多孔方案6的实验结果,分析无孔、单孔、多孔孔板结构在蓄热水罐内的布水作用。在不同时刻下方案0、方案1、方案6蓄热过程罐内各组测点平均温度分布见图6。

图6 在不同时刻下方案0、方案1、方案6蓄热过程罐内各组测点平均温度分布

由图6可见,罐内斜温层随时间在罐内逐渐由上向下移动。斜温层所在位置温度梯度较大,其他位置温度梯度较小。

根据图6a,无孔板时,蓄热水罐斜温层在0.2≤tβ≤0.3时生成,在tβ=0.5后消失;根据图6b、6c,布置单孔和多孔孔板时,蓄热水罐斜温层在0.2≤tβ≤0.3时生成,tβ=0.6后消失,说明布置孔板后无量纲时间为0.6时的斜率会比布置之前的斜率大,意味着斜温层持续时间增加。在蓄热水罐中布置孔板,可以有效延长蓄热过程中斜温层的持续时间。

② 对斜温层厚度的影响

根据蓄热水罐内温度分布,插值估算斜温层厚度,在不同时刻下方案0、方案1、方案6蓄热过程斜温层厚度变化见图7。

图7 在不同时刻下方案0、方案1、方案6蓄热过程斜温层厚度变化

由图7可见,在蓄热过程中无孔板和布置孔板蓄热水罐内的斜温层厚度随无量纲时间的变化趋势大致相同,布置单孔和多孔孔板后的斜温层厚度均小于无孔板方案。

4.2 孔板开孔面积比对蓄热性能影响

为研究单孔和多孔孔板开孔面积比对蓄热性能的影响,分别绘制单孔方案1～5和多孔方案6～10蓄热过程中斜温层厚度随开孔面积比的变化曲线,见图8。

图8 单孔和多孔孔板斜温层厚度随开孔面积比的变化

对于单孔方案,由图8a可见,开孔面积比为0.1、0.2时,斜温层厚度随蓄热时间增加的变化趋势相同。在开孔面积比为0.2时,斜温层厚度变化幅度降低,斜温层厚度减小。开孔面积比大于0.2时,斜温层厚度随蓄热时间增加波动幅度变大,斜温层稳定性降低。对比各单孔方案的斜温层厚度,在开孔面积比为0.2时,斜温层最稳定,且厚度较小。

对于多孔方案,由图8b可见,在0.3≤tβ≤0.5时,斜温层厚度随开孔面积比的变化趋势相近,在开孔面积比为0.2时,斜温层厚度最小。tβ=0.6时,斜温层只在开孔面积比为0.1、0.2时存在,开孔面积比大于0.2时,斜温层消失。

① 在蓄热水罐中布置孔板,可以有效延长蓄热过程中斜温层的持续时间,减小生成的斜温层厚度。

② 对于单孔、多孔孔板方案,最佳开孔面积比均为0.2。

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