半球形顶太阳能蓄热水箱内置错层隔板结构及运行参数优化.docx
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1、摘要:为了获得半球形顶太阳能蓄热水箱最佳内置错层隔板结构及运行参数,对25种具有不同内置错层隔板结构水箱进行了数值分析,结果表明:隔板水平伸长量保持不变,随着隔板竖向间距增大,冷热水出口温差变小;当隔板竖向间距一定,随着隔板水平伸长量的增大,左侧或右侧隔板伸长相同的量对冷热水出口温差的影响差异越不明显,隔板以下区域温度呈现升高趋势,水箱内形成稳定的热层结构。当两隔板竖向间距为0.01m、左右隔板水平伸长量为0时,集热器瞬时效率取得最大值20.5%。在热水入口温度较高时,热水出口温度对冷水入口流速的变化更敏感。蓄热水箱有效储热率随冷水入口流速的增大呈先增后减的趋势,不同结构蓄热水箱有效储热率取得
2、最大值的冷水入口流速值不同。具有半球形顶及内置错层隔板结构水箱在获得较高冷热水出口温差方面的性能要优于具有圆锥形顶及内置开单孔隔板结构水箱。关键词:太阳能蓄热水箱;热分层;错层隔板;有效储热率;运行参数;数值模拟经济的快速发展致使能源消耗、环境问题日益严重。太阳能作为一种可再生的清洁能源,已被广泛应用于工农业生产及日常生活中。在太阳能系统中设置蓄热装置是解决太阳能利用间歇性和不可靠性问题的有效措施。目前普遍采用蓄热水箱作为蓄热装置,而热分层是评判其热能利用效率的重要指标之一。热分层与水箱的结构、水温和流量、放置方式及流体进口结构等多种因素相关。文献研究了蓄热水箱内障碍物的类型和位置与热分层的关
3、系,发现放置在水箱内的障碍物有利于热分层的形成。文献的研究发现水箱添加相变材料后其热分层效果更明显。文献研究了圆锥形顶结构的太阳能蓄热水箱最优锥顶结构及运行参数,获得了水箱性能最优的锥顶角为159.6。文献和文献尽管得到了隔板距底面的最佳距离、最优锥顶结构及运行参数,但所得结论对于半球形顶水箱不一定适用。半球形顶曲面形状对流动阻力的产生机理有别于其他形状顶部结构。目前关于在半球形顶水箱内安装不同尺寸的错层隔板并改变其相对位置来优化热分层的研究,还未见报道。本文基于发生在蓄热水箱内的对流换热过程中流场结构的改变必然会影响温度场结构的事实,对具有半球形顶结构的蓄热水箱内置隔板结构进行了数值分析,获
4、得了特定流动参数下的最优结构及特定结构下的最优运行参数,研究对于太阳能蓄热水箱结构优化设计及系统节能运行具有重要的理论参考作用。1物理模型和数学模型1.1 物理模型图1为太阳能蓄热水箱流体流向示意图,Tl为来自集热器的热水入口温度,T2为来自用户端进入蓄热水箱的回水温度,T3为供热热水出口温度,T4为离开蓄热水箱的冷水出口温度。图2为水箱和隔板外形及尺寸,水箱高为1.5m,内置隔板厚度为0.003m,冷热水进、出口短管的直径均为0.02m。本文计算中,图中坐标原点与水箱底面圆心重合,z轴垂直向上。其中左侧隔板距底面为a,过底边弦中点的高度为C,右侧隔板距底面为b,过隔板底边弦中点的高度为do数
5、值试验中,做如下定义。c=d=0.5m,ab时,Ah1.=a-b;avb时,hR=b-a,对应1#10#水箱。Od时,1.1.=c-d;c0.9ms,温度T2为303K。水箱初始温度为320K,水箱中的压力为1个大气压,冷、热水出口设为自由出流边界。水箱内壁面设为绝热边界条件,所有液固交界面设为速度无滑移边界条件。2数值求解方法2.1数学模型验证为了验证数学模型的正确性,依据文献中的实验条件,选取流量为71.min时的工况进行数值模拟。本文计算结果与文献实验结果对比如图3所示。数值结果与实验结果间的最大相对误差为2.51%,最小相对误差为0.06%,这一误差是能满足工程计算精度要求的,贝J1.
6、2节数学模型可用于后续计算。325300s,0.25z0.8m时,与横轴倾斜的斜线长度逐渐增加,即斜温层厚度逐渐增加,冷水出口温度逐渐降低,热水出口温度也有所降低。1.5-fAOOS,/600s,900sA-12001-1500st-1S(M)s32577K3100103050709A0.0.0.0.0.&H3579Oooo60.ci0.s3050图71#水箱沿Z轴正向温度随时间的变化曲线(t=300180OS)图8为在流动参数一定的情况下,隔板竖向间距对各水箱Z轴正向温度的影响。可以看出,在隔板水平伸长量A1.R=A1.1.=0.3m的情况下,隔板下方水温受隔板竖向间距影响明显,但左侧隔板高
7、和右侧隔板高对隔板下方温度场的影响规律一致。在隔板上方沿着Z轴正方向,隔板竖向间距的增大对水温的影响逐渐减弱。到了z1.0m范围,隔板竖向间距对水温的影响更微弱,即热水出口温度与隔板竖向间距的变化关联性不大。图8隔板竖向间距对z轴正向温度的影响图9为隔板尺寸对Z轴正向温度和冷热水出口温差的影响。由图9(八)可以看出,隔板竖向间距Ah1.=AhR=0.03m时,随着隔板水平伸长量A1.R或1.1.逐渐增大,水流的局部阻力增大,从而减弱了冷热水的热交换,使得冷水出口温度逐渐降低。水箱内0.3WzW1.5m的区域曲线基本重合,说明隔板水平伸长量A1.R或A1.1.增大对该区域的温度分布影响很微弱。由
8、图9(b)可以看出,对于任一隔板水平伸长量,冷热水出口温差均随隔板竖向间距的增大而减小,对于同一隔板竖向间距,隔板水平伸长量越大,左侧或右侧隔板伸长相同的量对冷热水出口温差的影响差异越不明显。Ah1.为0.03m、A1.1.=0.3m时冷热水出口温差获得最大值为12.1K,即13#水箱。325z/m(八)隔板水平伸长量对Z轴正向温度的影响13.012.5.05.0.5Z1.1.S123OSO.S10.09.59.00.010.030.050.070.090.11Mr或MJm(b)隔板竖向间距与水平伸长量对冷热水出口温差的影响图9隔板尺寸对Z轴正向温度和冷热水出口温差的影响3.2 集热器瞬时效率
9、太阳能集热器的瞬时效率11是评价蓄热水箱性能的重要指标,计算式为。净=X100%(6)。辄射式中,Q净为集热器实际获得的能量,内=八7,C为水的比热容,4.18kJ(kg);m为工质的质量流量,kg/s;AT为工质进出口温差,;Q辐射为集热面积上总的太阳辐射能,集热器采光面积为llm2,太阳辐射照度为(70050)Wm223o图10为1#25#集热器瞬时效率变化曲线。集热器瞬时效率越高越有利于蓄热水箱的普及应用,由于水箱内置结构不同从而引起集热器瞬时效率也存在差异。由图可知,不同结构水箱所得集热器瞬时效率之间存在较大差异,其中,1#水箱对应集热器瞬时效率最高,为20.5%,10#水箱所得集热器
10、瞬时效率最低,为15.4%o212002468101214161820222426水箱编号图101#25#集热器瞬时效率3.3运行参数影响分析根据3.2节分析结果,按照集热器瞬时效率指标评价所得最优结构为1#水箱,下文针对该水箱结构,分析表3所示流动参数对热分层及冷热水出口温差的影响。表3模拟工况工况入口温度/K入口流速ms热水冷水热水冷水I3333030.050.123333030.050.333333030.050.543333030.050.753333030.050.963433030.050.173433030.050383433030.050.593433030.050.7!034
11、33030.050.9图11为不同流动参数时1#水箱X=O截面温度分布。工况1#5#的热水入口温度为333K。由图11(八)(e)可以看出,随着冷水入口流速的增大,加剧了冷热水的混合程度,激励了自然对流换热过程,在隔板上方产生了涡流,隔板间隙处涡流区的温度随着冷水入口流速增大逐渐下降,热水出口附近温度呈现先降后升特点。工况6#10#热水入口温度为343K,与热水入口温度333K相比,发现同一冷水入口流速下,热水入口温度较高时水箱出口附近的高温区范围有所扩大,温度梯度越大,这是因为热水入口温度与水箱内的初始温差越大,传热效率越高,水箱内热层越稳定。(八)工况I(e)工况5nperatureK13
12、38ao33550333003Y)5O32800325503230032002318993I8OO315503I3OO3IOSO5080010550(0Tl6(三)TO)TRlOa0.5m/s0.5m/s0.7m/s00.7m/s*-0.9m/s-1-0.9m/s图11不同工况X=O截面温度分布图12为不同热水入口温度下各工况沿Z轴正向的温度分布曲线。由图可知:在冷水入口流速一定的条件下,2种热水入口温度下水箱沿z轴正向温度曲线几乎重合,说明热水入口温度对水箱内竖向温度的影响微弱。同一热水入口温度条件下,0.2z1.0m时水箱内温度随冷水入口流速增大而降低,沿着Z轴正向冷水入口流速对水箱温度的
13、影响越来越小,z21.2m时影响很微弱。另外,冷水入口流速越大,冷水出口温度越低,隔板下方低温区域越大,这与图11反映的现象相一致。325320W3153103050.00.30.60.91.21.5z/m图12各水箱沿Z轴正向的温度变化图13为不同热水入口温度下冷水入口流速对热水出口温度的影响。由图可知,不同热水入口温度下,热水出口温度均随冷水入口流速的增大而减小,而且,热水入口温度越高,冷水入口流速对热水出口温度的影响越显著。所以,在工程实际调节中,要确保热水入口温度较高时热水出口温度的稳定性,对来自用户回流至水箱流量的控制就要更精细。322.50.10.20.30.40.50.60.70
14、.80.9vms-1图13T3随冷水入口流速变化曲线图14为不同热水入口温度时冷水入口流速对水箱出口温差的影响。由图可知,冷热水出口温差随冷水入口流速增大而增大,但当冷水入口流速增大到一定值时对增大冷热水出口温差的贡献趋于平缓。所以,在较小的冷水入口流速下提高热水入口温度是改善水箱热分层和提高供应热水温度的重要举措。另外,对于同一冷水入口流速值,本文最优结构(1#)的冷热水出口温差值要高于文献最优结构的冷热水出口温差值。说明具有半球形顶及内置错层隔板结构水箱,在获得冷热水出口温差方面的性能要优于具有圆锥形顶3.4冷水入口流速对水箱有效储热率的影响有效储热率是评价蓄热水箱性能的另一重要指标,计算
15、式为式中,Ah为蓄热水箱中斜温层的厚度,m;H为蓄热水箱中的液而高度,mo图15为冷水入口流速对1#和13#水箱有效储热率的影响。可以看出,2个结构水箱有效储热率均随冷水入口流速的增大呈先升后降的趋势。对于1#水箱,其冷水入口流速v=0.3ms为临界值,此时水箱有效储热率取得最大值,为95.8%;对于13#水箱,其冷水入口流速v=0.5ms为临界值,此时水箱有效储热率取得最大值,为94.7%o这说明冷水入口流速过大或过小均不利于提升水箱有效储热率。因此,在实际运行中,在其他流体参数一定的情况下,对于特定结构的蓄热水箱,如何适度调节冷水回流速度是提升水箱有效储热率、改善水箱蓄热性能的一个努%、3
16、神埔型vms1图15冷水入口流速对水箱有效储热率的影响4结论以不同隔板结构的半球形顶蓄热水箱为研究对象,采用标准k-模型对水箱内的流场及温度场进行了数值分析,得到了如下主要结论。(1)当两隔板几何尺寸相同、竖向距离为0.0Im时,对应1#水箱,能使太阳能集热器瞬时效率取得最大值,为20.5%。(2)在相同冷水入口流速下,热水入口温度对水箱内温度的竖向分布影响微弱,但提高热水入口温度,水箱热水出口附近高温区有所扩展,水箱内热分层效果更显著。(3)热水入口温度较高时,热水出口温度对冷水入口流速的变化更敏感。在工程实际调节中,可通过提高来自用户回流至水箱流量的控制精度来改善热水入口温度较高时热水出口
17、温度的稳定性。(4)按冷热水出口温差所得最优水箱结构,当冷水入口流速为0.5ms时水箱有效储热率可获得最大值;按集热器瞬时效率指标所得最优水箱结构,当冷水入口流速为0.3ms时水箱有效储热率可获得最大值。附参考资料:太阳能蓄热水箱运行工况优化图1不同顶部结构水箱的外形及尺寸图绿色建筑的研究及应用对人们生活环境的改善作用日益凸显。其中,太阳能在建筑供暖方面的应用已经成为行业研究的热点问题。然而,太阳辐射的间断性和不稳定性制约了太阳能利用。将太阳能蓄热水箱应用于太阳能供暖系统中,把太阳能蓄存下来用于阴天或太阳能不足的时段供热,可以提高太阳能的利用率。如何提高水箱的蓄热性能对于提高太阳能系统综合效率
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