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论文知识案例-进口流速对储热水箱温度分层影响的研究

2021-04-20 12:00:10

  储热水箱近年来被广泛应用到太阳能家用热水系统中,作为整个系统的中心环节,其储热效率和分层特性对热水系统出水性能有着重要影响;在影响储热水箱分层特性的众多因素中,进口流速是一个较为重要的影响因素。本文通过模拟热水和冷水不同进口流速下储热水箱内部各层水体变化情况,用能量分布系数,?效率和取出效率指标进行评价。通过分析得出:在蓄能过程中,?效率在流速为0.03m/s时取得最大值61.34%,在流速0.03m/s处能量分布系数整体较高,且各流速的能量分布系数随无量纲时间增大而增大;在释能过程中,取出效率在流速为0.005m/s处取得最大值25.94%,随着流速增大取出效率先减小,在出现小幅增长后又减小。

  随着全球化石能源储备量的减少以及环境的恶化,新型清洁能源的开发越来越得到世界各国的重视。2018年我国一次能源消费量折算标准煤约为46.6亿吨[1],创6年新高,与此同时以太阳能为代表的众多清洁能源比重逐步增加。在我国能源消费构造中,以石油、煤等不可再生能源依然占有较大比重,由于这些一次能源的过度使用,产生了大量二氧化硫、三氧化硫等有害化学物质,对环境也造成了不可逆的损害,如京津冀等地区的雾霾、酸雨天气、全球变暖,南极温度首次突破20℃等现象。这些现象都表明对传统能源的过度开发必须遏制,必须重新调整能源结构,使清洁能源比例逐渐增加,逐步减少以煤炭为代表的传统能源的份额,这样既能减少对环境的不良影响,又可使社会和经济可持续发展。

  在众多清洁能源当中,太阳能由于其无污染,受照面积广阔等特点成为现存开发最多、利用最广泛的一种能源。我国太阳能资源较为丰富,一年内辐射总量超5000MJ/m2[2],充分利用这些太阳能资源对我国实行可持续发展战略具有重大意义。但目前对太阳能的利用也存在一些问题,比如各个时间段太阳的辐射量不相同且不稳定,导致能量的供应和需求不匹配。在这种不连续的系统中,能量的储存对能量的持续利用有着重要影响,因此引入了热能储存系统和热分层的概念。热能储存系统是指:收集能量并对能量进行分配的系统,它在整个热水系统中连接加热回路和用户循环侧,起到枢纽作用;热分层是指:在储热水箱中,冷热水存在着密度上的差异,因此产生的热浮力使得热水处在水箱上部,冷水沉在水箱下部,沿竖直方向具有温度梯度,形成热分层。

  水箱内存在三种状态,即完美分层状态(水箱中温度分层明显,有垂直的温度梯度)、过渡状态(水箱中存在有分层和混合,中间为过渡区域)、完全混合状态(不存在分层,水箱中完全混合,温度趋于均匀),实际水箱大都处于第二种状态,因此如何提高水箱内的分层效果,提高能源利用率,是目前很多学者的主要研究方向。水箱内若能形成良好分层,可降低底层温度使集热器内有较大温差提高其效率;其次可增加出口温度,提高释能品质。随着人民生活水平的进步,人们对生活品质有了更高的要求,比如在供暖质量以及热水温度方面,所以对储热水箱的出水温度以及热利用率提出了更高要求。

  一般来说,分层加热可分为直接加热和间接加热,直接加热就是利用集热器中太阳辐射传递热量加热的水引入到蓄热水箱内或者在适当高度将热流体导入水箱内,然后在重力作用下冷热流体不断进行分层;间接加热是指水箱内流体与放置在水箱内或水箱外的热交换器中被加热的流体之间进行热交换。本文主要研究直接加热方式,在前人所做研究中,得出影响水箱内热分层的因素主要有(1)几何结构,比如水箱尺寸、水箱径高比、均流器入口形状等;(2)运行参数,比如入口流速、入口和初始水箱水温等[3]。

  1.2研究现状

  国内外研究者目前普遍采用实验方法和CFD模拟方法对水箱分层进行分析。两者各有利弊,实验方法所需成本大但能得到准确的实验数据;模拟方法所需成本小,但在模拟过程中模拟条件的设置可能会与实际情况有所出入,不能完全模拟实际情况,并且在模拟时存在不好收敛、模拟时间较长等问题。

  刘玉新等发明了水箱进水控制装置并介绍了其控制方法,云端管理系统根据采集到的用水数据综合计算出高峰期的合理进水流量[4],以在最大限度上提高储热水箱效率;程友良等利用Fluent软件对太阳能热水系统储热水箱进行模拟,对热水的各个影响因素都进行了分析,当热水入口质量流量小于2.8kg/s时,蓄热水箱的温度分层比较明显;当热水入口质量流量大于2.8kg/s时,随着热水入口质量流量逐渐增大,蓄热水箱温度分层越来越不明显[5];Zacha'r等对蓄热水箱中的速度和温度分布进行了研究分析,发现当水箱进水从上部进入时,平板的直径、板间距离和平板上面的水箱部分对温度分层产生重要影响[6];MohamedTaherBouzaher等[7]研究了一种新型球形储热水箱,通过在轴上安装被动移动板来控制流速,该移动板的角度会随着板上因入口流产生的流体动力载荷而发生变化,从而控制流速,减少混合,并用CFD求解器评估得出该新型水箱有较好分层效率。

  1.3本文主要研究内容

  在有关于太阳能储热水箱的研究中,流速对分层特性的影响研究一般与其他影响因素进行耦合研究,比如研究新型减缓水流速度的进口结构以及不同水箱结构在不同流速下的温度分层,通过比较来得出新型结构的性能,但关于流速对分层特性的影响研究并不多见,因此研究水箱在蓄能和释能过程中的最佳流速具有重要意义。本文在查阅文献的基础上,采用有限元方法对不同流速对水箱温度分层的影响进行模拟,并对数据采用取出效率,?效率和能量分布系数指标进行评价,综合分析进口流速对热分层的影响。

  (1)学习CFD软件,建立储热水箱几何模型,对水箱进行模拟;

  (2)学习对数据进行后处理,做出数据曲线图;

  (3)对不同热水和冷水流速进行模拟,热水流速:0.01m/s,0.03m/s,0.05m/s,0.1m/s,0.2m/s;冷水流速:0.005m/s,0.01m/s,0.02m/s,0.03m/s,0.05m/s,0.1m/s,0.2m/s;

  (4)将结果进行数据处理,讨论不同流速下水箱温度分层情况,并将取出效率,?效率和能量分布系数以点线图的形式整理,得出结论。

  第二章模型建立

  利用CFD软件建立模型,主要分为3个步骤:一是建立几何构架;二是剖分网格;三是定义参数。

  2.1建立几何构架

  模型几何构架主体部分为一圆柱体,圆柱体下为直径5cm圆柱体水管,上接直径5cm圆柱体水管。模型内流动过程为:当水箱蓄能时,热水由上管道进入水箱加热冷水,冷水从下管道排出;当水箱释能时,冷水由下管道进入,进入水箱,热水从上管道排出。圆柱体半径为0.2m,高为1.5m,容积188.5L,水箱高径比为3.75,水箱底部圆心为坐标原点,将水箱沿竖直方向从上至下分为15层,在每一层都设置温度监测点,水箱顶部为第一层,水箱内流体流动过程采用湍流κ-ε模型,水箱内分层示意图如下:

  图2-1分层示意图

  2.2剖分网格

  软件中划分网格有多种方式,三维网格包括四面体、边界层等网格,三维网格划分方式包括:(1)直接对模型进行体网格划分;(2)先对边界面进行平面网格划分,之后对网格进行扫略。本文采用第二种方式,二维网格包括四边形、三角形等网格,对不同部位的网格疏密程度应不同,比如在入口处和流场复杂处均应加密。水箱内部剖分网格如下:

  对水箱主体部分网格采用四边形网格形成六面体网格,因水流初始是从水箱底部或顶层进入水箱内部,故采用等差数列对称分布对水箱扫略,可使在入口混合剧烈处进行加密,单元大小比为5,这样更容易计算结果收敛;对进水管和出水管采用三角形网格形成棱柱网格,同样采用等差数列,单元大小比为3;对两个水管入口边界都采用三角形网格,单元参数大小采用自动方法,由系统默认设置;整个模型都设置边界层,边界层参数都采用默认设置,通过改变这些边界层参数,可以改变边界层网格创建的形式以及其加密程度。

  网格的粗细与算法误差有关,当网格过粗时,可能会使得到的结果不准确,因此应根据计算结果准确度和电脑计算成本来综合选取较为合适的网格粗细程度;网格数的选取也会影响求解数值的准确性,应当对网格进行无关性验证,这样才能确保得出的数值解与网格无关,保证解的准确性。

  2.3定义参数

  模型中定义参数如下:

  表2-1参数表

  参数 值 参数 值

  水箱初始温度Ti 343.15K 冷水温度Tc 293.15K

  环境温度Te 293.15K 水箱体积Vst 188.5L

  出口压力P 0.1MPa

  水箱内部温度场设置如下:

  (1)边界条件:除入口边界,其与边界均为热绝缘;水箱入口选择温度和速度条件,出口选择压力条件,便于计算收敛;

  (2)物性参数设置:水的定压比热容Cp为1.525KJ/(Kg*K),水的密度和动力粘度皆为温度的函数,在流动传热过程中随各层水体温度不同而逐渐变化,导热系数为0.6W/(m*K);

  (3)选择重力条件,可使水箱内冷水和热水因密度不同而进行分层;

  (4)容差选择0.01,便于计算收敛;

  (5)流体温度参考值为环境温度;

  (6)定义参数之后,选择三维瞬态分析,设置不同的时间步长,选择相应的变量,进行求解。

  第三章储热水箱评价指标及进展

  从研究储热水箱开始,各种评价热分层的指标一直被提出并被应用于实际储热水箱热分层和热效率的评价,比如能量分布系数、无量纲?、取出效率、分层数等指标,在这里主要对各种评价指标进行综述。

  3.1分层数

  这一概念最早由Jose′Fernandez-Seara等提出并运用该指标进行评价,水箱被分为m层,分层数被定义为整个过程水箱平均温度梯度与水箱初始温度梯度之比,分层示意图如图2-1所示。公式如下:

  

  (3-1)

  

  (3-2)

  其中Str—分层数;

  Δz—每一层高度;

  m—水箱层数;

  Tj—每层水体温度。

  在该公式中,每一层的温度梯度通过相加最后平均,与初始最大温度梯度做比较,可以定性的分析出每一时刻水箱内的分层状况,但在水箱内温度并不是严格按照温度梯度等差分布,而是三区并存,在这样的情况下采用分层数并不能很好分析出水箱内各层的状态,只能对水箱的整体分层做一个相对比较。王崇愿等[8]也指出采用分层数对不同流量的分层特性进行评价有待进一步研究,在实验时,不同流量的分层数差别很小。

  3.2与热一律相关的评价指标

  热力学第一定律在于能量守恒,水箱内各种能量经转换后总和保持不变。水箱内的工质为水,实际水箱温度达不到相变温度,故在这里只考虑显热,通过对水箱内每一层水体的能量进行相加(这里因分层数过少不采用积分)可得水箱内的总能量。因水箱外部包裹着保温层,水箱内进水也出水,可近似将水箱看作一个开口系统,与外界有质量交换而无热量交换。水箱内换热包括冷热水之间的对流换热以及水箱在竖直方向的导热,而水箱内的导热在一定流速时可忽略不计(导热的数量级远小于对流传热的数量级)。

  无论水箱在蓄能还是释能过程中,水都是以一定流速进入水箱的,因此采用无量纲时间能更好的反映出水箱内冷热水置换的进度和水箱内的分层特性。公式如下:

  

  (3-3)

  其中t—为冷水或热水开始进入水箱至中间任一状态所经历的时间;

  —为水以一定流量充满水箱所需要的时间;

  无量纲时间通常与各层水体的温度共同显示在XY坐标图中,能够直观观察到水箱在各个时间下每一层水体温度以及其变化趋势,但详细的数据还需要通过其他方法来计算。

  3.2.1蓄能过程评价参数

  水箱初始状态为温度均匀的冷水,热水从上部进水管进入水箱,使水箱内的冷水不断被加热,由于在模拟过程中截面平均温度不易测量,故采用中心点温度来代替截面均温,使用高度和温度的差值来代表能量分布,水箱中能量分布系数为任意时刻能量分布与水箱中最大能量分布的比值,水箱中最大能量分布如下:

  

  (3-4)

  任意时刻能量分布为:

   (3-5)

  则整个水箱能量分布系数为:

  

  (3-6)

  其中Tc—冷水温度;

  Zj—每层水体的高度;

  3.2.2释能过程评价参数

  当水箱蓄热完毕,水箱内分层达到稳定状态时,开始向水箱内注入冷水,水箱开始出水,在生活中人们比较关注的是较高温度的出水。因为水箱随着出水进程的增加,水温不断降低,热水品质也不断降低,因此关注水箱在开始时刻的出水效率具有重要意义。Hegazy提出取出效率的概念:

  

  (3-7)

  Vst—水箱容积。

  式中以初始进出水温差降低10%所用时间内的热水出水量与整个水箱容积的比值来定义取出效率,可以较好的反映出水箱高品位水出水量。其中10%可根据实际情况而定,若出水温度较高,经过一段时间出水后,水温依然很高,可取更大温差降低值,这主要取决于规定的出水下界限值或者当地用户要求的最低水温。

  3.3与热二律相关的评价指标

  与热力学第一定律关注的能量数量不同,热力学第二定律主要关注能量的品质和属性,指出在热能转换过程中能量的品质是不断降低的,在这个过程中能量总和虽然守恒,但水体的可用能已经减少。本文采用?方法分析,可以在分析各层水体能量时同时考虑能量的量与质。

  3.3.1?分析

  在蓄能过程中,以水箱初始时刻冷水均温为基准,因此进入水箱的热水所具有的?都可视为有用?。但在热水进入水箱与冷水混合或者冷水进入水箱与热水混合的时候,若将进入的工质与水箱内的水当作一个系统,则该系统的熵必定增大,按克劳修斯不等式有:

   (3-8)

  其中Q—热量;

  s—熵。

  其中a和b代表始态和终态,若该过程可逆,则上述不等式可取等号。蓄能过程中T0取水箱初始冷水均温;释能过程中T0取冷水开始进入水箱时的水温。且蓄能过程中的支付?为热水流携带的能量,收益?为实验过程中任意时刻水箱内各层水体能量之和;释能过程中支付?为水箱初始状态具有的能量,收益?为热水出水流累计的能量。?效率为收益?与支付?之比,则有如下公式:

  

  (3-9)

  

  (3-10)

  T1,m—为每层水体的终态温度;

  m—为每层水体质量;

  ζea—收益?;

  ζpa—支付?。

  LouiseJivanShah[9]在文章中将实际水箱和理想水箱的熵和?进行比较,得出理想水箱的熵变小于实际水箱的熵变,故实际水箱的?效率小于理想水箱。因此引申出无量纲?的概念,通过将实际水箱将所有条件均相同时理想水箱的?值之比作为评价指标,并和无量纲时间在同一坐标中表示,可以很好地反映出水箱的分层状态,本文在这里只分析在某个时间下各个流速下水箱的?效率,并做横向比较以期得出?效率最高时的最佳流速。

  3.3.2混合因子

  在水箱内部流场中不仅有传热过程还伴随有传质过程,这两个过程的混合会使内部传热变得复杂而难以分析。为此曹丽华等提出了混合因子这一概念,它将传质过程等效为传热过程,视为传热过程的强化[10],其所述公式为水的热扩散率与等效热扩散率之和与水的热扩散率的比值。经过这一等效转换,可将这一复杂计算过程简化成热扩散率的计算,减少计算量;在开口系统熵方程中,熵流也分为随热流传递的熵流和随物质传递的熵流,这两种处理方式类似。

  3.4准则数

  目前对水箱分层状态进行评价的无量纲准则数有理查森数、雷诺数、格拉晓夫数等等,所有这些准则数之中,基于雷诺数和格拉晓夫数的准则数在大于40的情况下,水箱中分层良好几乎无混合;理查森数是目前使用较为广泛的一种,通过比较理查森数得出水箱内的流速大小,进而反映温度分层的状态。韩延民等[11]在文章中给出了其公式:

   (3-11)

  —为格拉晓夫数;

  —为雷诺数;

  —为体膨胀系数;

  —为水箱竖直方向高度。

  从该公式中可以看出,理查森数为格拉晓夫数与雷诺数平方之比,根据这两种准则数的定义可以推出理查森数是表征浮升力和粘滞力与惯性力的度量。在公式中,流速的平方处于分母位置,表明随着流速增大理查森数不断减小。而流速愈大,混合作用越强烈,因此可以认为理查森数越小,冷热水的混合扰动就越强烈,分层情况越差。当理查森数大于0.2时,水箱内的温度梯度受入口流速的影响很小。但在研究流速对水箱分层状况的影响时,因流速为已知量,所以流速越高,理查森数必然越小,在这里不能作为有效的评价指标,而且在定义准则数时,公式里的特征长度不易确定,制约了准则数在评价储热水箱中温度分层的运用。

  3.5斜温层厚度

  斜温层厚度这一指标也能反映出水箱内部分层状况,斜温层厚度被定义为水箱内部两个温度层之间的距离。斜温层可看作低温区和高温区的过渡区,一定厚度的斜温层对水箱内部温度分层是有利的。但当水箱内部斜温层过厚时,水箱内部分层状况也不理想,水箱内部一部分区域温度分层梯度较小,使整个水箱内部可用能减少,所以斜温层厚度应当适中,这样能使水箱内部有良好的分层。

  3.6本章小结

  本章介绍了5种用于评价水箱分层状态和对水箱蓄能和释能过程评价的指标,并对部分评价指标的优缺点进行分析。其中分层数指标不适用于以流速为单一变量的研究;能量分布系数只能对能量的数量进行分析,不能评价能量的品质,运用能量分布系数和?效率两个评价指标可以对蓄能过程的效率进行评价;取出效率这一评价指标通过将热水出水量与水箱容积相比可以得出释能过程中的热水出水率,可间接反映出水箱内部分层状态。在模拟数据的基础上,运用这些指标对数据进行一个综合的评判,为得出结论提供了一定的数据参考。

  第四章模拟分析

  本章将模拟不同流速对水箱内温度分层的影响,结合所查阅文献,发现热水最佳流速范围比冷水最佳流速范围高,在模拟时热水和冷水流速分别设置不同的范围,第一次选取流速的范围间隔较大,若发现在某一流速处水箱内分层状况好于其他流速,则在该流速附近取值,直至得出水箱形成良好分层时的流速;根据结果得出的水箱温度分布图来分析水箱内的整体温度状况,并将数据用第三章的指标进行评价,根据得出的指标数据来得出水箱内部最佳流速。

  4.1模拟过程

  4.1.1蓄能过程

  在蓄能初始时刻,水箱内为温度均匀的冷水,热水自水箱顶层进入后开始逐渐加热水箱内的冷水,使水箱各层水体温度升高;热水开始通过对流传热加热冷水,随着热水不断进入水箱下部,通过对流传热和上部已经被加热的水体通过热传导不断加热水箱下部区域的水体。设定水箱初始温度为293.15K,热水进口温度为343.15K,对水箱进行瞬态分析,得出水箱温度分布随流速的变化情况。

  4.1.2释能过程

  设定水箱初始温度为343.15K,冷水进口温度为293.15K。水箱蓄热完成后水箱内整体温度较高,水箱内冷热水因密度不同会形成分层。随着冷水的注入,水箱的下部区域最先受到影响,温度不断降低且分层状态被破坏,变成混合状态,混合区域的水温要比冷水进口水温高。LouiseJivanShah等[9]研究表明若混合体积占至水箱体积的40%时,热效率将下降20%。经过查阅文献,得出冷水进口流量的范围主要集中于1~7L/min之间,进口截面积已知,可得出相应的流速。对进水过程进行瞬态分析,得出水箱温度分布随流速的变化情况。

  4.2模拟结果

  4.2.1流速分析

  水流在进入水箱部分以后,由于截面扩大的缘故,流速近似沿直线降低,之后再沿水箱高度方向流速缓慢降低至0.005m/s,然后再进入出水管时因截面积减小,流速突然增大,且流速的最大值大于设定的入口流速值,达到0.126m/s;而且水流进入水箱后主要沿中心处射入,主要影响水箱中心区域,对边界区域影响相对较小;根据这一结果,可在水箱入口处安装适当形状的均流器,使入口水流均匀进入水箱截面,避免出现水箱中心区域温度下降过快和边界水体温度过高,使水箱温度分布不均匀加快水箱可用能的减少。

  4.2.2蓄能过程分析

  因在研究过程中,各个流速的模拟时间为在该流速下的1量纲时间,因此决定了各个流速下模拟的总时间不同,因此在做横向比较时,只能取一定时间内各个流速的数据来进行分析;经过对水箱进水过程进行分析,采集了各个流速下水箱内1—15层的温度,对得到的数据绘出点线图,对各个流速下F3,F9层水体温度进行横向比较,最终用?效率和能量分布系数来评价水箱蓄能效果。

  

  图4-1蓄能过程横向比较图(F3)图4-2蓄能过程横向比较图(F9)

  

  观察图4-1和图4-2可知,流速越大,水箱内各层水体温度曲线斜率越大,越接近热水入口温度;而且发现有的曲线先上升后下降,比如图3-2里0.05和0.1曲线,当流速过大时温度很快接近热水温度,但由于后来该层水体被热水加热的作用小于水体与温度较低水体之间的热传导和对流作用,导致水温又逐渐下降,流速愈小各层水体在冷水温度停留的时间就会越长。

  

  图4-30.2m/s蓄能过程图(1量纲时间)

  在模拟过程中发现,虽采用较高流速的热水能使水箱内更快蓄能,但若热水流速过大,水流近似变成射流,直接从进水口喷向水箱中间区域,水箱最上层除进水口部分很快被加热,其余水体经过一段时间才会被同层水体慢慢加热,使水箱内沿同一高度温度分布不均匀,造成热量自高温向低温传递,使水箱能量品质降低;从图4-3中可得出热水在刚进入水箱时,先加热中间区域,之后慢慢加热下层区域水体,最后剩余最上层水体还存有部分水未被加热;当流速过小时,比如流速为0.01m/s时,水箱内虽分层较好,但因流速过小会导致蓄能时间较长,会导致水箱散热加上最先被加热的水体通过热传导传递给相邻水体,使水箱上层水体整体温度降低,可用能减少。

  

  图4-4能量分布系数图图4-5?效率图

  王登甲[12]提出热水入口流速应为0.01m/s至0.05m/s之间,在这一范围内会使水箱内形成明显分层。本文通过做1量纲时间能量分布系数图和特定时间的?效率图,发现各个流速下的能量分布系数都随着流速增大而增大,0.03m/s时的能量布系数整体较高,整个图中最大值在流速为0.01m/s,时间为1时取得最大值77.884%,但在其他时间能量分布系数均较小一些,而且其蓄能时间较长,可能会导致水箱散热;结合?效率图发现在流速为0.03m/s处取得最大值61.34%,当流速增大时?效率逐渐降低,这是因为流速过大造成对流混合加剧,使水箱整体温度降低,因此较为合适的蓄能流速应为0.03m/s。

  4.2.3释能过程分析

  经对水箱释能过程分析,对水箱F6,F14层水体进行横向比较,得出如下图:

  

  图4-6释能过程横向比较图(F6)图4-7释能过程横向比较图(F14)

  当冷水流速过大时,混合涉及到的水体就越多,这对水箱释能是极为不利的,理想的释能过程应为冷水进入水箱不断推动热水向出口排出,中间并不存在混合,但实际中水存在传热系数,完全无混合不可能实现,只有尽量将流速控制在合适的范围之内,才能形成良好的分层。从图4-6中可得出当流速为0.1m/s及以上时,温度下降明显,很快便接近冷水入口温度;而较小流速如0.02m/s,温度曲线为振荡曲线,这说明当冷水进入F6层水体时,水体通过对流传热将热量传给冷水的同时又受到处于F6上层水体的导热,因此该层水体才会有温度的上下波动。在F14层水体处,水体温度都是在初始时刻便沿直线下降至冷水温度。

  

  图4-80.02m/s释能过程图(1量纲时间)

  在图4-8中,冷水进入水箱时同样是先冷却水箱中间区域,箱壁面处和四个边界处在后才被冷却,在无量纲时间为1时,水箱底部还有部分高温水;随着水箱高度的增加,每层水体被冷水冷却的体积越多,冷水流速与每层水体被冷却体积呈正相关,水箱内温度不断下降,直至热水出水过程完毕,水箱内整体温度都趋于冷水温度,水箱释能完毕。

  图4-9取出效率图

  图4-9中,流速为0.005m/s处取出效率取得最大值25.94%,在0.2m/s处取得最小值16.41%;在图中发现随着流速增大,取出效率出现小幅增加,这是因为水箱与周围环境存在自然对流并散失一定热量,该散热量主要取决于水箱保温层厚度和水箱内温度与环境温度之差和水箱采取的保温措施;流速为0.02m/s时取出效率较0.01m/s大,说明在这一流速范围内,水箱与环境散热作用要大于冷水冷却作用,当流速达到一定值时,冷水的冷却作用起主导作用;本文中研究的最小流速为0.005m/s,在0.005m/s处取出效率取得最大,说明流速越小,水箱出水效率越高,但对水箱释能而言,过小的流速会使水箱内可用能减少,因为在水箱释能过程中,水箱壁散热也是一个重要的因素,释能时间过长导致那部分散失的热量不能有效被用户使用,而且在往用户侧提供热水的时候会对热水出水量和出水速度有所要求,若入口流速过小,则出口流速也相应变小,使出水性能降低。

  4.3本章小结

  本章在前几章的基础上,对水箱蓄能和释能过程进行模拟分析,并将得出的数据整理为点线图的形式,将模拟结果分析分为三部分:(1)流速分析,通过导出水箱释能过程和蓄能过程中的温度分布图,发现不论是蓄能还是释能过程,进口水流首先引入水箱中间区域;流速在水箱中间直径为1cm部分较高,在水箱边界流速较低;(2)蓄能过程分析,通过导出横向比较图,可得出流速越大,水箱内各层水体温度曲线斜率越大,水箱中间层的水体由于加热和冷却作用相差不大,普遍会出现温度振荡现象,最终用?效率和能量分布系数得出蓄能过程最佳流速为0.03m/s;(3)释能过程分析,冷水流速与每层水体被冷却体积呈正相关,用取出效率这一指标评价,得出在0.005m/s处取出效率较高,释能最佳流速为0.005m/s。本章的结果对改进水箱结构,提高水箱内部温度分层有一定意义。通过模拟可明显得出水箱中间区域受影响较大,通过在水箱进水管入口处安装均流器将入口水流平均至整个截面,这样既可减小流速又不会造成在同一层水体中热水和冷水并存,可实现冷水不断推动热水供向用户侧。

  第五章结论

  伴随着生活质量的提高,用户对于生活热水的质与量都提出了更高要求。作为太阳能家用热水系统的中心部件,储热水箱内部的运行参数对储热水箱的出水性能有着重要影响,本文在查阅文献的基础上,通过有限元方法对蓄能和释能过程设置不同的流速,得出如下结论:

  (1)在蓄能过程中,通过对不同流速做横向比较点线图得出:流速越大,水箱蓄能速度越快;当流速处于0.05—0.07m/s范围内,水箱内部部分水体温度曲线会发生振荡现象。通过计算?效率和能量分布系数图,得出流速为0.03m/s时?效率取得最大值61.34%,而且能量分布系数整体较高,所以0.03m/s对于蓄能过程是较为合适的流速;

  (2)在释能过程中,由于存在环境散热量,所以在决定最佳流速时不能使释能时间过长,否则会使水箱温度下降和可用能减少,最佳流速的取值应为对环境散热和热水冷却作用之和最小处。本文通过计算取出效率,得出在流速0.005m/s处取得最大值为25.94%;

  (3)本文通过模拟发现,水流进入水箱时并不是只在入口处进行混合,而是喷出一定距离后在水箱一定水箱高度处发生较大程度混合;

  (4)在选取储热水箱的流速时,应尽量与最佳流速重合,当安装有均流器时,流速取值可适当比最佳流速大。

  本文仍存在以下不足之处:

  (1)在设置边界条件时,不能完全做到与实际情况相同,在实际情况中水箱外包有保温层,而模拟时只能通过设置传热系数和绝缘条件来尽量还原实际情况;

  (2)在设置水箱初始温度中,释能过程的温度初始条件为343.15K,不符合水箱内的实际温度分布;

  (3)由于时长与精度的限制,本文只能模拟有限时间内的水箱温度分布情况。