三水合乙酸钠储热水箱热特性实验研究

周志钢 王 维

（1、上海锦立保鲜科技有限公司，上海201201 2、摩丁热能技术（无锡）有限公司，江苏 无锡214112）

能源问题在现代社会可持续发展中起着至关重要的作用。据经济学家称，能源短缺造成的国民经济损失约为其自身价值的20-60 倍[1]。中国的能源短缺问题严重制约了国民经济的发展，80 年代以后，中国能源总消耗量年增长率为5%左右[2]。近年来，中国的能源短缺严重，石油进口量逐年增加，对进口能源的依赖程度不断提高。2017 年中国原油总消耗量6.1 亿吨，同比增长6.1%，对外依存度上升至67.4%[3]。我国太阳能资源较为丰富，年日照量大于2200 h 的国土面积超过三分之二，年辐射量超过5000 MJ/m2[4]。太阳能因其具有的清洁性、广泛性、易获得性、能量巨大性等特点，越来越成为全球各国研究的焦点。但其也具有间断性和不稳定的特点，对于太阳能热水系统，最为经济的方式是以水作为蓄热介质。蓄热技术能显著提高太阳能热利用效率，而储热水箱作为集热系统的主要组成部件，其蓄、放热特性影响着整体性能。相变材料具有潜热量大，能量密度高，装置简单，体积小，设计灵活，易于管理等特点。通过对相变材料潜热量的利用，可以提高系统的单位体积蓄热量，减小储热体积。李培涛等[5]研究了圆柱形等距螺旋盘管式相变蓄热装置蓄热性能。王剑峰等[6]研究了组合式相变材料蓄热系统中相变温度分布。

1 实验系统

本实验主要模拟太阳能水箱系统，引入一种具有均流作用的新型水箱进口结构，进口结构是改善水箱的热分层效果，添加的相变蓄热材料则可增加储热水箱的储热量。其系统主要由储热水箱、恒温水箱、恒温水槽、循环水泵、变频水泵、流量计、球阀、相变蓄热球及PPR 管连接组成，原理图如图1 所示。

图1 实验原理图

图2 相变材料在水箱内的分布

储热水箱是一个直径357 mm，高600 mm 的不锈钢圆筒，有效容积为60 L，箱四周及进出口位置包裹有厚30 mm、导热系数为0.024 W/（K·m）的保温材料。水箱内部装有1.5 kW 的电加热棒，用以模拟太阳能对水箱的供热。水箱采用下进上出进水方式。水箱内部共布置有16 根铂电阻作为测温传感器，精度为±0.15 ℃，从上至下依次被标记为测温点1-16，间隔距离为40 mm。储热水箱竖直方向上布置有四层焊点用于放置置物架，置物架分别距箱底200 mm、300 mm、400 mm、500 mm。实验时，43 个相变蓄热小球放置于置物架上方，从上到下依次被标记为第一、二、三、四层，如图2 所示。实验采用型号FLR1013-D 型涡街流量计和Agilent 34970 的数据记录仪，用以采集铂电阻的温度信号和流量计的电压信号，扫描时间间隔设定为2s。本文所用的相变蓄热球经差式扫描量热法（DSC）及热常数分析仪测得其物性参数如表1 所示。循环泵采用型号为DESUN DS3502 的无刷直流水泵。供水泵采用型号为DC50E-24150A 的直流变频泵，恒温水箱容积120L。为保证水箱每层尽可能多地放置相变蓄热小球，每层最终均匀放置43 个相变蓄热小球。

当水箱内各层温度为80±0.5 ℃时，即可近似认为储热水箱内温度均匀。从进水瞬间记录各个测点的温度，调节变频水泵并通过流量计来控制进水流量2 L/min 、6L/min、10 L/min。

2 水箱特性计算

2.1 无量纲时间

表1 相变蓄热球物性参数表

为了更方便直观地研究对比不同的流量工况下水箱的分层特性，定义无量纲时间τ 为水箱进水时间t 与当前流量下完全置换整箱水的时间T 的比值，公式如下：

2.2 Richardson 数（理查德森数）

理查德森数（Ri 数）通常被用来比较不同进口流量下，水箱内的热分层情况。它是表示浮升力与混合力的比值的一个无量纲数。其公式如下所示：

2.3 㶲效率

㶲是反应能量的“数量”与能量之间“质”的差别的一个度量，表征实验水箱的㶲 值与完美分层水箱㶲值的偏离度。计算方法如下：

3 实验分析

3.1 温度曲线分析

不含相变蓄热材料的均流水箱在进口流量为2 L/min、6 L/min、10 L/min 的工况下，出口水温度（测点1 温度）及水箱内部从上至下的测点2- 测点15 的温度随无量纲时间的变化趋势可用温度曲线形式表现出来。

当相变蓄热材料处于第四层时，均流水箱在进口流量为2 L/min、6 L/min、10 L/min 的工况下，出口水温度（测点1 温度）及水箱内部从上至下的测点2- 测点15 的温度随无量纲时间而变化，随着进口流量的增大，各个温度层的温度变化拐点并未同普通水箱一样过早出现，表明水箱进口处的均流装置起到了较强的稳流作用，降低了流量增加带来的冷热水之间的掺混效应，斜温层厚度比普通水箱明显减小，分层效果提升。

3.2 Ri 数（理查德森数）分析

进口流量在2 L/min，4 L/min，6 L/min，8 L/min，10 L/min下，五种不同的储热水箱的Ri 数随无量纲时间增加的变化情况，可用温度曲线形式表现出来。

不同进口流量下，不同水箱的Ri 数变化基本一致。随着无量纲时间的增加，不同储热水箱的Ri 数都是增大，表明水箱内热分层程度逐步提升，且随着进口的流量的增大，Ri 数减小，相变材料处于第一层的水箱Ri 数大于处于其他三层的水箱，表明相变材料在第一层时的水箱分层性要高于其他的水箱。此后，随着进口流量的增加，普通均流水箱的分层效果要优于相变水箱，主要是由于释热过程越快，而相变材料的导热系数较小，因此对周围冷流体的温度提升作用有限，储热水箱的出口温度降低，由公式（4）可知，普通均流水箱的Ri 数高于相变均流水箱。

3.3 㶲效率分析

在进口流量为2 L/min、4 L/min、6 L/min、8 L/min、10 L/min 的工况下，普通水箱和相变蓄热材料处于四种不同位置相变水箱的㶲效率随无量纲时间的变化情况,可用温度曲线形式表现出来。

相变蓄热材料在不同位置会影响水箱内的流动和热分层情况，因此我们需要对相变蓄热材料处于不同位置时对水箱㶲效率的影响进行对比分析。五种不同水箱在不同进口流量下的㶲效率变化规律基本一致，释热开始时，所有水箱的㶲效率都为1，随着无量纲时间的增大，火 用效率逐渐减低，且在最初下降得较为缓慢，释热接近结束的时候，开始陡然下降，斜率相对更大，流量越大时，这种现象越明显。这是由于流量更大时，水箱内的掺混较大，分层情况更差，水箱内部冷热水的分布更加偏离于完美分层水箱。可以观察到，进口流量为2 L/min 及4 L/min 时，蓄热材料处于第一层时，其㶲效率在整个释热过程中始终大于其他四种水箱，这主要是由于低流量时，相变蓄热材料有更加长的时间释放出相变潜热，对所在水层起到一定的再热作用，其他层远离出口水，再热作用更加微弱，造成相变材料在第一层的水箱㶲效率更高，而流量大于4 L/min 时，释热过程更短，且相变潜热是一个缓慢释放的过程，相变潜热无法充分释放，导致㶲效率更低。

4 结论

本文基于三水合乙酸钠，研究了不同相变蓄热球位置和进口流量对水箱内各温度点随无量纲时间的变化情况，在初始水温80℃、进水温度20℃的工况下，通过相变蓄热水箱实验系统，分析了蓄热水箱的热分层特性，研究结果表明：

4.1 相变蓄热材料的增加提升了水箱的初始能量，变蓄热材料使得储热水箱的蓄热量增加了3.14%。

4.2 随着进口的流量的增大，Ri 数减小，储热水箱热分层程度减弱；当进口流量为2 L/min 和4 L/min 时，相变材料在第一层时的水箱热分层程度要强于其他的水箱。

4.3 由于相变蓄热材料本身体积占据了水箱内部分容积，高进口流量下，相变潜热释放不完全，所以㶲效率低于不含相变材料的水箱。