一种承压太阳能储热水箱放水特性的试验与数值模拟分析

翟立军， 高文峰， 刘 滔， 林文贤， 刘佰红， 王 辉

(云南师范大学太阳能研究所，教育部可再生能源材料先进技术与制备重点实验室，云南昆明 650500)



一种承压太阳能储热水箱放水特性的试验与数值模拟分析

翟立军， 高文峰*， 刘 滔， 林文贤， 刘佰红， 王 辉

(云南师范大学太阳能研究所，教育部可再生能源材料先进技术与制备重点实验室，云南昆明 650500)

摘要[目的]研究在入口水温不变、3种不同入口流量下的一种承压太阳能储热水箱的放水特征。[方法]采用试验、数值模拟结合的方法，对承压太阳能储热水箱放水特性进行模拟分析。[结果]根据放水曲线特征可将其分为3个阶段：高温稳定阶段、温度快速下降阶段和低温稳定阶段。入口水温一定时，各阶段持续时间均与水箱入口进水速度有关，水箱放热效率随流速增大而降低，数值模拟结果的放水曲线与试验结果基本相同，放热效率也大致相同。[结论]该研究可为太阳能热水器工程及其质量检测标准提供科学的理论指导。

关键词试验测试；数值模拟；放水特征；放热效率

太阳能是一种清洁可再生能源，同其他常规能源相比，其具有以下优点：太阳能无穷无尽、使用方便且成本低廉，其在转换以及使用过程中不会产生污染。太阳能虽受时间、天气、地区差异的影响，但其在地球上分布广泛且取之不尽，故被广泛应用于人们的日常生活中。常见的家用太阳能热水器主要部件是由储热水箱和集热器2个部分组成。太阳能储热水箱的性能决定了其使用寿命的长短，因而对其深入地了解和掌握尤为重要。Colle[1]利用一系列方法对储热水箱保温层的厚度及其所用材料进行测试分析，得出了降低热量损失的方法。Brinkworth[2]及Andres等[3]为研究带有水箱的太阳能集热器热性能不仅对其建立了模型，而且还进行了数值模拟分析。也有其他研究人员利用试验和数值模拟的方法对水箱中温度的分层现象进行了分析[4-5]。国内也有学者对太阳能储热水箱进行了研究，如张森等[6]对太阳储热水箱的散热和保温性能进行研究；林文贤等[7]及李琳[8]对储热水箱的瞬态过程进行了数值模拟分析，林文贤等采用有限体积法对水箱进行数值模拟求解，研究了将热水注入储热水箱后短时间内的瞬态过程，分析了其主要特点；而李琳采用不同进水速度和不同温度研究水箱内部混水特性；二者均视水箱内初始温度场为均匀分布。目前国内关于太阳能水箱的研究还比较少，鉴于此，笔者通过试验对储热水箱的放水特性进行测量，利用FLUENT软件对水箱不同入口速度下的放水特性进行模拟分析，得到储水箱的放水曲线和放热效率，并将模拟结果与试验结果进行对比分析，以期为太阳能热水器工程及质量检测标准提供科学的理论指导。

1材料与方法

1.1试验材料试验选取的储热水箱容量约为150 L，水箱为立式圆柱形水箱，高970 mm，出口与入口直径均为25 mm、底部直径450 mm，其中心位置离水箱顶部和底部均为50 mm，其内胆外层聚氨酯保温层厚度约为45 mm，进口与出口管道均伸入到水箱中心处。储热水箱的内胆截面及三维几何模型如图1所示。所用仪器为TRM-2太阳能测试系统(图2a)和铂电阻温度传感器(图2b)。测试过程中需要记录的数据有环境温度、水箱初始温度、入口温度、出口温度及流速，4个温度均由TRM-2太阳能测试系统和铂电阻温度传感器相连接并自动记录，频率为1次/min。

1.2试验方法将测试装置安装在云南师范大学国家质检中心实验地，水箱垂直放置于测试台。测试前，将水箱内注满(334.5±1)K的热水，并在水箱进水口与出水口布置温度探头。试验中，水箱内水温为334 K，打开阀门并观察测试台，通过手动设为某一固定入口流速，待其值稳定后开始记录进出口水的温度数据，直到出口温度与入口温度一致时，停止试验。入口流速为2 L/min时测试时间约为120 min；入口流速为5 L/min时测试时间约为50 min；入口流速为8 L/min时测试时间约为30 min。在试验中保持入口进水、出口出水，直至试验结束，将测试的数据导出，通过ORIGIN软件绘制放水曲线图。最后根据下列公式计算3种不同流速下的放热效率，并将其结果与数值模拟结果进行对比和分析。

(1)

式中，Q总为水箱内的总热量(J)；V为水箱体积(m3)；ρ为密度(kg/m3)；T1为初始温度(℃);T2为最终温度(℃)；Cp为比容热[J/(kg·℃)]。

(2)

式中，η放为放热效率(%)；Q放为放出水的热量(J)；Q总为水箱内的总热量(J)。

2结果与分析

2.1放水曲线分析图3为水箱内温度为334 K时的3种不同进口流速下的放水曲线，观察其特征可分为3个阶段：①高温稳定阶段。这一阶段，水箱内的水温恒定在334 K，当冷水不断注入水箱底部，由于冷水密度高，将水箱中的高温水不断从出水口顶出，同时，在水箱底部热水出现掺混情况，由于冷水层和掺混层还尚未影响到水箱中的高温水层，因而形成了高温稳定阶段；②温度快速下降阶段。在这一阶段，随着冷、热水不断的掺混，温度过渡层逐渐达到了水箱出水口位置，冷、热水掺混层温差较大，所以放水曲线成快速下降阶段；③低温稳定阶段。这一阶段，过渡层基本全部排出，水箱内几乎充满与入口水温相同的冷水，所以放水曲线处于低温稳定。

注：a.储热水箱内胆截面；b.水箱三维几何模型。Note: a. The heat storage water tank inner section; b. Water tank three dimensional geometric model. 图1　储热水箱模型 Fig.1　Model of heat storage water tank

注：a.TRM-2太阳能测试系统；b.铂电阻温度传感器。Note: a. TRM-2 solar energy testing system; b. Rtd temperature sensor. 图2　试验仪器Fig.2　Test instrument

图3　3种流速下的放水曲线对比Fig.3　Comparison of discharge curves of three inlet velocities

2.2放热效率分析利用公式(1)和(2)得出在一定入口水温下的不同流速所对应的放热效率。结果显示，放热效率随流速的增大而减小，流速为2 L/min时水箱放热效率最高，为95.03%，其次是5 L/min流速的放热效率，为92.68%，效率最差的是8 L/min的高流速，放热效率为91.33%；总体来看，3种流速的放热效率相差较小，其值均大于90.00%。

3数值模拟与试验结果对比分析

利用试验中流速为5 L/min的数据进行模拟分析，描绘水箱放水过程，并对放水曲线、放热效率及温度分层度进行分析。图4为进水时间分别为150、1 000、1 850 s时的水箱放水过程的模拟结果。由图4可知，开始进水阶段，随着冷水不断进入水箱内部，冷水与水箱内的热水混合，温度分层现象慢慢出现；进入第2阶段，随着水箱内冷水越来越多，过渡层形成且不断稳定上升；末尾阶段，冷水不断进入水箱，热水通过出口基本全部排出，过渡层到达水箱顶部位置。

图4　不同时刻温度云图Fig.4　The temperature clouds at different moments

图5为FLUENT数值模拟和试验测试得出的同一入口温度及流速条件下的放水曲线。由图5可知，试验与数值模拟曲线基本一致。高温阶段，放水曲线接近一致，但模拟计算中的放水曲线持续时间较长，因为在FLUENT模拟分析时，水箱壁面设置为绝热的边界条件，即没有热量的损失，所以试验测试的时间没有模拟的时间久。温度迅速下滑阶段曲线也基本一致，仅试验持续的时间稍长一些；低温阶段曲线也基本保持一致。

图5　数值模拟与试验对比Fig.5　The comparation of numerical simulation and experiment

FLUENT数值模拟的放热效率为92.62%，试验中的放热效率为92.68%，可见，模拟的放热效率与试验测试的放热效率基本一致。

4结论

(1)在储热水箱入口水温不变、3种不同的入口流量下，可将放水曲线分为3个阶段，各阶段持续时间均与水箱入口进水速度有关。

(2)在入口水温一定的前提下，储热水箱的放热效率与流速有关，表现为放热效率随着流速的增大而减小。

(3)通过计算机数值模拟，发现模拟的放水曲线与试验的趋势一致，放热效率几乎相同。

参考文献

[1] COLLE S，ABREU S L，GLITZ K，et al. Optimization of the auxiliary heating and water storage insulation of a low cost domestic hot water heating system with an electric shower[C]//Proceedings of ISES 2001 solar world congress.Adelaide,South Australia:International Solar Energy Society,2001.

[2] BRINKWORTH B J. Solar DHW system performance correlation revisited[J].Journal of solar energy engineering，2001，71(4)：377-387.

[3] ANDRES C A,LOPEZ J M. TRNSYS model of a thermosyphon solar domestic water heater with a horizontal store and mantle heat[J]. Journal of solar energy engineering，2002，72(2)：89-98.

[4] KUNDSEN S,FURBO S,SHAH L J. Design of inlet to the mantle in a vertical mantle storage tank Adelaide,South Australia:Internation solar energy society[C]//Proceedings of ISES 2001 solar world congress.Adelaide,South Australia:International Solar Energy Society,2001.

[5] SHAH L J,ANDERSEN E,FURBO S，et al.Entrance effects in solar hot water stores[C]//Proceedings of ISES 2001 solar world congress.Adelaide,South Australia:International Solar Energy Society,2001.

[6] 张森，程伟良，孙东红，等.太阳能供热系统储热水箱散热机理分析研究[J].电网与清洁能源，2010，26(1)：73-76.

[7] 林文贤， ARMFIELD S W，刘滔.用基于非交错网格的有限体积法数值模拟煮热水箱中的瞬态过程[J].新能源，1998，20(5)：1-8.

[8] 李琳.太阳能热水器贮热水箱内混水特性的数值模拟分析[D].昆明：云南师范大学，2008.

[9] 温正，石良臣，任毅如.FLUENT流体计算应用教程[M].北京：清华大学出版社，2009.

基金项目国家自然科学基金(51266016，51469035)。

作者简介翟立军(1988- )，男，山西阳泉人，硕士研究生，研究方向：太阳能热利用及计算流体力学。*通讯作者，副教授，从事太阳能热利用及计算流体力学研究。

收稿日期2016-04-08

中图分类号S 214

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)14-055-03

Experimental and Numerical Analysis on Discharge Characteristics of a Pressurized Solar Heat Storage Water Tank

ZHAI Li-jun, GAO Wen-feng*, LIU Tao et al

(Key Laboratory of Advanced Technique & Preparation for Renewable Energy Materials of the Ministry of Education, Solar Energy Research Institute, Yunnan Normal University, Kunming, Yunnan 650500)

Abstract[Objective] The discharge characteristics of a pressurized solar heat storage water tank under three different inlet velocities were studied. [Method] Using experimental and numerical simulation methods, discharge characteristics of a pressurized solar heat storage water tank were analyzed. [Result] The temperature of the discharged water undergoes three stages: stable high-temperature stage, rapid decrease stage and stable low temperature stage. The time durations of these stages were related with the inlet velocity. Discharge efficiency of the heat storage water tank decreased with the increase of inlet velocity. It was found that the discharge curves and discharge efficiency between numerical simulation and experiment were basically same. [Conclusion] The study can provide scientific theoretical guidance for the project of solar water heaters and quality inspection standards.

Key wordsExperiment test; Numerical simulation; Discharge characteristic; Heat release efficiency