太陽能蓄熱器性能的實驗研究

太陽能蓄熱器性能的實驗研究

0蓄熱裝置設(shè)計隨著農(nóng)村住房秩序的提高，人們對內(nèi)部的舒適度要求有了很大提高，建筑能耗也有所增加。針對常規(guī)能源日益緊張和環(huán)境污染問題,對太陽能空氣采暖建筑一體化關(guān)鍵技術(shù)的研究具有非常深遠(yuǎn)的意義。目前,國內(nèi)外學(xué)者對太陽能空氣集熱器進(jìn)行了較廣泛和深入的研究,不斷從形式、材料和技術(shù)上加以改進(jìn)以提高集熱效率。然而由于太陽能的晝夜間斷性,單純依靠集熱器不僅會造成一部分太陽能被浪費而且存在室內(nèi)晝夜溫差大的問題。因此,可在太陽能系統(tǒng)中設(shè)置蓄熱裝置,將剩余的熱量貯存起來,在無日照或太陽輻射強度不足時向房間提供所需的熱量,實現(xiàn)節(jié)能減排。蓄熱材料按照蓄熱方式的不同一般可分為顯熱型、潛熱型和化學(xué)反應(yīng)型。在選擇蓄熱材料時,需綜合考慮蓄熱能力、成本、占地面積、使用壽命和可靠性等。在《太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》GB50495—2009中規(guī)定,空氣集熱器蓄熱系統(tǒng)應(yīng)選用巖石或相變材料作為蓄熱材料。鑒于目前相變材料存在著成本高、封裝泄漏、長期使用有性能退化等問題,針對村鎮(zhèn)建筑太陽能空氣采暖系統(tǒng),本文選取卵石作為蓄熱材料,對蓄熱器進(jìn)行實驗驗證和模擬研究,為太陽能技術(shù)在村鎮(zhèn)建筑中的應(yīng)用打下必要的技術(shù)基礎(chǔ)。1蓄熱器蓄熱過程蓄熱器尺寸為1.0m×0.2m×1.0m,主要由外殼、支撐網(wǎng)、蓄熱材料、進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口等構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)見圖1。蓄熱器外殼由普通鋼板制成,周圍用橡塑絕熱材料保溫,以減少熱損失。裝置由3層鋼絲網(wǎng)和阻隔柵分成4部分,其中卵石填充了3/10,卵石床的橫截面積為0.03m2,卵石平均粒徑為6cm,空隙率為0.45。蓄熱器的工作原理如圖1所示。當(dāng)蓄熱器蓄熱時,熱空氣從上風(fēng)口進(jìn)入蓄熱器內(nèi)與卵石換熱,后從下風(fēng)口流出;當(dāng)蓄熱器放熱時,冷空氣從下風(fēng)口進(jìn)入蓄熱器與卵石換熱,被加熱的空氣從上風(fēng)口流出。2蓄熱裝置的數(shù)學(xué)模型2.1空氣傳熱微分方程組Schumann最先對填充床蓄熱器的熱性能進(jìn)行研究并總結(jié)出填充床與空氣換熱的微分方程組,由于該模型不適于求解,Huge等利用熱量平衡法和控制容積法,對方程組進(jìn)行離散,且經(jīng)研究表明該離散方程組適用于對以卵石為蓄熱材料的系統(tǒng)。因此本文采用此模型分析蓄熱器的熱性能。2.1.1空氣界面控制方程在保證數(shù)學(xué)模型精度和準(zhǔn)確度的前提下,為方便建模與求解,對蓄熱器內(nèi)部換熱過程做出以下假設(shè):3)物性參數(shù)均為常數(shù)?？刂企w節(jié)點圖如圖2所示,在i控制體內(nèi),卵石的溫度保持一致。由此得到卵石與空氣之間換熱的控制方程組,如式(1)~式(4)。體積換熱系數(shù)hx,v與空氣流量和卵石的粒徑大小有關(guān),本文采用J.P.Coutier等提出的關(guān)系式。2.1.2空氣溫度的求解上述方程組對應(yīng)的邊界條件為:至此,描述蓄熱器內(nèi)部傳熱過程的數(shù)學(xué)模型建立完畢,可利用Matlab程序求解,步驟如下:4)計算k+1時刻,i+1節(jié)點的空氣溫度;5)由此依次推算出各時刻各節(jié)點的空氣溫度和卵石溫度。2.2降壓力降蓄熱器的壓力損失是指空氣穿過卵石床的壓力降。本文選用SabriErgun總結(jié)的壓力降公式作為計算蓄熱器壓力損失的公式,如式(7)。3加熱裝置的實驗驗證3.1實驗與模擬的對比驗證為驗證本文所建立的蓄熱器數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性,需要對蓄熱器進(jìn)行實驗測試,將實驗值與模擬值進(jìn)行對比驗證。根據(jù)測試對象不同,測試可分為環(huán)境氣象參數(shù)測試和蓄熱器性能測試2部分。環(huán)境氣象參數(shù)測試內(nèi)容主要包括:室外溫度、風(fēng)速;蓄熱器測試內(nèi)容主要包括:蓄熱器內(nèi)卵石溫度、空氣進(jìn)出口溫度、空氣穿過蓄熱器的阻力。3.2溫度和壓力測量系統(tǒng)本實驗主要測量風(fēng)速、溫度和壓力3個物理量,采用ZRQF系列智能風(fēng)速計測量風(fēng)速,采用T-型熱電偶與Fluke2686ADataLoggingSystem(DLS)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)相結(jié)合的方法測量溫度,測點布置見圖1。測點2、3、4測量的是卵石的溫度,測點1和5分別測量空氣進(jìn)出口溫度。采用美國生產(chǎn)的AirdataMultimeterADM-860C電子微壓計測量壓力。為更準(zhǔn)確地測量空氣穿過蓄熱器時的阻力,本實驗在蓄熱器上風(fēng)口和下風(fēng)口附近氣流穩(wěn)定處打孔,用黑色膠布和柔軟部件密封孔的周邊,以防漏風(fēng)。3.3結(jié)果3.3.1蓄熱器內(nèi)部溫度與實驗溫度的模擬對比蓄熱裝置放置在天津大學(xué)太雷路西側(cè)平房屋頂上的太陽集熱器附近,該建筑周圍無高大建筑及樹木遮擋。測試日期為2011年2月12日,日照條件良好,風(fēng)速較小,波動不大,符合測試標(biāo)準(zhǔn)。集熱器性能良好,對蓄熱器進(jìn)行蓄熱,蓄熱器風(fēng)量為40m3/h。通過實驗測試出不同時刻下蓄熱器進(jìn)口處空氣溫度如圖3所示,并以此作為邊界條件之一,利用數(shù)學(xué)模型計算出蓄熱器內(nèi)部卵石和空氣的溫度為模擬值。將模擬值與實驗測得各測點的溫度值進(jìn)行比較,結(jié)果如圖4所示。從圖4可看出,隨著時間的變化,蓄熱器內(nèi)部卵石溫度和送風(fēng)溫度逐漸升高,在14∶10,蓄熱器空氣出口溫度的模擬值和實驗值分別達(dá)313.77K和313.50K。本文采用平均偏差來對比蓄熱器內(nèi)部卵石溫度和送風(fēng)溫度的實驗值和模擬值,由式(8)計算得到測點2~測點5的平均偏差分別為0.69、1.50、1.09和0.79K。實驗值與模擬值間存在差距,這是由于理論分析時為簡化數(shù)學(xué)模型對換熱過程進(jìn)行了假設(shè),而實際測試是在動態(tài)的環(huán)境條件下,蓄熱器內(nèi)部狀態(tài)會出現(xiàn)延遲,且阻隔柵材料為鐵絲,導(dǎo)熱系數(shù)大,測量時熱電偶黏貼在阻隔柵上有可能導(dǎo)致卵石實測溫度稍偏低。另外實驗儀器本身和人為讀數(shù)的誤差,也可導(dǎo)致模擬值和實驗值不同。但總體來看,該數(shù)學(xué)模型能夠反映蓄熱器內(nèi)各測點溫度的變化趨勢,可用來預(yù)測蓄熱器的實際使用狀況,作為理論研究的基礎(chǔ)。3.3.2壓力損失仿真結(jié)果改變蓄熱器單位橫截面積的風(fēng)速,使風(fēng)速從0.22m/s提高到0.51m/s,實驗及模擬得到的壓力損失值如圖5所示。從圖5可看出,隨著單位橫截面積風(fēng)速的增大,空氣穿過蓄熱器時的壓力損失迅速增加,在斷面流速達(dá)到0.51m/s時,壓力損失的模擬值和實驗值分別為112.2Pa和126.0Pa,這是由于壓力損失與空氣流量之間呈兩次方的關(guān)系。計算得到壓力損失的實驗值和模擬值之間的平均偏差為7.1Pa。因此,該模型準(zhǔn)確可靠,可作為理論研究的基礎(chǔ)。4儲熱裝置的模擬分析4.1《漢字》《法國民法典》《法國民法典》所示蓄熱器的蓄熱量可以通過穿過卵石床的空氣進(jìn)出口狀態(tài)變化計算得到,如式(9)所示。平均蓄熱功率φx,即太陽能蓄熱器單位時間內(nèi)的蓄熱量為:考慮到空氣穿過蓄熱器的壓力損失對運行費用的影響,本文采用平均蓄熱功率和壓力損失作為評價指標(biāo),對斷面流速、卵石的粒徑和卵石床長度對蓄熱器性能的影響進(jìn)行模擬分析。4.2參數(shù)變化對蓄熱器性能的影響在模擬過程中,保持其他參數(shù)不變的情況下改變其中一個參數(shù),分析該參數(shù)對蓄熱器性能的影響。其中,初始時刻卵石內(nèi)部溫度為296.0K,空氣進(jìn)口溫度維持在303.0K。4.2.1斷面流速對平均蓄熱功率和壓力損失的影響控制斷面流速從0.07m/s變化到0.52m/s,即體積流量從90.7m3/h變化到673.9m3/h。其他參數(shù)如下:卵石粒徑為0.06m,卵石床長度為3m,卵石堆積密度為1600kg/m3,卵石比熱容為879J/(kg·K),卵石床橫截面積為0.36m2,空隙率為0.45。經(jīng)模擬得到斷面流速對平均蓄熱功率和壓力損失的影響如圖6所示。隨著斷面流速的增大,空氣與卵石之間的換熱系數(shù)增大,摩擦增強,平均蓄熱功率由216.90W增大到1120.10W,壓力損失由3.65Pa增大到175.42Pa。由于蓄熱器容量一定,在斷面流速增大到一定程度時,對平均蓄熱功率的影響會逐漸減弱并趨于平衡。4.2.2空氣與結(jié)構(gòu)最佳劑量的確定設(shè)定斷面流速為0.309m/s,即體積流量為400m3/h,空隙率分別為0.40、0.45和0.50,其他參數(shù)同4.2.1節(jié)。得到卵石粒徑從0.04m變化到0.14m時,對平均蓄熱功率和壓力損失的影響,見圖7。隨著卵石粒徑的增大,空氣與卵石之間的換熱系數(shù)變小,平均蓄熱功率有所降低。對于空隙率為0.40的卵石床,平均蓄熱功率由936.44W降低到911.00W。同時,空氣穿過卵石床所受的阻力減小,壓力損失也隨之降低,對于空隙率為0.40的卵石床,壓力損失由149.8Pa降低到40.9Pa。當(dāng)粒徑大于0.06m時,壓力損失隨粒徑變化的趨勢漸弱。另外,空隙率對平均蓄熱功率和壓力損失也存在影響,因為卵石粒徑與空隙率之間存在一定關(guān)系,粒徑越大,空隙率越大。考慮到阻力損失帶來的運行費用問題,建議卵石粒徑取0.06~0.10m。4.2.3空氣和實施壓力損失的對比卵石床長度從0.5m變化到4.5m時,對平均蓄熱功率和壓力損失的影響如圖8所示。隨著卵石床長度的增大,空氣穿過卵石床的時間變長,換熱效果增強,平均蓄熱功率增大,由219.8W增大到955.1W。但當(dāng)卵石床長度大于3.0m時,卵石與空氣之間的換熱逐漸趨于平衡狀態(tài),平均蓄熱功率不再增長。而壓力損失隨著卵石床長度的增大成比例增大,從壓力損失的計算公式中也可反映出來。因此,卵石床長度應(yīng)根據(jù)斷面流速合理確定。5對蓄熱器性能的影響本文對村鎮(zhèn)太陽能空氣采暖系統(tǒng)的蓄熱器進(jìn)行研究。選取卵石作為蓄熱材料,以熱平衡法為基礎(chǔ),對蓄熱器建立蓄熱器數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行實驗驗證和模擬研究,得到以下結(jié)論:1)通過實驗測量蓄熱器內(nèi)部卵石溫度、空氣溫度以及空氣穿過蓄熱器的壓力損失,對比模擬值和實驗值,兩者的平均偏差不大,結(jié)果吻合較好。2)以平均蓄熱功率和壓力損失作為評價指標(biāo),對斷面流速、卵石的粒徑和卵石床長度對蓄熱器性能的影響進(jìn)行模擬分析。研究結(jié)果表明,卵石床的蓄熱性能良好,在文中參數(shù)