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1、2008年第12期节能(总第317期)ENERGYCONSERVATION—15—蓄热水箱温度分层模型与分析罗艳,汤金华(中国瑞林工程技术有限公司,江西南昌330002)摘要:利用多节点模型描述蓄热水箱温度分层,将这种模型应用到太阳能生活供热系统中,研究温度分层对太阳能供热系统性能的影响。研究表明:水箱温度分层显著提高集热器效率,对平板集热器的影响大于真空管集热器。用水模式、供水温度、供回水温差,对水箱温度分层都有影响。关键词:蓄热水箱;多节点模型;温度分层中图分类号:TK513.5文献标识码:A文章编号:1004-7948(2008)12-0015-04引言进入水箱;当Tc,o
2、介于Ts,1、Ts,2之间时,热水从第在太阳能利用系统中设置蓄热装置是解决间歇二节点进入;当Tc,o介于Ts,2、Ts,3之间时,热水从性和不可靠性问题的最有效太阳能利用方法之一。第三节点进入;Tc,o≤Ts,3时,系统停止运行。自来目前普遍采用蓄热水箱作为蓄热装置。由于不同温水上水温度为TL,r,自来水上水进口位置的控制方度水的密度不同,因此蓄热水箱会实现不同程度的法,与此相似。温度分层,保持蓄热水箱的良好分层能提高太阳能的保证率。蓄热水箱的温度分层与水箱的结构、水温、进出水流的温度和流量等多种因素相关,要对其进行准确地描述和预测十分困难,目前主要有两种方法描述蓄热水箱的温度分
3、层:多节点模型(multinode)和插栓流(plugflow)模型。本文主要介绍多节点模型,然后将这种模型应用到太阳能生产和生活热水供应系统中,利用全年逐时模拟分析,研究温度分层对太阳能供热系统性能的影响。1水箱温度分层多节点模型图1三节点分层蓄热水箱示意图多节点模型的基本思想是,将水箱沿竖直方向上述热水与自来水进口位置控制功能可用数学分成多个层,每个层即为一个节点,每个节点内完全方法描述如下:混合,有一个温度,不同的节点温度可不同。对于太c(1)定义函数Fi,i表示节点序号,用来描述水阳能集热系统来说,由于希望集热器进水温度尽可箱的哪层接受集热器的出水。能低,因此集热器回水进
4、口总是位于最下端,而取用1,i=1≥Tco,Ts,i的热水一般希望它的温度尽可能高,因此供应热水c1,Ts,i-1≥Tco>Ts,i的出口位于最上端;集热器出水和自来水(或者回Fi=0,i=0或者i=N+1水)入口设置专门的进出口装置,使之能自动寻找最0,其他佳的温度层进入水箱。对于多入口水箱的多节点模L(2)定义函数Fi,用来描述水箱的哪层接受自型,描述的是温度分层较理想的状态,而实际的分层来水上水。效果一般达不到这个程度。下面以三节点的水箱为1,i=N,TL,rTs,i蓄热水箱内3个节点温度从上到下分别为
5、FiL=0,i=0或者i=N+1Ts,1、Ts,2和Ts,3,且Ts,1>Ts,2>Ts,3。集热器的0,其他出水温度为Tc,o,当Tc,o>Ts,1时,热水从第一节点节能2008年第12期—16—ENERGYCONSERVATION(总第317期)由于水的流动(进水、出水),质量流量为m,节式中:Cc—集热器的热容量;Ac—集热器采光面积;点与节点之间也必然存在着相互混合,混合程度与集Itθ—集热器接受到的太阳能辐射照度;τα—盖热器流量、负荷流量以及控制函数瞬时值的大小有板系统对于直射或漫射辐射的透过率与吸收关。节点间混合后节点i的质量平衡方程表达式:率的乘积;UL—集热器热
6、损失系数;G—集热mm,1=0介质流量;Cp—介质定压比热;tp,ta—吸热板i-1NcL和环境温度;tf,o,tf,i—集热器出、入口介质温mm,i=mc∑Fj-mL∑Fjj=1j=i+1度。mm,N+1=0等式左边为单位时间内集热器贮存的热量,右节点i的能量平衡方程表达式:边第一项为单位时间内吸热板受到的太阳辐射量,dTs,iUAc第二项为单位时间内集热器的热损失,第三项为单mi=(Ta-Ts,i)+Fimc(Tc,o-dtCPi位时间内集热器的有用输出能量。LTs,i)+FimL(TL,r-Ts,i)+被吸收的能量为通过顶部、底部及边缘的损失mm,i(Ts,i-1-Ts,i
7、),mm,i>0和有用的能量受益之和。通过集热器底部的能量损mm,i+1(Ts,i-Ts,i+1),mm,i+1<0失是由热流通过隔热材料以及对环境的对流和辐射节点越多,表示分层效果越好,就越能表达一个产生的。通常可假定集热器底部对环境的对流和辐分层较好的系统。射热量为零,热损失全部是由于隔热材料导热引起2多节点模型的模拟分析的,因此,背部的热损失系数Ub近似为:本文采用多节点温度分层水箱模型模拟的对象1λUb==为一太阳能生活热水供应系统,其原理如图2所示。R1L该系统包括集热
