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1、年第卷第期 自然分层水蓄冷技术 华东工业大学能源工程研究所殷亮 刘道平 提要简述了目前常用的种 水蓄冷罐型式及其蓄冷方法 着重论述了自然 分层方式下散流器和蓄水罐的设计 关键词水蓄冷散流器蓄水罐设计 已丫丫厂门左口 口沂 刁 乙乙 了口口印门 七 阳 火 水蓄冷的方法尸 一一斗认丽而丽丽砰 一 水蓄 冷 是 利 用 水 的 显 热 实 现 冷 量 的储 存 因此 一个设计合理的蓄冷系统应 通 过 维持尽 可能大的蓄水温差并防止冷水与热水 的混合来获得最大 的蓄冷效率 在水蓄冷技 术 中 关键问题是蓄冷罐的结 构形式应 能 防 止所蓄冷水 与回流热水的混合 为实现这一 目的 目前常用 的有以下几
2、种方法 多蓄水 罐方 法 将冷水和热水分 别储 存在不同的罐中 以保证 送 至 负荷侧 的 冷 水 温度维持不 变 多个蓄水 罐有不同的连接方 式 一种是空罐方式 如 图圈 它保持蓄水 罐系统中总有一个罐在蓄冷或放冷循环开始 时是 空 的 随着蓄冷或放冷的进行 各罐依次 倒空 另一种连接方式是将多个罐串联连接 或将一个 蓄 水罐分隔成 几个相 互 连 通的分 格 如图 图中仅示 出蓄 冷时 的 水 流 方 向 蓄冷 时 冷水 从第一个 蓄 水罐的底部人 口进入罐 中 顶部溢 流 的热水送 至第二 个罐 的底部人口 依此类推 最终 所有 的罐中均为 冷水 放冷时 水流动方 向相 反 冷水由第一
3、个罐的底部流 出 回流热水从 最 后 一个 罐的 顶部送 人民 由于在所有的罐 中均 为热水 在上 冷水在 下 利用水温不同产生 的密度差 门门 乡乡一 毕浦 曰曰曰曰 卜 一一二 口口口 引引 氛氛氛氛氛氛氛氛氛氛氛氛 厅厅厅厅厅厅一 杆 二 二孙 朴 朴沈沈沈 况况况况 一一 一一 一牙 牙 一 牙牙 图多蓄水罐方法原理图 就可防止冷热水混合 多罐系统在运行时其 个别蓄水罐可以从系统 中分离 出来进行检修 维护 但系统的管路和控制较复杂 初投资和 运行维护费用较高 迷宫法 采用 隔板把大蓄水槽分成很 多个单元格 水流按 照设计的路线依次流过 每个单元格 图所示为迷宫式蓄水罐 上海市军工路号
4、号信箱 暖通空调 设计参考 别 图迷宫式 蓄冷罐中水流路线 图 中水流的路线 迷 宫法 能 较 好地 防止冷热水 图所示为蓄冷罐和斜温层 内温度 变化 简图 斜温层是冷水与热水之 间的温度过渡 层 明确而稳定的斜温层能 防止冷水与热水 的混合 但斜 温 层 的存在降低了蓄冷 效率 蓄冷系统能否在高效率下保持正常而稳定的 工作主要取决于顶部和底部散流器的设计和 蓄水罐的设计散流器用于均布进人罐中的 混合 但 在 蓄 冷和放 冷 过 程中 水交替地从顶部和 底部进 口进人单元 格 每 两个相邻的单儿格中就有 一个是热水从底部进口进 人或 冷水从顶部进日进 人 这样 易因浮力 造 成混 合 另外 水
5、的流速过高 会导致扰动及冷热 水的混 合流速过 低 会在单 元 格 中形成死区 降低 蓄冷 系 统的容量 热热 一一 蓄蓄水罐罐 气气尺 弋一 产 丁 冷 冷 默黔黔万 蓄水罐至负荷 充 夕 卜 生童旦坚勤鳄兰 里二川 蓄水量百分比 自然分层 法 利用水在不同温度下密 度不同而实现 自然分层 系统组 成是在常规 的制冷系统 中加入蓄 水罐 如 图所示 在 蓄冷循环时 制冷设备送来的冷水 由底部散 流器进人蓄水罐 热水 则从顶部排 出 罐中水 量保持不变 在放 冷循 环 中 水流 动方向相 反 冷水由底部送 至负荷侧 回流热水从顶 部 散流器进人蓄水罐 图是蓄冷 特 性 曲线 图 纵坐标为温 度
6、 横坐标 为蓄水 量 的 一百分 比 分别为放 冷 循 环 时蓄水罐的回水 和出水特性曲线 召 月分别为蓄 冷循 环 时制 冷机的回水和出水特性曲线 一般 用蓄冷效 率来描述蓄水罐的蓄冷效果 蓄冷效率的定 义是蓄冷罐实际放冷量与蓄冷罐理 论可用蓄 冷量之比 即 蓄冷效率曲线与之间的面积 曲线与之间的面积 一般来说 自然分层方法是最 简单 有效 和经济的 如果设计合理 蓄冷效率可以达到 一 图自然分层水箫冷系统原理图 水流 减少扰动和对斜温层 的破环 隔板 法 在蓄水罐内部 安装 一个活动 青 锰赢 三 匕 一 巨竺 卜 一 星 星 二 二 婴笔 缨翌 一蔚 温 层 一 奋 图自然分层蓄冷罐温度
7、分布 的柔性隔膜 或一个可移动 的 刚性 隔板 来实 现冷热水的分离 通 常 隔 膜或隔 板 为水平布 置 这样的蓄 水罐可以不 用散 流 器 但隔 膜 或隔板 的初投资和运行维护费用与散流器相 比并不占优势川 散流器的设计 自然分层的蓄水罐需要用散 流器将 水平 稳地引人罐中 依 靠密 度差 而不是惯性力产 生一个沿罐 底或罐顶水 平分 布的 重力 流 形 成一个使冷热水混 合作用尽量 小 的斜温层 在 一 范围 内 水的密度差 不大 形成的 犯 设计参考年第卷第期 斜温层不太稳定 因此要求通 过散流 器 的进 出口水流流速足够小 以免造成对斜温 层 的 扰动破坏 这就需 要 确 定恰 当的
8、数和 散 流器进口高度 确定合理的 数来避免斜 温层 品质的下降 数是 表示作用 在流体上 的 惯 性力与 浮升力之比的无因次准则数 等人 也证 实毛时 浮 升 力 大于惯 性 力 可 很好地 形成重力流时 也能形 成 重 力 流但 时 混合 作用就已经 很 明显 了 并且 斤数的微小 增 加 就 会 造成混合 作用 的 显著 增加 斤数的定义由下式给出 仅示 出下部散流器管 尹 气 进口高度 罐壁 图散流器管开口示意图 种 八边式适 用于圆柱体蓄水罐 式适用 丫嘿 亨 龟 矛 一 扣 甩 式 中为最大进 口流 量 耐 为散流 器 有效长度 为重力 加速度 矿 为最 小进口高度 尸 为进 口水
9、密度 的 凡 为罐 内水密度 刀 对于确定 的流量和散流器 长度 通 过 数可以确定所 需 要 的进 口高度 进口高度 的定义参见图及 图 进口高度 的选择必须 保证数不大于 和通过试验证明较低的 进口 数有利于减 小斜温 层 进 口侧的混合 作用 进 口 数在 一 时能取得理想 的分层效果川 数的定义由下式给出 式 中为散流 器单 位长度上 的 流 量 时 为进 口水 的运 动粘度 时 对于确定 的流 量 可以通过调 整散流器 的有效长度得到所需 的尺数 在设计中要 注意散流 器 的 开口方向 尽 量减少 进水对 罐中水的扰动 通常顶部散 流器 的开口方 向朝 上 避免有直接 向下冲击 斜温
10、层 的动量底部散流器的开 口方向朝下 避免有直接 向上 的动量 散流器管的开口一 般为 一 参见 图 常用散流 器 的型式有 八边式 式 径 向 盘式和连续 槽 式 等 图和图为其中 两 一 沪 一 图八边式散流器 一一 一一一一一 二 曰 图式散流器 于 立方 体或长方 体 蓄水罐 在应 用 中 也可 以根 据 具体的 情况 采用其 他形 状 的 散流器来满 足实 际 要求 例 如 广东新 北 江制药 厂 的制 冷系统 中 蓄水 罐所 用 的外 壁 全 周配水装 置 配水 口设置 在蓄 水罐的外 壁 配水流 道 采 用近外 壳状 的变 截面流 道 结构 人 口水 斤 数 为 蓄 水 分层 稳
11、定可靠川 自然分层蓄水罐的设计 蓄水罐设计考虑的因素有形状 安装位 置 材 料和结构等 形状 最适合自然分层 的蓄水罐的形状为直立 的平底圆柱体 与立方体或长方体蓄水罐相 比 圆柱体在同样的容量下 面积容量比小 蓄冷罐的面积容量比越小 热损失就越小 单 位冷量 的基建投资就越低 其他形状的蓄冷 罐也可以用于自然分层 但必 须采取措施 防 暖通空调设计参考 另 止由罐壁的斜坡或曲面所带来的进口水流 的 垂直运动 球 状蓄 水罐的面积容量比最 小 但分层效果不佳 实际应 用 较少 立方体和 长方体的蓄水罐可以与建筑物一体化 虽 然 热损失较大 但可以节省一个单独 的蓄水罐 从而节省基建投资 蓄水罐
12、的高度直径比是设计时需要考虑 的一个形状 参 数 一 般 通 过 技术经 济比较来 确定 斜温层的厚 度 与蓄 水罐的尺寸无关 提高高度直径比降低了斜温层在蓄水罐中所 占的份额 有利于提高蓄冷的效率 但在容量 相同的情况下增加了蓄水罐的投资 提高高 度直径 比限制了散 流 器的长度 给 散流器的 设计带来一定 的难度 安装位置 由于水蓄冷 采 用的是显热储存 蓄 水罐 的体积较用于相 变储 存的罐要大 得 多 因此 安装位置是蓄水罐设计时所考 虑 的 重 要因 素 如空间有 限 可在 地下或半地下布置蓄 水罐 对于新的项目 蓄 水罐与建筑物 的一 体化能降低投资 这比单独新 建一个蓄 水罐 要
13、合算 材料和结构 常用的蓄水罐为焊接 钢罐 装 配 式 预 应 力水泥罐和现场浇筑水 泥罐 钢罐良好的导 热性能会影 响蓄冷效率 对于体积较小 的蓄 水罐这种影响较 明显 水泥罐的绝热性能较 好 地下布置时热损失不 会很大 但水泥罐的 绝热性能同时会造成斜温层品质 的下降 选 择蓄水罐材料需要考虑 的 因素有 初投资 泄 漏的可能性 地下布 置 的可能 性和现场 的特 定条件 应用实例 文献 和仁介绍了一个在原有制冷系 统上增加 自然分 层蓄冷罐的改 造 项 目 它位 于美国得克萨斯一家光 电子制造 厂 年 月蓄冷系统开始运行 蓄水罐为圆柱形 预 应力水泥罐 体积 耐 地 下布置 其蓄 冷容量
14、为 叫 罐内采 用八边散流器 如图所示 散 流 器管开口 角度 冷水温度 冷热水温 差为 蓄冷效率达到 图是 整 个 系统的 连接 图 新系统 利用了原有的台制冷机 其 图制冷系统的连接图 中两台 两 台 系统投人运行后 与改造前相比第 一年降低制冷用 电量 为 第二年 降低了 整 个蓄冷改造项目 的总投资包括 设计 安装 调试 水处 理等在 内共万美元 除去当地 电力 公司给予 该 项目的补贴万美元 净投资为 万美元 投运后能源 费用第一年节约 万美元 第二年节 约巧 万美 元预计不 超过就可以收回净投资 参考文献 灭 日 邵 即 渝 一 尔 邓 溯 坟刃 杨伟成 空调工 程 的蓄冷水池技术应 用 暖 通空 调 徐威外壁 全周配水自然分层蓄冷调荷装置 的研 究制冷 一 铝 屯入 一 伪 邓 习之 八汪 一 山 一 罗 一
