1 前言
工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程排出的余熱一般波動(dòng)很大，而且與用熱負(fù)荷的波動(dòng)并不同步，所以實(shí)現(xiàn)工業(yè)余熱的回收利用時(shí)，通過(guò)蓄熱以平衡波動(dòng)是經(jīng)常遇到的工作。在能源應(yīng)用工作者的努力下已產(chǎn)生了很多蓄熱方法；但在選用時(shí)由于具體條件的要求和限制，常需進(jìn)行原型的改善以獲得可靠和經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)。筆者在完成某工廠的工業(yè)余熱利用項(xiàng)目中選用了以水作為蓄熱工質(zhì)的自然分導(dǎo)冷熱水置換式蓄熱器，經(jīng)過(guò)研究改進(jìn)其構(gòu)造獲得了一些經(jīng)驗(yàn)。
本蓄熱裝置的任務(wù)是在余熱高峰時(shí)蓄存來(lái)自余熱回收系統(tǒng)的95℃熱水，在余熱產(chǎn)量少于用熱需求時(shí)將所存熱水取出以填補(bǔ)差額。供暖季的用熱負(fù)荷是房屋供暖，非供暖季是吸收式制冷所需熱源。設(shè)計(jì)的回水溫度是85℃。
2 自然分層冷熱水置換式蓄熱器
自然分層熱貯存箱是一個(gè)內(nèi)部沒(méi)有分隔物的單個(gè)箱體。它依靠密度差而不是分隔物來(lái)維持貯箱上部熱液體與下部冷液體之間的分隔。箱上只有一個(gè)入口和一個(gè)出口，如圖1所示。蓄熱時(shí)來(lái)自余熱回收裝置的熱水由上部進(jìn)入，箱內(nèi)原有冷水由下部排出，回到余熱回收裝置。放熱時(shí)，來(lái)自余熱利用裝置的冷水由下部進(jìn)入，箱內(nèi)原蓄存的熱水由上部排出，送至余熱利用設(shè)備使用。無(wú)論箱內(nèi)液體流動(dòng)方向是自上而下還是自下而上的，均近似呈活塞狀流動(dòng)。箱內(nèi)容積交替地全部貯存熱水或全部貯存冷水；也可以同時(shí)貯存一部分熱水和一部分冷水。箱內(nèi)永遠(yuǎn)充滿水，容積得到充分利用。
圖1 蓄熱與放熱
這種蓄熱器構(gòu)造簡(jiǎn)單，制造和運(yùn)行的技術(shù)容易掌握，所以技術(shù)可靠性易于保證。不過(guò)，它是以液體作顯熱貯存介質(zhì)的蓄熱器，其蓄熱量與其容積和蓄熱介質(zhì)的進(jìn)出口溫度差成正比。在自然分層條件下，冷熱水的混摻必然要發(fā)生，以致進(jìn)出口溫差減小。這種混摻在冷熱水置換時(shí)尤其嚴(yán)重，因而就會(huì)降低蓄熱效率使蓄存一定熱量所需容積增大。并且，因取用時(shí)的熱水溫度降低而且不穩(wěn)定，還需要采取輔助措施以滿足用熱設(shè)備對(duì)熱水溫度的要求。總之，混摻現(xiàn)象的輕重地影響余熱利用的投資，并在需要過(guò)多增大貯存容積時(shí)會(huì)因場(chǎng)地限制百不能實(shí)施。為了保留自然分層冷熱水置換式蓄熱器在技術(shù)可靠性上易于保證優(yōu)點(diǎn)，并減少其混摻現(xiàn)象的不利影響，筆者對(duì)它的構(gòu)造細(xì)部進(jìn)行了改進(jìn)并取得了成功。
3 減小冷熱水混摻的設(shè)計(jì)措施
首先，在箱的頂部和底部設(shè)置了擴(kuò)散器。擴(kuò)散器的主要作用是減少蓄熱介質(zhì)在進(jìn)入和排出箱體時(shí)引起的混摻。應(yīng)盡可能使水流在箱體的整個(gè)橫斷面上均勻分布，減小紊流區(qū)厚度及主體段水流紊動(dòng)。本文所述擴(kuò)散器采用的是多孔板結(jié)構(gòu)，水從眾多小孔中噴出，流速分布均勻。
為盡量減小箱體兩端紊流容積占總?cè)莘e的比例，提高容積利用率，增大高徑比是有利的。由于場(chǎng)條件限制，實(shí)際蓄熱器外形尺寸為直徑3.5m、高8m。又因余熱回收系統(tǒng)特殊要求占用了一部分箱體容積，凈蓄水容積不足70m3。高徑比大于2。
在相同的供回水溫差下，如果蓄熱過(guò)程中介質(zhì)流量偏小，在短暫的廢熱高峰期，來(lái)不及進(jìn)入蓄熱器的熱量只能被排放掉。即使蓄熱器作得再大也無(wú)濟(jì)于事。所以增大介質(zhì)流量有利于提高廢熱高峰時(shí)的蓄熱能力，減少排放掉的熱量，從而提高余熱回收率。但在蓄熱器箱體直徑一定的情況下，增大流量勢(shì)必增加兩端擴(kuò)散器及箱體橫斷面上的流速，導(dǎo)致紊流區(qū)加在和流體混摻加劇降低蓄熱效率。本蓄熱器介質(zhì)流量設(shè)計(jì)為40t/h，箱體橫斷面平均流速為1.3×10-3m/s。
4 蓄熱器的運(yùn)行曲線與效率
4．1 蓄熱曲線 圖2為根據(jù)1992年10月8日每50秒間隔微機(jī)采集記錄的數(shù)據(jù)繪制的蓄熱器詢問(wèn)和頂部水溫變化曲線。從第0.1至0.8時(shí)共1.7個(gè)小時(shí)是一個(gè)蓄熱過(guò)程，在充入溫度為t5熱水的整個(gè)過(guò)程中，底部冷水溫度t6升高緩慢，只到蓄熱過(guò)程即將結(jié)束時(shí)才明顯地突然升高。這清楚地說(shuō)明本蓄熱器蓄熱過(guò)程中的水流達(dá)到了自上而下地挖活塞狀流動(dòng)，混摻程度很小。
圖2 蓄熱溫度曲線
4．2 蓄熱效率 蓄熱效率定義為實(shí)際充熱量與理論充熱量之比[2]。蓄熱器的實(shí)際充熱量按下式計(jì)算：
（1）
式中，Cc--蓄熱器的充熱容量；
Wc--充熱時(shí)蓄熱介質(zhì)的流量；
Ctf--流體的比熱；
Τc--流熱時(shí) 間；
Tin，tout--流體進(jìn)出口溫度，此處分別等于t5和t6。
蓄熱器的理論充熱量為： （2）
式中 Cc*--蓄熱器的理論充熱量；
Tin*--進(jìn)入流體的平均溫度；
tout*--蓄熱開(kāi)始前蓄熱器內(nèi)水的平均溫度。
蓄熱效率ηc為：
（3）
根據(jù)圖2所示運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，按以上公式計(jì)算得到Cc=2984MJ，ηc =88%。
工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程排出的余熱一般波動(dòng)很大，而且與用熱負(fù)荷的波動(dòng)并不同步，所以實(shí)現(xiàn)工業(yè)余熱的回收利用時(shí)，通過(guò)蓄熱以平衡波動(dòng)是經(jīng)常遇到的工作。在能源應(yīng)用工作者的努力下已產(chǎn)生了很多蓄熱方法；但在選用時(shí)由于具體條件的要求和限制，常需進(jìn)行原型的改善以獲得可靠和經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)。筆者在完成某工廠的工業(yè)余熱利用項(xiàng)目中選用了以水作為蓄熱工質(zhì)的自然分導(dǎo)冷熱水置換式蓄熱器，經(jīng)過(guò)研究改進(jìn)其構(gòu)造獲得了一些經(jīng)驗(yàn)。
本蓄熱裝置的任務(wù)是在余熱高峰時(shí)蓄存來(lái)自余熱回收系統(tǒng)的95℃熱水，在余熱產(chǎn)量少于用熱需求時(shí)將所存熱水取出以填補(bǔ)差額。供暖季的用熱負(fù)荷是房屋供暖，非供暖季是吸收式制冷所需熱源。設(shè)計(jì)的回水溫度是85℃。
2 自然分層冷熱水置換式蓄熱器
自然分層熱貯存箱是一個(gè)內(nèi)部沒(méi)有分隔物的單個(gè)箱體。它依靠密度差而不是分隔物來(lái)維持貯箱上部熱液體與下部冷液體之間的分隔。箱上只有一個(gè)入口和一個(gè)出口，如圖1所示。蓄熱時(shí)來(lái)自余熱回收裝置的熱水由上部進(jìn)入，箱內(nèi)原有冷水由下部排出，回到余熱回收裝置。放熱時(shí)，來(lái)自余熱利用裝置的冷水由下部進(jìn)入，箱內(nèi)原蓄存的熱水由上部排出，送至余熱利用設(shè)備使用。無(wú)論箱內(nèi)液體流動(dòng)方向是自上而下還是自下而上的，均近似呈活塞狀流動(dòng)。箱內(nèi)容積交替地全部貯存熱水或全部貯存冷水；也可以同時(shí)貯存一部分熱水和一部分冷水。箱內(nèi)永遠(yuǎn)充滿水，容積得到充分利用。
圖1 蓄熱與放熱
這種蓄熱器構(gòu)造簡(jiǎn)單，制造和運(yùn)行的技術(shù)容易掌握，所以技術(shù)可靠性易于保證。不過(guò)，它是以液體作顯熱貯存介質(zhì)的蓄熱器，其蓄熱量與其容積和蓄熱介質(zhì)的進(jìn)出口溫度差成正比。在自然分層條件下，冷熱水的混摻必然要發(fā)生，以致進(jìn)出口溫差減小。這種混摻在冷熱水置換時(shí)尤其嚴(yán)重，因而就會(huì)降低蓄熱效率使蓄存一定熱量所需容積增大。并且，因取用時(shí)的熱水溫度降低而且不穩(wěn)定，還需要采取輔助措施以滿足用熱設(shè)備對(duì)熱水溫度的要求。總之，混摻現(xiàn)象的輕重地影響余熱利用的投資，并在需要過(guò)多增大貯存容積時(shí)會(huì)因場(chǎng)地限制百不能實(shí)施。為了保留自然分層冷熱水置換式蓄熱器在技術(shù)可靠性上易于保證優(yōu)點(diǎn)，并減少其混摻現(xiàn)象的不利影響，筆者對(duì)它的構(gòu)造細(xì)部進(jìn)行了改進(jìn)并取得了成功。
3 減小冷熱水混摻的設(shè)計(jì)措施
首先，在箱的頂部和底部設(shè)置了擴(kuò)散器。擴(kuò)散器的主要作用是減少蓄熱介質(zhì)在進(jìn)入和排出箱體時(shí)引起的混摻。應(yīng)盡可能使水流在箱體的整個(gè)橫斷面上均勻分布，減小紊流區(qū)厚度及主體段水流紊動(dòng)。本文所述擴(kuò)散器采用的是多孔板結(jié)構(gòu)，水從眾多小孔中噴出，流速分布均勻。
為盡量減小箱體兩端紊流容積占總?cè)莘e的比例，提高容積利用率，增大高徑比是有利的。由于場(chǎng)條件限制，實(shí)際蓄熱器外形尺寸為直徑3.5m、高8m。又因余熱回收系統(tǒng)特殊要求占用了一部分箱體容積，凈蓄水容積不足70m3。高徑比大于2。
在相同的供回水溫差下，如果蓄熱過(guò)程中介質(zhì)流量偏小，在短暫的廢熱高峰期，來(lái)不及進(jìn)入蓄熱器的熱量只能被排放掉。即使蓄熱器作得再大也無(wú)濟(jì)于事。所以增大介質(zhì)流量有利于提高廢熱高峰時(shí)的蓄熱能力，減少排放掉的熱量，從而提高余熱回收率。但在蓄熱器箱體直徑一定的情況下，增大流量勢(shì)必增加兩端擴(kuò)散器及箱體橫斷面上的流速，導(dǎo)致紊流區(qū)加在和流體混摻加劇降低蓄熱效率。本蓄熱器介質(zhì)流量設(shè)計(jì)為40t/h，箱體橫斷面平均流速為1.3×10-3m/s。
4 蓄熱器的運(yùn)行曲線與效率
4．1 蓄熱曲線 圖2為根據(jù)1992年10月8日每50秒間隔微機(jī)采集記錄的數(shù)據(jù)繪制的蓄熱器詢問(wèn)和頂部水溫變化曲線。從第0.1至0.8時(shí)共1.7個(gè)小時(shí)是一個(gè)蓄熱過(guò)程，在充入溫度為t5熱水的整個(gè)過(guò)程中，底部冷水溫度t6升高緩慢，只到蓄熱過(guò)程即將結(jié)束時(shí)才明顯地突然升高。這清楚地說(shuō)明本蓄熱器蓄熱過(guò)程中的水流達(dá)到了自上而下地挖活塞狀流動(dòng)，混摻程度很小。
圖2 蓄熱溫度曲線
4．2 蓄熱效率 蓄熱效率定義為實(shí)際充熱量與理論充熱量之比[2]。蓄熱器的實(shí)際充熱量按下式計(jì)算：
（1）式中，Cc--蓄熱器的充熱容量；
Wc--充熱時(shí)蓄熱介質(zhì)的流量；
Ctf--流體的比熱；
Τc--流熱時(shí) 間；
Tin，tout--流體進(jìn)出口溫度，此處分別等于t5和t6。
蓄熱器的理論充熱量為： （2）
式中 Cc*--蓄熱器的理論充熱量；
Tin*--進(jìn)入流體的平均溫度；
tout*--蓄熱開(kāi)始前蓄熱器內(nèi)水的平均溫度。
蓄熱效率ηc為：
（3）根據(jù)圖2所示運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，按以上公式計(jì)算得到Cc=2984MJ，ηc =88%。
