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自然分层型水蓄冷条缝形布水器的优化研究 ...
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自然分层型水蓄冷条缝形布水器的优化研究
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介绍水蓄冷温度分层动态特性模拟
　　从而减少实际可用蓄冷水的体积,减少可用蓄冷量。　　为了防止水的流入和流出对存储冷水的影响,在自然分层蓄冷罐中通过从罐中取水和向罐中送水,布水器的作用是使水缓慢地流入水罐和从水罐流出,以尽量减少紊流和扰乱斜温层。公用工程设计。由于蓄冷斜温层的厚度对水蓄冷的运行效率有很大影响,因此有必要对水蓄冷运行过程中斜温层的产生与变化进行研究,但是由于一般的水蓄冷项目工程巨大,难以在项目前期取得运行数据,为了保证水蓄冷系统的运行可靠性,本文对水蓄冷罐斜温层的变化进行了仿真研究。2蓄冷化工技术介绍水蓄冷系统是以水作为蓄冷介质的一种空调蓄冷方式,原理图见图1。图1自然分层蓄冷原理图水蓄冷系统是利用水的显热来储存冷量,冷水机组在夜间制出4℃~6℃左右的低温水存储在蓄水槽中供白天使用,该温度适合于大多数常规组直接制取冷水。　　在理想的情况下蓄水槽内的冷温水能够保持良好的分层,这是因为在水温大于4℃的情况下,水的密度是随温度升高而降低的,在约为4℃时水的密度最大,温度低的水密度大,位于蓄冷槽的下部,而温度高的水密度小,位于蓄冷槽的上部。但由于冷、温水之间存在温差引起的导热过程,致使在冷、温水分界面附近,冷水温度有所升高,温水温度有所降低,从而形成了从冷水到温水的过渡层,这个存在温度梯度的过渡层就称为斜温层。在充冷或放冷过程中,蓄水槽的进和出处安置的引流设备???布水器能够控制水流缓慢地自下而上或自上而下地流动,整个过程在蓄冷槽内形成温度分层。在放冷的过程中,蓄冷槽储存冷量的大小取决于蓄冷槽的体积和蓄冷温差,温差的维持可通过降低存储冷水温度、提高回水温度以及防止回流温水与储存冷水的混合等措施来实现。　　3物理模型的建立3.1模型简化本文将要进行的实验研究对象是温度分层型水蓄冷槽,蓄冷槽的结构是钢制直立圆柱形水槽,水沿轴向流动。物理模型的建立是基于以下假设条件:1)由于蓄冷罐的布水是由许多小型布水器组成的,计算机的计算能力难以完全按照蓄冷罐的布水的物理形式建立模型,因此在建立模型时将蓄冷罐的布水器设置成为有着均匀流速的平面。2)布水器的连接水管做保温处理,模拟计算中不考虑其形状及温度对水蓄冷罐内温度场的影响。3)蓄冷罐外为100mm厚保温材料,导热系数。由于钢的导热系数为。远远大于,因此在模拟中将其导热性能忽略不计,做同温层处理。　　3.2初始条件笔者共对单、双两种罐体、每种罐体分别在4℃、6℃的蓄冷温度的蓄冷、释冷过程进行了模拟,单罐指运行过程只采用一个罐体,双罐指设计运行过程采用双罐共同运行。蓄冷、释冷过程都定为8h,双罐罐体直径19m,高22.9m,初始流速。单罐罐体直径24m,高26m,初始流速。其蓄冷与释冷过程如下:充冷过程:假定初始时蓄冷罐内充满14℃温水,充冷开始后,冷水自底板各布水流入,14℃温水自顶板各布水流出。释冷过程:假定初始时罐内充满冷水,释冷开始后,14℃的温水自顶板各布水流入,冷水自底板各布水流出。　　3.3物理参数为更接近实际反映水的密度变化对斜温层的影响,模拟过程按间隔1℃设置了水的密度,如表1所示。表1斜温层每间隔1℃时水的密度变化4模拟过程4.1网格的划分计算几何体的定义和网格划分的好坏直接影响到计算的收敛性和精度,笔者对两种罐体模型(见图2、图3所示),利用FLUENT前处理软件GAMBIT建立网格,使用的是四负荷变流量泵斜温层蓄冷罐止回阀制冷机。工程建设与设计84边形非结构网格。设置R=400mm的模型划分网格,即其网格按照0.4m划分。图2单罐网格模型图3双罐网格模型4.2流场分析笔者通过模拟,发现模型在层流情况下流畅基本不变,流体基本按照直线状态流动,如图4所示,为蓄冷过程8h后的流场,其与蓄冷开始时的流场基本-致。图4蓄冷8h时的流场分布4.3斜温层变化动态模拟结果笔者通过对所建立的罐体几何模型截取y=0平面,动态监控蓄冷罐平面内的温度分布,从而得到了各种状态下斜温层变化情况。图5~图12分别为单罐与双罐在不同蓄冷温度下的蓄冷与释冷斜温层变化情况。图5单罐蓄冷(14℃4℃)图6单罐释冷(4℃14℃)图7单罐蓄冷(14℃6℃)图8单罐释冷(6℃14℃)从图5~图7可以看出,在蓄冷与释冷过程中,都有斜温层的存在,斜温层在运行初始较薄,随着蓄冷或释冷的进行逐渐扩大。在层流状态下,蓄冷与释冷过程基本可逆,基本都在8h内完成了整罐蓄冷或释冷过程。从运行工况角度比较,温差较大的工况(14℃4℃)比温差较小的工况(14℃6℃)斜温层厚度有所增加,从而系统的运行效率有所降低。公用工程设计。图9双罐蓄冷(14℃4℃)图10双罐释冷(4℃14℃)图11双罐蓄冷(14℃6℃)图12双罐释冷(6℃14℃)从图9图12可以看出,由于双罐运行初始速度相交单罐运行较小,因此初始边界层相较单罐运行较薄,但由于双罐运行方案减小了蓄冷罐直径,因此斜温层厚度增加较快,逐步与单罐运行厚度接近。5结论通过对自然分层型蓄冷罐的动态模拟,可以得到以下几点结论:1)桶内水温分布随着充冷循环的进行在桶内高度上发生变化,并且存在分割冷热水温度的斜温层,斜温层的存在有利于水蓄冷系统,使冷温水不至于混合。2)当斜温层向上移出罐体时,蓄冷过程结束,当斜温层向下移出罐体时,释冷过程结束。3)良好的罐体保温结构,可以将环境温度对罐内冷水的作用范围及热损失控制在较小范围。4)设计合理的布水器可以尽量减少罐内流场的紊乱,从而减少斜纹层厚度。5)增加蓄冷温差可以增加蓄冷罐的蓄冷量,但是温差的增加也会使斜温层厚度增加,降低系统运行效率。6)体积面积比是影响斜温层厚度的重要因素,在同样的体积下,面积大的蓄冷罐流速较低,斜温层厚度较小。　　本文作者 ----
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