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家用电蓄热水箱的实验分析
第一部分:静态工作模式
关键词：热储水箱;电热水器;热能存储;热分层现象
摘要：
本文报道了150l全尺寸家用电蓄热水箱静态运行模式的试验分析。分析的主要目的是确定DEHWST在静态加热和冷却时期的热行为，以表征其性能。该分析是基于从制造商提供的装有适当数据采集系统的坦克上获取的实验数据。介绍了储罐、数据采集系统和实验方法。从实验数据中定义并获得了评价能量和火用效率以及热分层的性能参数。给出了不同加热功率和罐体压力下的分析结果，并进行了讨论。2006年爱思唯尔有限公司保留所有权利。
- 介绍
热能存储系统(TESS)是在需求和生产不及时同步的情况下用于采暖和制冷的应用。这种类型的设备可以将加热或冷却系统的能耗从加热或冷却需求中分离出来。因此，从性能和经济的角度来看，发电系统可以在最方便的时间运行。因此，TESS是一项重要的技术，可以帮助提高供暖和制冷系统的性能，大幅降低其总能耗。[1]有多种用于加热和冷却的TESS。在这些系统中，热能积累在存储介质中，存储介质通常位于各种类型和大小的容器中。由于储热介质以感热或潜热的形式积累热能，因此认为感热和潜热是两种主要类型。在显热TESS中，储存介质的温度随热量的增加或减少而变化。同时，在储藏介质的相变过程中，温度保持恒定。低温至中温范围的液体显热储存在家庭、商业和工业应用中普遍使用。最广泛使用的存储介质是水，因为它的容积热容高，非常好的安全性能和低成本。此外，在大多数能源系统中，水是主要或次要的工作流体，因此苔丝可以很容易地与加热或冷却系统集成。热储水箱在国内应用比较普遍。在国内水加热系统,加热水的储罐是通过热水从气体或燃油锅炉通过热交换器,直接通过电加热器或通过结合两个选项中的一个用热水从太阳能安装一个单独的热交换器[2]。Kara和Arslanturk[3]展示了一个用于建筑的中央家用热水器的模型，Reddy[4]展示了太阳能热水器与电热水器的比较。根据参考文献[5]，约30%(4350万)的欧盟家庭使用电热水系统，占家庭用电的15%，是第二大家用电器。对家用电热储水箱进行热分析以提高其效率是一项值得努力的工作，因为这对更有效的能源管理有很大的贡献。DEHWST的静态操作模式是指当水箱内的水没有被使用时，即没有水流入/流出水箱时，它的热特性。DEHWST的动态运行模式是指当使用罐内的热能时，即发生出料/充料过程时，DEHWST的运行模式。文献中有许多不同的蓄热罐理论模型，也有一些实验研究。这些工作大多涉及动态操作。有关这些模式的完整回顾和分类，请参阅Dinc公司和Rosen[1]。最近,一些作品已经出版相关的静态模式操作如Oliveski et al。[6],从理论和实验上分析了圆柱形垂直的冷却槽或尼尔森et al .[7]认为分层冷冻水的静态和动态操作坦克实验。DEHWST的静态运行是一个重要的问题，也应该进行调查，因为它代表了油箱最常见的状态。本文对全尺寸DEHWST的静态运行模式进行了实验分析。分析的主要目的是确定水箱在静态加热和冷却期间的热行为。从能量和精力的角度定义了坦克的特征性能参数，并将其用于评价坦克的性能。
术语：
A 面积 (m2) Psi; 火用效率
Cp 定压比热 (J/kg K) △z 温度传感器间距离（m）
E 电力 (W) 下标
Ex 放射本能 (J) c 冷却
Q 热量 (J) ele 电
TS 温度传感器 h 加热
Str 分层数 lim 极限
s 熵 (J/kg K) J 水层数
T 温度 (K) j 水层
T* 无量纲温度 o 参考状态
T 时间 (s) st 储存
t* 无量纲时间 tot 合计
U 整体传热系数 (W/m2K) use 有用的
u 内部能量 (J /kg)
V 体积 (m3)
z 高度(m)
希腊符号
Rho; 密度 (kg/m3)
ŋ 能源效率
- 实验设置
DEHWST测试已经提供了西班牙制造商加利法尔。它是一种立式圆柱形储罐，储存量为150升。储罐既可以作为壁画放置，也可以作为底座放置。所测试的样机是放置在可移动平台上的台座式。储罐由一个垂直的圆柱体和由2毫米厚的不锈钢(AISI 316)板制成的Klopper型盖组成。高度为870 mm，直径为480 mm。因此，水槽的长径比为1.81。图1描述了该水箱的结构。罐体采用聚氨酯泡沫绝缘(S型喷涂)。绝缘厚度由厂家选择。圆柱面上的厚度为32毫米，上盖根据盖的几何形状而变化，如图1所示。下盖仅部分绝缘，因为电加热器垂直放置在这个盖的中心。没有绝缘的空间对应一个直径32厘米的圆。在侧面、顶部和底部的绝缘表面都覆盖着普通的碳钢板。钢板的厚度为1mm，外涂白漆。商用水箱配备2.2 kW的电加热器。在这个实验工作中，一个电加热器由三个相等的元件组成，每个元件的功率为4kw，也使用了可独立开关的开关。两个加热元件的高度都是36厘米。
图1所示 储罐原型
实验样机配备了基于PC机的数据采集系统。利用沿水箱高度均匀分布的11个温度传感器测量水箱内水温分布。它们之间的距离是8厘米。从侧面插入的传感器位于距离坦克垂直轴16厘米处，从轴9.5厘米处插入的传感器形成盖子。这些温度传感器是Pt100插入20厘米长，6毫米直径的不锈钢口袋。罐体的表面温度是通过直接连接在罐体外部表面的五个传感器来测量的。另外5个传感器用于测量外盖金属板上的温度。最后，两个传感器放置在距离水箱25厘米的上下盖水平测量环境空气温度。数据采集系统的校准试验表明，温度测量的平均误差在plusmn;0.2℃以内。温度传感器位置如图1所示。为了测量罐内的压力，还使用了满量程精度为plusmn;0.5%的压力传感器。
- 性能参数
3.1无量纲温度分布
瞬态温度分布表示为无量纲温度随时间的函数或无量纲时间的函数。参考加热极限温度和初始温度(t = 0)，由式(1)定义无量纲温度，根据式(1)定义静态运行方式的无量纲时间为加热/冷却总时间的函数。（2）
3.2. 分层数
分层数用于评价水箱内水的热分层。根据式(3)定义为每个时间间隔内温度梯度的均值与开始时(t = 0)的均值之比。暂态温度梯度的均值由式(4)给出。
3.3 能源效率
通过计算储气罐内储存的热能、损失的热能和能源效率来评价DEHWST的能量性能。为了计算储存在水箱内的热能，将其体积分为若干水层，与水箱内插入的温度传感器的数量相等。储存的总热能由各层储存的能量计算，根据式(5)，任何水层储存的能量相对于加热过程开始时的水温由式(6)给出。
在DEHWST中，当其温度超过适宜使用的最低温度时，所储存的热能是有用的。因此，有用能量的计算只考虑温度超过温水使用所施加的最低温度的层的能量，并与此温度有关。加热期间的能源效率定义为在任何时刻罐内可用的能量与加热元件提供的能量的比率，直到考虑的瞬间。电加热器提供的能量由电能作为时间的函数，由式(7)得到。根据式(7)，根据总能量和可用能量计算能源效率。(8)和式(9)。
在冷却阶段，能源效率是指过程开始时在罐体中积累的能量。然后由式得到基于可用能量和有用能量的能量效率。(10)、(11)。
3.4 火用效率
在DEHWST性能评估中，特别推荐火用分析，因为它不仅考虑了储存的能量，而且还考虑了储存能量的温度[8,9]。根据式(12)，通过分析中所考虑的各离散水层的(火用)计算水箱在加热和冷却期间的(火用)。各层的(火用)由式(13)得到。
在计算有用(火用)时，只考虑由温水使用所施加的最低存储温度以上各层的(火用)。
加热期(火用)效率定义为任何时刻累积的火用(火用)与该时刻电加热器提供的火用(火用)的比值。电加热器提供的(火用)由式(7)得到。(火用)效率根据式中总(火用)和储存的有用(火用)计算。(14)和式(15)。
在冷却阶段，火用效率是指过程开始时罐内可用的火用。因此，由式得到基于火用能和有用火用能的火用效率。(16)和式(17)。
- 实验
实验内容包括水箱静态运行模式下的加热和冷却阶段。它们的加热功率分别为2.2千瓦、4千瓦、8千瓦和12千瓦，并在水管压力和大气压力下进行。加热周期从水箱内的恒温开始，当水箱中部的水温达到设定值65℃时结束。然后，关闭电加热器，开始冷却。当水槽中任意一点的水温低于40℃时，实验结束。40℃被认为是最低可用水温。这些实验是在我们的实验室进行的，但要受环境温度变化的影响。数据采集系统从实验开始到实验结束，连续记录每个传感器所测得的温度和压力值。
图2所示。无量纲底部水温(壹空间),在顶部的中间(TS6)和(TS11)坦克作为无量纲时间的函数与加热的加热实验2.2,4、8和12 kW, (a)在水行压力,(b)在大气压力。
- 结果
所给出的结果是由实验数据得到的。水的性质是通过将Refprop数据库[10]作为。dll合并到计算表中获得的。
-
- 加热时间
图3所示。分别在(a) 2.2 kW、(b) 4kw、(c) 8kw、(d) 12kw下进行的加热实验中，沿槽高进行无量纲水温分布
图4所示。实验的加热功率为2.2 kW，初始水温为15℃、20℃和25℃。
图2 (a)和(b)显示了瞬态无量纲底部水温分布在图1(壹空间),在中间(TS6在图1)和顶部(图1)TS11水箱加热能力为2.2,4、8和12 kW加热过程中在水在大气压力管路压力(a)和(b)。结果在图2对应于实验的初始水温15°C和平均环境温度为20℃。图3(a) - (d)为2.2 kW (a)、4 kW (b)、8 kW (c)、12 kW (d)加热功率下，与图2所示实验相对应的加热时期不同阶段沿槽高的无量纲瞬态温度分布。
图2(a)和图3(a) - (d)表明，尽管使用了加热功率，但水箱上半部分水层的加热过程是相似的。然而，不同之处在于水箱底部的水层。可以看出，随着加热功率的增大，水箱下半段水层的温差增大。
图5所示。根据图1,TS1, TS2, TS3, TS6和TS11传感器测得的水温分布以及在水线压力下及之后的冷却过程的平均环境温度，(a)如图3(a)和(b)如图3(b)所示的加热过程。
图2(a)和(b)结果的对比表明，压力影响加热过程。在所有测试的加热功率中，在水管压力下加热时，水层之间的温差比在常压下加热时要大。因此，加热期结束时的温度和梯度分布也不同，如图3(a) - (d)所示。图4显示了在加热功率为2.2 kW、初始水温为15℃、20℃和25℃时，在水管压力下进行的三次实验的瞬态加热能量和有用能量效率。三个实验的平均环境温度为20°C。图4的结果表明，当无量纲时间为0.2时，能量效率增加，当无量纲时间大于0.2时，能量效率基本保持在85% ~ 90%之间。同时，无量纲次次小于或等于0.32、0.41、0.44时，有效能效率为零，如图4所示，有效能效率逐渐增大，直到初始水温为25、20、15℃时，最终有效能效率分别为0.55、0.48、0.43。不同实验结果表明，加热功率、环境温度和罐内压力对能量效率的影响很小。
图6所示。(a)图3(a)所示的加热过程(b)图3(b)所示的加热过程
从火用分析得到的最突出的结果是火用效率的低值。所有加热功率的值都在5%左右，并随加热功率的增加而略有增加。压力对火用效率的影响也很低。加热(火用)效率的小数值清楚地反映了通过电加热器这种加热过程的高度不可逆性。
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- 冷却时间
图5(a)和(b)给出了由图1中传感器TS1、TS2、TS3、TS6和TS11测得的水线压力下冷却过程的瞬时水温分布随时间
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