热系统的性能影响分析及优化建议

储热罐体内的流体温度不同会导致密度不同，高温流体由于密度低会处于罐体的顶部，低温流体由于密度高会处于罐体的底部，而罐体中间介于高温流体和低温流体之间会出现一个过渡层，这个过渡层把高温流体和低温流体分开，被称为斜温层。图3-8描述了高度热分层、中度热分层以及没有热分层（充分混合）三种情况。

图3-8　储罐内不同程度的热分层

（a）高度热分层；（b）中度热分层；（c）无热分层

从1970年开始的相关研究已经充分证明热分层对于显热储热系统具有非常重要的影响。这些研究表明：具有热分层的显热储热系统相比充分混合的储热系统具有更好的储热性能。以与太阳能集热器相连接的显热储热系统为例，当储热系统存在热分层时，底部温度低，顶部温度高。在充热时，从底部返回集热器的换热流体温度更低，与集热器中间的温差更大，从而有利于集热器释放更多的热量给换热流体。同样在放热时，从顶部流出的换热流体温度更高，有利于释放更多的热量。

然而，一些客观存在的因素会弱化或破坏热分层，如在充热和放热的过程中，不断流入的换热流体会和储罐中已有的流体混合；沿着储罐的壁面存在着热传导；不同温度的流体层之间存在着热传导以及储罐壁面存在着散失到周围环境中的热损失等。因此，需要采取相应的措施来减小或者消除热分层的破坏。对于由于新流入流体和罐体内原先已有流体的混合所造成的对热分层的破坏而言，不仅可以考虑降低换热流体的入口流速，还可以考虑在入口处引入合理设计的阻挡，如把入口处改为锥度的结构、在入口处和出口处增加均流扩散结构以及在入口处增加多孔歧管或者冲击板等，更进一步甚至可以考虑把不同温度的流体在罐体内进行物理分隔来维持稳定的热分层。研究发现换热流体的质量流速对显热储热系统的性能影响较大。当增加换热流体的入口质量流速时，流入罐体的换热流体会加速沿着罐体轴线方向向下流动，并且形成剪切向涡流，导致罐体内冷热流体的加速混合并破坏热分层。并且随着充热过程的进行，斜温层的厚度会增厚。当初始温度差增大时，会增大密度差，从而强化热分层效果，但同时也增大了斜温层的换热率，因此对斜温层性能带来了恶化。从降低罐体壁面的热传导的角度出发，罐体可以选用低热导率的材料（如玻纤或HDPE），而罐体的长径比（长度与直径的比值）对罐体的轴向导热的影响很大，因此在设计时需要格外关注这一参数。对罐体采取充分的保温措施可以降低罐体对环境的热损失。(www.xing528.com)

为了更精确地对热分层程度进行定量化分析，研究人员采用了不同的方法，例如，从热分层程度和变化的角度来分析斜温层梯度和厚度等；从热力学第一定律的角度分析充/放热效率或者可回收热量等；从热力学第二定律的角度分析㶲效率和可用能比例等。研究人员建立并发展了不同的模型来描述竖直方向热分层的温度分布情况。出于简化考虑，一般是一维模型，温度分布是与高度这一参数相关的函数。一般分为六种不同的温度分布模型：线性分布、步进分布、连续线性分布、总体线性分布、基本三区分布以及总体三区分布。考虑到计算结果的精确度和计算量的大小，一般认为三区温度分布模型是最优的，而其中基本三区模型最简便，总体三区模型更为精确。

早期传统的方法在进行显热储热系统（包括系统的换热器）的最优化设计研究时，通过系统能够存储热量的多少来评估系统的储热性能，即从热力学第一定律的角度通过储热系统能够存储多少热量来评估储热系统的效率。在这种情况下，当流入储热罐体的换热流体拥有的热能和储热罐体内储热材料的数量都相同时，能够存储更多热量的储热系统被认为储热效率更高。但是这种方法仅仅从“量”的角度来评估储热系统的热性能，而不能从“质”的角度来评估储热系统。早在1978年，Bejan就指出：储热系统的作用和目的并不是存储热量，而是存储有用能。而㶲作为一种评价能量价值的参数，从“量”和“质”两个角度评价了能量的“价值”。当用㶲来评价显热储热系统的热性能时，发现尽可能多地存储热量和尽可能多地存储有效能这两个目标可能会产生直接的冲突。

Domanski等对一个显热储热系统的完整充/放热过程进行了系统的热力学第二定律研究，计算了最佳的换热模块数量、充热时间等参数及最优的效率，从而证明了热力学第二定律是一种非常好的研究方法，可以更好地用于评估储热系统的㶲效率并对储热系统进行优化设计。更多的研究发现：采用热力学第二定律，从㶲的角度来研究和设计储热系统会更加客观、更有优势。基于热力学第二定律的㶲分析法不仅可以真正说明实际的储热性能与理想情况之间的差别，而且可以更清楚地发现储热系统发生热力学损失的原因和相关环节，因此，可以用于提高并优化储热系统的设计和运行参数。

利用基于热力学第二定律的㶲分析法对于充分理解储热系统的热力学行为、合理评价并提高不同储热系统的效率具有非常重要的作用，可以对储热系统进行更为准确的定性和定量分析，获得更为恰当的储热系统效率指标，评价热分层的影响，评价整个循环过程中每个子过程的性能，同时可以考虑环境变化以及储热持续时间等的影响。基于这种方法，可以发现一些能够提高储热系统效率的可供进一步深入研究的方向：通过提高改善保温措施来减小罐体的漏热损失；降低换热器的温差、使得用于加热储热材料的流体以更合适的温度流入罐体来尽量避免温度降级；维持并充分利用热分层特性来减小不同温度的流体混合所造成的损失；通过使用更高效的泵、减小换热流体的摩擦以及设置合适的温度阈值来降低需要使用的泵功。在工程实际中以上因素都需要进行充分考虑和合理设置。

最后，值得提出的是，基于热力学第二定律的㶲分析法不仅可用于显热储热系统的研究，而且可广泛地应用于潜热储热系统以及包含了显热和潜热两种储热方式的混合储热系统的研究中。同时，在使用热力学第二定律时，结合热力学第一定律进行补充，可以更加全面地了解储热系统的热力学特性。