液体显热储存中的温度分层问题及其解决方案

水是最常用的储热介质。虽然水的成本可能非常低，但用水储热需要水箱、保温层和支撑结构。水的显热储存已被普遍使用，因为它：

1）是一种常见的工质，容易获得其技术、物理、化学和热力学数据，如黏度、导热系数、密度等；

2）是少数既可用作集热器又可用作储热器热传输流体的储热介质；

3）在常见的可用流体中具有最高的比热；

4）在介质温度范围内不发生相变，其汽-液平衡温度和压力符合非聚焦太阳能集热器的要求；

5）稳定、无毒、不易燃。

主要的缺点有：

1）水对金属具有电解腐蚀性；

2）水易冻结且伴随有体积膨胀，易引发潜在的危害；

3）水中可能含有溶解氧，会导致腐蚀。

在液体显热储存中，减少冷热流体的混合是很重要的，否则会减小系统的。要使储存的热能利用最大化，需要保证输送温度满足或略超过需求温度，从而避免使用辅助能源加热。虽然可以分别使用冷热罐、可移动隔板或可拆卸膜将冷热流体分开，但最简单的方法是保持储热水箱内有相对明显的温度分层，热流体在水箱上部，而密度更大的冷流体在水箱下部。(www.xing528.com)

将热量存入储热器的过程中，应尽量保持较低的太阳能集热器入口温度，以提高集热效率。理论和数值研究表明，热分层能够改善储热水箱性能（如，Gutierrez等，1974；Close，1962；Sheridan等，1967）。对于完全分层的储热系统，太阳能集热器的入口流体总是处于可获得的最低温度。相比之下，完全混合的储热系统输送给集热器的流体温度大大提高。储热水箱的垂直壁面采用铜、铝、钢或不锈钢作为衬里，会破坏水箱内的温度分层，这主要取决于衬里和储热流体的热导率（Miller，1977；Viskanta和Hale，1978；Sherman等，1979；Leyers等，1977）。对于水兼作储热介质和载热介质的太阳能应用系统，储热水箱的温度分层问题已获得广泛研究。如在自然循环和强制循环的太阳能系统中，这些流体在储热器中连续循环（Davis和Bartera，1975；Hobson和Norton，1988；Hunt等，1978；Koldhekar，1981；Lavan和Thompson，1977；Loehrke等，1978；Marshall，1981；Matsudaira和Sakakura，1972；Nakajima，1972；Phillips和Dave，1982；Sliwinski等，1978；VanGallen和VandenBrink，1984；VanKoppen等，1978；Wood等，1981；Wu，1979；Jalaria和Gupta，1982）。这些研究的结果不能直接应用于被动式太阳能热水器中的分层过程，因为其热输入来自于直射到水箱壁面上的太阳能。储热水箱中进水和出水及其混水过程仅在取水时发生，这个过程根据居住者的热水使用习惯每天至少发生一次。水平安装的圆柱形储热水箱的热分层能力相对较弱，因此其通常用于特定的气候条件和系统容量下以将储热器内所有的水加热到所需温度。如果在一年大部分时间内水平圆柱形储热器不能被充分加热，则会由于水箱内温度分层不明显而降低太阳能保证率。将所需水量分配到两个或更多个水箱，有助于在设计中结合一些水箱温度分层机制，防止进入最低水箱的冷水与进入最终水箱中的热水相混合。如图4.2所示，每个储热水箱通常还配有进水和出水管路，以进一步阻止每个水箱中的冷热水混合。冷水经过进水管路管长方向上的入口进入储热水箱，由此可限制进水口流速以确保冷水不会与上层较热的水之间发生混合。类似地，出水管路仅收集来自水箱最上层的热水，热水直接从管路流出或流入串联系统的下游储热水箱。通过这种方式，在水平安装的系统中可获得一定程度的水箱温度分层。

图4.2 水平储热水箱内的管路

图4.3给出了完全混合和分层储热水箱的运行温度随时间变化的方程。

高速流通量和流入流体的温度不变都会导致储热水箱内冷热水完全混合。如果进入水箱时没有较大的混合力，温度较高的流体将在与其密度相同的水层中取得平衡。分层的过程与温度和时间都相关。图4.3所示的傅里叶方程给出了分层储热系统温度变化的精确解（Schmidt等，1960；Cabelli，1977）。

图4.3 完全混合和分层的储热水箱的理论计算式

分层水箱的简化算法（Gutierrez等，1974）是应用“M”分段水箱的近似算法。如图4.4所示，每一段都代表储热水箱中完全混合的一个子容积。

图4.4 储热水箱的分段建模方法