自然分层水蓄冷技术

1 水蓄冷的方法

水蓄冷是利用水的显热实现冷量的储存。因此，一个设计合理的蓄冷系统应通过维持尽可能大的蓄水温差并防止冷水与热水的混合来获得最大的蓄冷效率。在水蓄冷技术中，关键问题是蓄冷罐的结构形式应能防止所蓄冷水与回流热水的混合。为实现 这一目的，目前常用的有以下几种方法：

1.1 多蓄水罐方法

将冷水的热水分别储存在不同的罐中，以保证送至负荷侧的冷水温度维持不变，多个蓄水罐有不同的连接方式，一种是空罐方式。如图1a，它保持蓄水罐系统中总有一个罐在蓄冷或放冷循环开始时是空的。随着蓄冷或放冷的进行，各罐依次倒空。另一种连接方式是将多个罐串联连接或将一个蓄水罐分隔成几个相互连通的分格。如图1b，图中示出蓄冷时的水流方向。蓄冷时，冷水从第一个蓄水罐的底部入口进入罐中，顶部溢流的热水送至第二个罐的底部入口，依次类推，最终所有的罐中均为冷水；放冷时，水流动方向相反，冷水由第一个罐的底部流出。回流热水从最后一个罐的顶部送入。由于在所有的罐中均为热水在上、冷水在下，利用水温不同产生的密度差就可防止冷热水混合。多罐系统在运行时其个别蓄水罐可以从系统中分离出来进行检修维护，但系统的管路和控制较复杂，初投资和运行维护费作较高。

1.2 迷宫法

采用隔板把水蓄水槽分成很多个单元格，水流按照设计的路线依次流过每个单元格。图2所示为迷宫式畜水罐中水流的路线。迷宫法能较好地防止冷热水混合。但在蓄冷和放冷过程中有一个是热水从底部进口进入或冷水从顶部进口进入。这样易因浮力造成混合；另外，水的流速过高会导致扰动及冷热水的混合；流速过低会在单元格中形成死区，降低蓄冷系统的容量。

1.3 自然分层法

利用水在不同温度下密度不同而实现自然分层。系统组成是在常规的制冷系统中加入蓄水罐，如图3a所示。在蓄冷循环时，制冷设备送来的冷水由底部散流器进入蓄水罐，热水则从顶部排出，罐中水量保持不变。在放冷循环中，水流动方向相反，冷水由底部送至负荷侧，回流热水从顶部散流器进入蓄水罐。图3b是蓄冷特性曲线图。纵坐标为温度，横坐标为蓄水量的百分比。A、C分别为放冷循环时制冷机的回水和出水特性曲线；B、D分别为蓄冷循环时制冷机的回水和出水特性曲线。一般用蓄冷效率来描述蓄水罐的蓄冷效果。蓄冷效率的定义是蓄冷罐实际入冷量与蓄冷罐理论可用蓄冷量之比，即：蓄冷效率=（曲线A与C之间的面积）/（曲线A与D之间的面积）

一般来说，自然分层方法是最简单，有效和经济的，如果设计合理，蓄冷效率可以达到85%-95%。

图四所示为蓄冷罐和斜温层内温度变化简图。斜温层是冷水与热水之间的温度过渡层。明确而稳定的斜温层能防止冷水与热水的混合，但斜温层的存在降低了蓄冷效率。蓄冷系统能否在高效率系统能否在高效率下保持正常而稳定的工作主要取决于顶部和底部散流器的设计和蓄水罐的设计。散流器用于均布进入罐中的水流，减少扰动和对斜温层的破坏。

1.4 隔板法

在蓄水罐内部安装一个活动的柔性膈膜或一个可移动的刚性隔板，来实现冷热水的分离，通常隔膜或隔板为水平布置。这样的蓄水罐可以不用散流器，但隔膜或隔板的初投资和运行维护费用与散流器相比并不占优势。

2 散流器的设计

自然分层的蓄水罐需要用散流器将水平稳地引入罐中，依靠密度差而不是惯性力产生一个沿罐底或罐顶水平分布的重力流，形成一个使冷热水混合作用尽量小的斜温层。在0-20°C范围内，水的密度差不大，形成的斜温层不太稳定。因此要求通过散流器的进出口水流流速足够小，以免造成斜温层的扰动破坏，这就需要确定恰当的Fr数和散流器进口高度h，确定合理的Re数来避免斜温层品质的下降。

Fr数是表示作用在流体上的惯性力与浮升力之比的无因次准则数。YOO等人也证实：Fr<=1时，浮升力大于惯性力，可很好地形成重力流；Fr数的定义由下式给出下式给出：

式中Q为最大进口流量，m³/s;L为散流器有效长度，m；g为重力加速度，m/s²；h_i为最小进口高度，m；ρ_i为进口水密度，ρ_a为罐内水密度，Kg/m³；

对于确定的流量和散热器长度，通过Fr数可以确定所需的进口水高度。进口高度H的定义参见图4及图5，进口高度h的选择必保证Fr数不大于2。Wildin和Truman通过试验证明，较低的进口Re数有利于减小斜温层进口侧的理想的分层效率，进口Re数在240-280时能取得理想的分层效果。Re数的定义由下式给出；

Re=q/v(2)

式中q为散流器单位长度上的流量，m³/s；v为进口水的运行粘度，m²/s。

对于确定的流量，可以通过调整散流器的有效长度得到所需的Re数。

在设计中要注意散流器的开口方向，尽量减少进水对罐中水的扰动。通常顶部散流器的开口方向朝上，避免有直接向下冲击斜温层的动量，底部散流器的开口方向朝下，避免有直接向上的动量。散流器管的开口一般为90-120°C，参见图5。

常用散流器的型式有：八边式、h式，径向盘式和连续槽式等。图6和图7为其中两种。八边式适用于圆柱体蓄水罐。H式适用于立体蓄水罐。在应用中，也可以根据具体的情况，散流器来满足实际要求。例如：广东新北江制药厂的制冷系统中蓄水罐所用的外壁全周配水装置，配水口设置在蓄水罐的外壁，配水口设置在蓄水罐的外壁，配水流道采用近外壳状的变截面流道结构。入口水Fr数为0.34蓄水分层稳定可靠。

3 自然分层蓄水罐的设计

蓄水罐设计考虑的因素有：形状，安装位置，材料和结构等。

3.1 形状

最适合自然分层的蓄水罐的形状为直立的平底圆柱体。与立方体或长方体蓄水罐相比。圆柱体在同样的容量下，面积容量比小，蓄冷罐的面积容量比最低。单位容量比小，蓄冷罐的面积容量比越小，热损失就越小，单位冷量的基建投资就越低。其他形状的蓄冷罐也可以用于自然分层，但必须采取措施防止由罐壁的斜坡或曲面所带来的进口水流的垂直运动。球状蓄水罐的面积容量比最小，但分层效果不佳，实际应用较少，立方体和长文体的蓄水罐可以与建筑物一体化，虽然损失较大，但可以节省一个单独蓄水罐，从而节省基建投资。

蓄水罐的高度直径比是设计时需要考虑的一个形状参数，一般通过技术经济比较来确定。斜温层的厚度蓄水罐的尺寸无关，提高高度直径比降低了斜温层在蓄水罐中所占的份额，有利于提高蓄冷的效率，但在容量相同的情况下增加了蓄水罐的投资，提高高度直径带来的一定的难度。

3.2 安装位置

由于水蓄冷采用的是显热储存，蓄水罐的体积较用于相变储存的罐要大得多。因此安装位置是蓄水罐设计时所考虑的重要因素。如空间有限，可在地下或半地下布置蓄水罐。对于新的项目，蓄水罐与建筑物的一体化能降低投资。这比单独新建一个蓄水罐要合算。

3.3 材料结构

常用的蓄水罐为焊接钢罐，装配式预应力水泥罐和现场浇筑水泥罐。钢罐良好的导热性能会影响蓄冷效率，对于体积较小的蓄水罐这种影响较明显，水泥罐的绝热性能田间，地下布置时热损失不会很大，但水泥罐的绝热性能同时会造成斜温层品质的下降。选择蓄水罐材料需要考虑的因素有：初投资、泄漏的可能性，地下布置的可能性和现场的特定条件。

4 应用实例

文献[6]和[7]介绍一个在原有制冷系统上增加自然分层蓄冷罐的改造项目，它位于美国得克萨斯一家光电子制造厂，1990年8月蓄冷系统开始运行。蓄水罐为圆柱形预应力水泥罐，体积10161m³,地下布置，其蓄冷容量为380100MJ（3000rt·h）。罐内采用八边散流器，如图6所示。散流器管开口角度120°。冷水温度4°C。冷热水温差为10°C，蓄冷效率达到92%。图解是整个系统的连接图。新系统利用了原有的4台制冷机。其中两台4224KW（1200rt），两台3168KW（900rt）。系统投入运行后，与改造前相比第一年降低了3011000kwh,整个蓄冷改造项目的总投资包括设计、安装、调试、水处理等，在内共167万美元。除去当地电力公司给予该项目的补贴62.05万美元，净投资为105.95万美元，第二年节约22.15万美元。预计不超过5a就可以回收净投资。

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