带有隔热挡板的水箱内温度分布特性的实验研究

杨惊涛 马逸平 韩兵凯

上海理工大学环境与建筑学院

带有隔热挡板的水箱内温度分布特性的实验研究

杨惊涛 马逸平 韩兵凯

上海理工大学环境与建筑学院

通过实验研究在不同的挡板位置、不同的温度工况下，CO2热泵热水器水箱内部的温度分布，并研究挡板位置对水箱内“冷区”和“热区”空间大小的影响、冷热水出水温度的影响。由实验结果可得，挡板可以有效地将水箱内的“热区”和“冷区”分开，使“热区”水温较高，为热用户提供更高温度的热水；使“冷区”水温较低，为CO2热泵热水器气冷器提供更低温度的冷却水，有助于提高系统的COP。综合考虑“热区”水温和水量等因素，挡板处在水箱竖向的中间位置为最佳。另外，挡板位置的变化对热水出水温度没有较明显的影响。

水箱 挡板 温度分层

CO2热泵热水器一般采用循环加热的方式提供热水，如果气冷器的进水温度较低，则系统的COP较大。常规的空气源热泵热水器水箱为混合式水箱，其冷热水互相掺混，一方面导致进入气冷器的循环水温度升高，使CO2热泵热水器系统的COP降低；另一方面，导致水箱供给用户的水温降低，不能提供满足用户需求的热水[1]。因此，保持和降低气体冷却器的进水温度（水箱供给气冷器的出水温度）是提高热水器性能的途径。为解决上述问题，本项目提出一种适用于CO2热泵热水器循环加热方式的分层水箱，在水箱内部安装一个活动隔热挡板，可将高温水与低温水隔开，减少水箱内部高温水和低温水的换热和相互掺混，使水箱供给气体冷却器的水温保持在较低的温度，从而提高系统的COP[2]。

1　实验设计

1.1带有隔热挡板的水箱

图1所示为一个圆柱形的铸铁水箱，高880mm，直径340mm。左侧共有四个水口，R2口为来自气冷器的循环水入口，L1为送往气冷器的循环水出口，L2接自来水，用于为水箱补水，R1为供给热用户的热水出口。水箱内有一个活动挡板，由连杆连接，可随连杆上下移动。

图1　水箱结构简图

1.2实验系统

1.2.1实验原理

如图1所示，挡板上部空间有从CO2热泵热水器气冷器侧流回的高温循环水，挡板下部空间有自来水补给，故挡板上部为“热区”，下部为“冷区”，挡板将“热区”和“冷区”分开，减少冷热水的掺混换热，从而使流向热用户的热水温度较高，满足用户所需；流向气冷器的循环水温度较低，有助于提高CO2热泵热水器系统的COP。实验中，通过改变挡板在水箱内竖直方向的位置和R2入水口的热水温度，来形成不同的温度分布，利用T型热电偶（测温范围：-200℃～400℃）测定水箱内的温度分布（安捷伦型号：34970A，测量精度0.01），分析活动挡板在水箱内冷热分区作用的有效性、以及挡板位置对冷、热水出水温度的影响。

1.2.2实验方案

图2所示为实验方案示意，A虚线框内为水箱温度分层实验区，B虚线框内为指定温度的热水发生区。

图2　实验方案示意图

1.2.3焓差室水系统

本次实验使用焓差室的水系统，该系统可以产生指定温度的热水，并通过循环泵驱动整个系统里的水循环，为末端提供温度稳定的热媒。

为了给水箱创造稳定的热水供应以模拟来自CO2热泵热水器气冷器的热水供应，利用焓差室为储水箱灌满水，并将储水箱与焓差室连接在一起，形成一个封闭循环，通过循环泵驱动整个循环，利用焓差室的加热功能为循环水升温，并通过铂电阻实时监测储水箱内的水温，当达到工况所需的温度时停止焓差室的电加热，打开图2所示阀门7，为水箱供应指定温度的热水。

1.3实验内容

1.3.1温度测定

本实验控制2个变量，分别为供给水箱的热水温度TR2和挡板位置x。如图3所示，共有6各测点分布截面，其中1、2、5、6截面内各有4个测点，均匀分布；3、4截面内各有一个测点，都位于平面内的几何中心处。a、b、c为三个挡板位置，在每个挡板位置测6个温度工况，分别是：35℃，40℃，45℃，50℃，55℃，60℃。温度测点布置说明见表1[3]。

图3　测点分布

表1　温度测点布制说明

1.3.2实验工况

实验工况安排如表2所示。

表2　实验工况

2　实验结果及分析

2.1水箱内温度分布曲线

在工况1、2、3（挡板位置分别为C、B、A）下改变热水供水温度，水箱内的温度分布见图4、5、6。

图4　工况1（挡板在C处时）水箱内的温度分布

图5　工况2（挡板在B处时）水箱内的温度分布

图6　工况3（挡板在A处时）水箱内的温度分布

由图可见三个工况水箱内都有明显的温度分层，R1口截面的水温较R2口略低，原因是由R2口进入水箱的热水经换热后由R1口排出，温度略有下降[4]。

图7　挡板上表面温度随挡板位置变化的变化曲线

2.2挡板上表面水温随挡板位置不同的变化曲线

图7所示为挡板上表面水温随挡板位置变化的变化曲线，横坐标为A、B、C三个挡板位置，纵坐标为水温。由图可见，在不同的热水供水温度下，挡板在B位置时上表面水温最高，在A位置时上表面水温最低。挡板在C位置时水箱内的“热区”空间最大，可供给热用户的热水量最大，但水温较低；挡板在A位置时水箱内“热区”空间最小，热水量最小，且由于“冷区”空间最大，“热区”的一部分热量传至冷区导致“热区”水温降低，故挡板上表面水温并不高；挡板在B位置时，冷、热区空间大小相同，且水温最高，故该挡板位置为最佳选择。

2.3热水出水温度随挡板位置变化的变化曲线

图8所示为热水出水温度随挡板位置变化的变化，由图可见，挡板位置对热水的出水温度几乎没有影响。

图8　热水出水温度随挡板位置变化的变化

2.4冷水出水温度随挡板位置变化的变化曲线

图9所示为冷水出水温度随挡板位置变化的变化曲线，由图可见，除供水温度50℃之外，其他温度工况下挡板在B位置时冷水出水温度较低，有利于提高CO2热泵热水器的COP。

图9　冷水出水温度随挡板位置变化的变化

3　结论

1）挡板将水箱内的“热区”和“冷区”分开，有助于水箱内的竖向温度分层，使水箱上部水温较高，为热用户提供更高温度的热水；使水箱下部水温较低，为CO2热泵热水器气冷器提供更低温度的冷却水，有助于提高系统的COP。

2）水箱纵向正中间（图3所示b位置）为活动挡板的最佳位置，挡板处在该位置时“热区”空间大，供给热用户的热水量较大，且热水温度较高，冷水出水温度较低，有利于提高CO2热泵热水器系统的COP。

3）挡板位置的变化对热水出水温度没有较明显的影响。

[1]吕静,任莹莹,杨杰.水箱水温对CO2热泵热水器性能影响的实验研究[J].制冷学报,2012,33(6):73-78

[2]吕静,周传煜,王伟峰.跨临界CO2热泵热水器的应用研究[J].节能,2009,(1):10-12

[3]王智平,陈丹丹,王克振.太阳能储热水箱温度分层的研究现状及发展趋势[J].材料导报A,2013,27(8):70-74

[4]姚春妮,郝斌,贾春霞.太阳能热水系统贮热水箱温度分层实验结果及分析[J].建筑热能通风空调,2009,28(S):196-200

Experiment Research of the Temperature Distribution Characteristics in the Tank with a Thermal Shield Baffle

YANG Jing-tao,MA Yi-ping,HAN Bing-kai
School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology

The distribution of temperature in the tank in different baffle locations and different temperature was studied by experiments.The space sizes of“hot sector”and“cold sector”and the temperature of the hot and cold water affected by baffle locations were also studied.The experiment shows the tank can divided into two sectors,“hot sector”and“cold sector”,effectively,which makes the temperature of“hot sector”higher in order to offer the user higher temperature water,and the temperature of“cold sector”lower in order to improve the COP of the system.Synthesizing the factors like temperature of the“hot sector”and quantity of the hot water,placed baffle in the middle of the tank is the best choose.Besides,the location change of the baffle has no effect on the temperature of the offer-hot-water.

water tank,baffle,temperature stratification

1003-0344（2015）06-008-4

2014-5-22

马逸平（1991～），男，硕士研究生；上海理工大学环境与建筑学院（200093）；E-mail:myp318@163.com

大学生创新创业训练计划（XJ2013206）