1 水蓄冷的方法

水蓄冷是利用水的顯熱實現(xiàn)冷量的儲存。因此，一個設計合理的蓄冷系統(tǒng)應通過維持盡可能大的蓄水溫差并防止冷水與熱水的混合來獲得最大的蓄冷效率。在水蓄冷技術中，關鍵問題是蓄冷罐的結構形式應能防止所蓄冷水與回流熱水的混合。為實現(xiàn) 這一目的，目前常用的有以下幾種方法：

1.1 多蓄水罐方法

將冷水的熱水分別儲存在不同的罐中，以保證送至負荷側(cè)的冷水溫度維持不變，多個蓄水罐有不同的連接方式，一種是空罐方式。如圖1a，它保持蓄水罐系統(tǒng)中總有一個罐在蓄冷或放冷循環(huán)開始時是空的。隨著蓄冷或放冷的進行，各罐依次倒空。另一種連接方式是將多個罐串聯(lián)連接或?qū)⒁粋€蓄水罐分隔成幾個相互連通的分格。如圖1b，圖中示出蓄冷時的水流方向。蓄冷時，冷水從第一個蓄水罐的底部入口進入罐中，頂部溢流的熱水送至第二個罐的底部入口，依次類推，最終所有的罐中均為冷水；放冷時，水流動方向相反，冷水由第一個罐的底部流出。回流熱水從最后一個罐的頂部送入。由于在所有的罐中均為熱水在上、冷水在下，利用水溫不同產(chǎn)生的密度差就可防止冷熱水混合。多罐系統(tǒng)在運行時其個別蓄水罐可以從系統(tǒng)中分離出來進行檢修維護，但系統(tǒng)的管路和控制較復雜，初投資和運行維護費作較高。

1.2 迷宮法

采用隔板把水蓄水槽分成很多個單元格，水流按照設計的路線依次流過每個單元格。圖2所示為迷宮式畜水罐中水流的路線。迷宮法能較好地防止冷熱水混合。但在蓄冷和放冷過程中有一個是熱水從底部進口進入或冷水從頂部進口進入。這樣易因浮力造成混合；另外，水的流速過高會導致擾動及冷熱水的混合；流速過低會在單元格中形成死區(qū)，降低蓄冷系統(tǒng)的容量。

1.3 自然分層法

利用水在不同溫度下密度不同而實現(xiàn)自然分層。系統(tǒng)組成是在常規(guī)的制冷系統(tǒng)中加入蓄水罐，如圖3a所示。在蓄冷循環(huán)時，制冷設備送來的冷水由底部散流器進入蓄水罐，熱水則從頂部排出，罐中水量保持不變。在放冷循環(huán)中，水流動方向相反，冷水由底部送至負荷側(cè)，回流熱水從頂部散流器進入蓄水罐。圖3b是蓄冷特性曲線圖?？v坐標為溫度，橫坐標為蓄水量的百分比。A、C分別為放冷循環(huán)時制冷機的回水和出水特性曲線；B、D分別為蓄冷循環(huán)時制冷機的回水和出水特性曲線。一般用蓄冷效率來描述蓄水罐的蓄冷效果。蓄冷效率的定義是蓄冷罐實際入冷量與蓄冷罐理論可用蓄冷量之比，即：蓄冷效率=（曲線A與C之間的面積）/（曲線A與D之間的面積）

一般來說，自然分層方法是最簡單，有效和經(jīng)濟的，如果設計合理，蓄冷效率可以達到85%-95%。

圖四所示為蓄冷罐和斜溫層內(nèi)溫度變化簡圖。斜溫層是冷水與熱水之間的溫度過渡層。明確而穩(wěn)定的斜溫層能防止冷水與熱水的混合，但斜溫層的存在降低了蓄冷效率。蓄冷系統(tǒng)能否在高效率系統(tǒng)能否在高效率下保持正常而穩(wěn)定的工作主要取決于頂部和底部散流器的設計和蓄水罐的設計。散流器用于均布進入罐中的水流，減少擾動和對斜溫層的破壞。

1.4 隔板法

在蓄水罐內(nèi)部安裝一個活動的柔性膈膜或一個可移動的剛性隔板，來實現(xiàn)冷熱水的分離，通常隔膜或隔板為水平布置。這樣的蓄水罐可以不用散流器，但隔膜或隔板的初投資和運行維護費用與散流器相比并不占優(yōu)勢。

2 散流器的設計

自然分層的蓄水罐需要用散流器將水平穩(wěn)地引入罐中，依靠密度差而不是慣性力產(chǎn)生一個沿罐底或罐頂水平分布的重力流，形成一個使冷熱水混合作用盡量小的斜溫層。在0-20°C范圍內(nèi)，水的密度差不大，形成的斜溫層不太穩(wěn)定。因此要求通過散流器的進出口水流流速足夠小，以免造成斜溫層的擾動破壞，這就需要確定恰當?shù)腇r數(shù)和散流器進口高度h，確定合理的Re數(shù)來避免斜溫層品質(zhì)的下降。

Fr數(shù)是表示作用在流體上的慣性力與浮升力之比的無因次準則數(shù)。YOO等人也證實：Fr<=1時，浮升力大于慣性力，可很好地形成重力流；Fr數(shù)的定義由下式給出下式給出：

式中Q為最大進口流量，m³/s;L為散流器有效長度，m；g為重力加速度，m/s²；h_i為最小進口高度，m；ρ_i為進口水密度，ρ_a為罐內(nèi)水密度，Kg/m³；

對于確定的流量和散熱器長度，通過Fr數(shù)可以確定所需的進口水高度。進口高度H的定義參見圖4及圖5，進口高度h的選擇必保證Fr數(shù)不大于2。Wildin和Truman通過試驗證明，較低的進口Re數(shù)有利于減小斜溫層進口側(cè)的理想的分層效率，進口Re數(shù)在240-280時能取得理想的分層效果。Re數(shù)的定義由下式給出；

Re=q/v(2)

式中q為散流器單位長度上的流量，m³/s；v為進口水的運行粘度，m²/s。

對于確定的流量，可以通過調(diào)整散流器的有效長度得到所需的Re數(shù)。

在設計中要注意散流器的開口方向，盡量減少進水對罐中水的擾動。通常頂部散流器的開口方向朝上，避免有直接向下沖擊斜溫層的動量，底部散流器的開口方向朝下，避免有直接向上的動量。散流器管的開口一般為90-120°C，參見圖5。

常用散流器的型式有：八邊式、h式，徑向盤式和連續(xù)槽式等。圖6和圖7為其中兩種。八邊式適用于圓柱體蓄水罐。H式適用于立體蓄水罐。在應用中，也可以根據(jù)具體的情況，散流器來滿足實際要求。例如：廣東新北江制藥廠的制冷系統(tǒng)中蓄水罐所用的外壁全周配水裝置，配水口設置在蓄水罐的外壁，配水口設置在蓄水罐的外壁，配水流道采用近外殼狀的變截面流道結構。入口水Fr數(shù)為0.34蓄水分層穩(wěn)定可靠。

3 自然分層蓄水罐的設計

蓄水罐設計考慮的因素有：形狀，安裝位置，材料和結構等。

3.1 形狀

最適合自然分層的蓄水罐的形狀為直立的平底圓柱體。與立方體或長方體蓄水罐相比。圓柱體在同樣的容量下，面積容量比小，蓄冷罐的面積容量比最低。單位容量比小，蓄冷罐的面積容量比越小，熱損失就越小，單位冷量的基建投資就越低。其他形狀的蓄冷罐也可以用于自然分層，但必須采取措施防止由罐壁的斜坡或曲面所帶來的進口水流的垂直運動。球狀蓄水罐的面積容量比最小，但分層效果不佳，實際應用較少，立方體和長文體的蓄水罐可以與建筑物一體化，雖然損失較大，但可以節(jié)省一個單獨蓄水罐，從而節(jié)省基建投資。

蓄水罐的高度直徑比是設計時需要考慮的一個形狀參數(shù)，一般通過技術經(jīng)濟比較來確定。斜溫層的厚度蓄水罐的尺寸無關，提高高度直徑比降低了斜溫層在蓄水罐中所占的份額，有利于提高蓄冷的效率，但在容量相同的情況下增加了蓄水罐的投資，提高高度直徑帶來的一定的難度。

3.2 安裝位置

由于水蓄冷采用的是顯熱儲存，蓄水罐的體積較用于相變儲存的罐要大得多。因此安裝位置是蓄水罐設計時所考慮的重要因素。如空間有限，可在地下或半地下布置蓄水罐。對于新的項目，蓄水罐與建筑物的一體化能降低投資。這比單獨新建一個蓄水罐要合算。

3.3 材料結構

常用的蓄水罐為焊接鋼罐，裝配式預應力水泥罐和現(xiàn)場澆筑水泥罐。鋼罐良好的導熱性能會影響蓄冷效率，對于體積較小的蓄水罐這種影響較明顯，水泥罐的絕熱性能田間，地下布置時熱損失不會很大，但水泥罐的絕熱性能同時會造成斜溫層品質(zhì)的下降。選擇蓄水罐材料需要考慮的因素有：初投資、泄漏的可能性，地下布置的可能性和現(xiàn)場的特定條件。

4 應用實例

文獻[6]和[7]介紹一個在原有制冷系統(tǒng)上增加自然分層蓄冷罐的改造項目，它位于美國得克薩斯一家光電子制造廠，1990年8月蓄冷系統(tǒng)開始運行。蓄水罐為圓柱形預應力水泥罐，體積10161m³,地下布置，其蓄冷容量為380100MJ（3000rt·h）。罐內(nèi)采用八邊散流器，如圖6所示。散流器管開口角度120°。冷水溫度4°C。冷熱水溫差為10°C，蓄冷效率達到92%。圖解是整個系統(tǒng)的連接圖。新系統(tǒng)利用了原有的4臺制冷機。其中兩臺4224KW（1200rt），兩臺3168KW（900rt）。系統(tǒng)投入運行后，與改造前相比第一年降低了3011000kwh,整個蓄冷改造項目的總投資包括設計、安裝、調(diào)試、水處理等，在內(nèi)共167萬美元。除去當?shù)仉娏窘o予該項目的補貼62.05萬美元，凈投資為105.95萬美元，第二年節(jié)約22.15萬美元。預計不超過5a就可以回收凈投資。

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