1 水蓄冷的方法

水蓄冷是利用水的顯熱實(shí)現(xiàn)冷量的儲(chǔ)存。因此，一個(gè)設(shè)計(jì)合理的蓄冷系統(tǒng)應(yīng)通過(guò)維持盡可能大的蓄水溫差并防止冷水與熱水的混合來(lái)獲得最大的蓄冷效率。在水蓄冷技術(shù)中，關(guān)鍵問(wèn)題是蓄冷罐的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)能防止所蓄冷水與回流熱水的混合。為實(shí)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(chǔ)存在不同的罐中，以保證送至負(fù)荷側(cè)的冷水溫度維持不變，多個(gè)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(gè)罐在蓄冷或放冷循環(huán)開(kāi)始時(shí)是空的。隨著蓄冷或放冷的進(jìn)行，各罐依次倒空。另一種連接方式是將多個(gè)罐串聯(lián)連接或?qū)⒁粋€(gè)蓄水罐分隔成幾個(gè)相互連通的分格。如圖1b，圖中示出蓄冷時(shí)的水流方向。蓄冷時(shí)，冷水從第一個(gè)蓄水罐的底部入口進(jìn)入罐中，頂部溢流的熱水送至第二個(gè)罐的底部入口，依次類推，最終所有的罐中均為冷水；放冷時(shí)，水流動(dòng)方向相反，冷水由第一個(gè)罐的底部流出?；亓鳠崴畯淖詈笠粋€(gè)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(yùn)行時(shí)其個(gè)別蓄水罐可以從系統(tǒng)中分離出來(lái)進(jìn)行檢修維護(hù)，但系統(tǒng)的管路和控制較復(fù)雜，初投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)作較高。

1.2 迷宮法

采用隔板把水蓄水槽分成很多個(gè)單元格，水流按照設(shè)計(jì)的路線依次流過(guò)每個(gè)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(guò)程中有一個(gè)是熱水從底部進(jìn)口進(jìn)入或冷水從頂部進(jìn)口進(jìn)入。這樣易因浮力造成混合；另外，水的流速過(guò)高會(huì)導(dǎo)致擾動(dòng)及冷熱水的混合；流速過(guò)低會(huì)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(shí)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(shí)，制冷設(shè)備送來(lái)的冷水由底部散流器進(jìn)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(dòng)方向相反，冷水由底部送至負(fù)荷側(cè)，回流熱水從頂部散流器進(jìn)入蓄水罐。圖3b是蓄冷特性曲線圖?？v坐標(biāo)為溫度，橫坐標(biāo)為蓄水量的百分比。A、C分別為放冷循環(huán)時(shí)制冷機(jī)的回水和出水特性曲線；B、D分別為蓄冷循環(huán)時(shí)制冷機(jī)的回水和出水特性曲線。一般用蓄冷效率來(lái)描述蓄水罐的蓄冷效果。蓄冷效率的定義是蓄冷罐實(shí)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(lái)說(shuō)，自然分層方法是最簡(jiǎn)單，有效和經(jīng)濟(jì)的，如果設(shè)計(jì)合理，蓄冷效率可以達(dá)到85%-95%。

圖四所示為蓄冷罐和斜溫層內(nèi)溫度變化簡(jiǎn)圖。斜溫層是冷水與熱水之間的溫度過(guò)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(shè)計(jì)和蓄水罐的設(shè)計(jì)。散流器用于均布進(jìn)入罐中的水流，減少擾動(dòng)和對(duì)斜溫層的破壞。

1.4 隔板法

在蓄水罐內(nèi)部安裝一個(gè)活動(dòng)的柔性膈膜或一個(gè)可移動(dòng)的剛性隔板，來(lái)實(shí)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(yùn)行維護(hù)費(fèi)用與散流器相比并不占優(yōu)勢(shì)。

2 散流器的設(shè)計(jì)

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(gè)沿罐底或罐頂水平分布的重力流，形成一個(gè)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(guò)散流器的進(jìn)出口水流流速足夠小，以免造成斜溫層的擾動(dòng)破壞，這就需要確定恰當(dāng)?shù)腇r數(shù)和散流器進(jìn)口高度h，確定合理的Re數(shù)來(lái)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(wú)因次準(zhǔn)則數(shù)。YOO等人也證實(shí)：Fr<=1時(shí)，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(jìn)口流量，m³/s;L為散流器有效長(zhǎng)度，m；g為重力加速度，m/s²；h_i為最小進(jìn)口高度，m；ρ_i為進(jìn)口水密度，ρ_a為罐內(nèi)水密度，Kg/m³；

對(duì)于確定的流量和散熱器長(zhǎng)度，通過(guò)Fr數(shù)可以確定所需的進(jìn)口水高度。進(jìn)口高度H的定義參見(jiàn)圖4及圖5，進(jìn)口高度h的選擇必保證Fr數(shù)不大于2。Wildin和Truman通過(guò)試驗(yàn)證明，較低的進(jìn)口Re數(shù)有利于減小斜溫層進(jìn)口側(cè)的理想的分層效率，進(jìn)口Re數(shù)在240-280時(shí)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(zhǎng)度上的流量，m³/s；v為進(jìn)口水的運(yùn)行粘度，m²/s。

對(duì)于確定的流量，可以通過(guò)調(diào)整散流器的有效長(zhǎng)度得到所需的Re數(shù)。

在設(shè)計(jì)中要注意散流器的開(kāi)口方向，盡量減少進(jìn)水對(duì)罐中水的擾動(dòng)。通常頂部散流器的開(kāi)口方向朝上，避免有直接向下沖擊斜溫層的動(dòng)量，底部散流器的開(kāi)口方向朝下，避免有直接向上的動(dòng)量。散流器管的開(kāi)口一般為90-120°C，參見(jiàn)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(yīng)用中，也可以根據(jù)具體的情況，散流器來(lái)滿足實(shí)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(shè)置在蓄水罐的外壁，配水口設(shè)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(jié)構(gòu)。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(shè)計(jì)

蓄水罐設(shè)計(jì)考慮的因素有：形狀，安裝位置，材料和結(jié)構(gòu)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(zhǎng)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(lái)的進(jìn)口水流的垂直運(yùn)動(dòng)。球狀蓄水罐的面積容量比最小，但分層效果不佳，實(shí)際應(yīng)用較少，立方體和長(zhǎng)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(gè)單獨(dú)蓄水罐，從而節(jié)省基建投資。

蓄水罐的高度直徑比是設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的一個(gè)形狀參數(shù)，一般通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來(lái)確定。斜溫層的厚度蓄水罐的尺寸無(wú)關(guān)，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(lái)的一定的難度。

3.2 安裝位置

由于水蓄冷采用的是顯熱儲(chǔ)存，蓄水罐的體積較用于相變儲(chǔ)存的罐要大得多。因此安裝位置是蓄水罐設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)于新的項(xiàng)目，蓄水罐與建筑物的一體化能降低投資。這比單獨(dú)新建一個(gè)蓄水罐要合算。

3.3 材料結(jié)構(gòu)

常用的蓄水罐為焊接鋼罐，裝配式預(yù)應(yīng)力水泥罐和現(xiàn)場(chǎng)澆筑水泥罐。鋼罐良好的導(dǎo)熱性能會(huì)影響蓄冷效率，對(duì)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(shí)熱損失不會(huì)很大，但水泥罐的絕熱性能同時(shí)會(huì)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(chǎng)的特定條件。

4 應(yīng)用實(shí)例

文獻(xiàn)[6]和[7]介紹一個(gè)在原有制冷系統(tǒng)上增加自然分層蓄冷罐的改造項(xiàng)目，它位于美國(guó)得克薩斯一家光電子制造廠，1990年8月蓄冷系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行。蓄水罐為圓柱形預(yù)應(yīng)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(kāi)口角度120°。冷水溫度4°C。冷熱水溫差為10°C，蓄冷效率達(dá)到92%。圖解是整個(gè)系統(tǒng)的連接圖。新系統(tǒng)利用了原有的4臺(tái)制冷機(jī)。其中兩臺(tái)4224KW（1200rt），兩臺(tái)3168KW（900rt）。系統(tǒng)投入運(yùn)行后，與改造前相比第一年降低了3011000kwh,整個(gè)蓄冷改造項(xiàng)目的總投資包括設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、水處理等，在內(nèi)共167萬(wàn)美元。除去當(dāng)?shù)仉娏窘o予該項(xiàng)目的補(bǔ)貼62.05萬(wàn)美元，凈投資為105.95萬(wàn)美元，第二年節(jié)約22.15萬(wàn)美元。預(yù)計(jì)不超過(guò)5a就可以回收凈投資。

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