多孔布水器蓄冷水槽性能影响因素分析

　　水蓄冷是空调蓄冷的方式之一,具有经济、简单的优点,尽管蓄水槽的占地面积比较大,但是蓄冷效率一般能达到90%以上,在工业、机场等占地较大的建筑中有很好的节能效果。采用常见的多孔状布水器,在水蓄冷的过程中流体的掺混会降低蓄冷效率。描述水蓄冷流体掺混程度的参数混合系数大小取决于Fr数和Re数,Dorgan的设计指南根据布水器长度和入口高度给出了多孔状布水器设计的Fr数和Re数的取值范围,但在工程实践中发现这个范围并不正确。本文将对单孔出流流动进行分析,探索影响多孔状布水器效率的因素。

　　1 布水器设计原则

　　图1是一个典型的蓄冷槽的示意。充冷时冷流体从下方布水器流入蓄冷槽,热流体从上方布水器流出,冷热流体间由于存在密度差而形成自然分层。在运行中,布水器入口处冷热流体间通常会发生对流掺混,这种掺混可用混合系数Ein描述:

　　式中:a是导温系数;E是将流体混合引起的热交换等效于导热热交换所对应的系数。

　　混合系数是总的热损失与仅存在导热时的热损失之比,Ein越大表明蓄冷槽中的流体混合越严重,Ein非常大表明蓄冷槽处在极度恶化的状态,在此状态下进入蓄冷槽的冷流体迅速和槽内原有的热流体充分混合,导致蓄冷槽无法利用。Ein等于1是最小值,表示不存在混合损失的理想状态,在这个状态下冷流体以活塞流的形式沿蓄冷槽轴向流动,冷热流体毫不掺混蓄冷效率为100%。因此,工程实践中为了减少冷热水的掺混,布水器的设计要求Ein尽可能接近1。

　　图2是常用的八角形布水器平剖图;其中(a)表示了八角环形布水器的平面图,(b)表示了沿布水器径向剖面,(c)表示了沿布水器轴向的部分剖面。水由水分配管进入布水器,从布水器的出水孔均匀流出至蓄冷水槽中。

　　布水器的混合系数Ein通常可以通过实验归纳的经验公式计算。已有的研究[1-4]指出,布水器的Ein取决于入口的Fr数和Re数,并且入口Fr数对布水器的性能的影响比Re更大;为了确定Re数和Fr数,选择的定型尺寸通常为布水器的长度L和布水器的入口高度hi:

　　式中:q为单位管长的流量,m²/s;M为运动粘度,m²/s;Q为流量,m³/s;L为布水器长度,m;g为重力加速度常数,9.8m/s²;hi为入口高度,m;Qi为入口水流密度,kg/m3;ρa为水池内的水初始密度,kg/m³。

　　Dorgan的设计指南^[4]是目前蓄冷水槽设计较权威的文献,指南指出蓄冷水槽设计时要求Fr数和Re数分别小于2和850,但在实际应用中发现,当Fr取0.1~2.0时,Re的取值即使大于12500,设计的在蓄冷水槽在运行中依然能够取得较好的分层效果,因此可以认为,仅仅把布水器的长度L和入口高度hi作为确定Fr数和Re数的定型尺寸也许是不合适的,有必要进一步研究。