多孔介质对太阳池热盐扩散影响实验研究

第50卷 第1期 2 01 0年 1月 大 连 理 工 大 学 学 报 Journal of Dalian University of Technology Vo1．50， No．1 Jan． 2 0 1 0 文章编号 ：1000—8608(2010)O1—0046—06 多孔介质对太阳池热盐扩散影响实验研究 孙 文 策 ， 史 玉 凤 ， 李 楠 ， 卜 一 凡 (大连理工大学 能源与动力学院 ，辽 宁 大连 116024) 摘要 ：研究在太阳池底部增设多孔介质水层对太阳池热盐扩散的影响及对水体的传热特性 和温度 分布 的影响．实验结果表 明，多孔介质水层可以起到隔热保 温作用．测量 了石子水层和 炉渣水层的热扩散率和导热系数，验证了炉渣水层的隔热保温性比纯水强；通过观测有多孔 介质层与无多孔介质层以及不同材质、不同尺寸多孔介质等情况下的盐扩散规律，发现多孔 介质层明显抑制了盐的扩散，有利于盐梯度的保持． 关键词：多孔介质；太阳池；热扩散；盐扩散 中图分类号 ：TK512．4 文献标志码：A O 引 言 盐梯度太阳池是一种具有一定盐浓度梯度的 水池式太阳能收集和贮存系统．太 阳池不可避免 地会向四壁和土壤散热．在太阳池四壁加设保温 层 ，可以减小热量通过四壁散失的比例．另外太阳 池的面积越大 ，热量通过四壁散失的比例越小．虽 然有学者指出，太阳池向土壤散失热量 ，在稳定工 况下，太阳池池下土壤对跨季度蓄热起相当大 的 作用n]，但对于中小型太阳池或非常年连续运行 的太阳池，传人太阳池底土壤中的热量是很难提 取和利用的．而在太阳池利用的初期 ，中小型太阳 池或非常年运行的太阳池是大量使用的．因此研 究减少向池底土壤的传热对于提高太阳池的热利 用效率具有重要意义．太阳池的稳定运行中，盐梯 度的保持十分重要．为了保持太阳池的盐梯度需 要大量 的盐 ，而盐 的成本一般 占太 阳池造价 的 1／4～1／3[引．盐扩散过程损害盐梯度 ，热扩散 的存 在使得损害更严重 ]，因此研究减缓盐扩散的方 法是必要 的．全 饱 和太 阳池[4]、隔膜 分 层 太 阳 池嘲、凝体太阳池嘲都为解决盐扩散的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 而提 出，但由于各自的缺点而未被广泛采用．SafiL7 用 玻璃小球来研究 多孔介质对太 阳池稳定性的影 响，其模拟实验表明玻璃小球的存在可以减缓盐 扩散．本文选用廉价易得的石子和炉渣作为多孔 介质 ，通过实验研究多孑L介质水层对太阳池热盐 扩散的影响规律． 1 多 孔介 质 水层 热 量 传递 实 验研 究 1．1 温度分布实验 太阳池向池底土壤的传热主要是靠热传导． 一 般太阳池的底部为下对流层(LCZ)，由于盐梯 度小而存在对流运动，根据传热的基本原理，贴近 池底通常存在一以导热为主的薄水层．太阳池的 下对流层温度较高，其一部分热量通过非对流层 向上传出水面，另有部分热量通过以导热为主的 薄水层向下传人池底 的土壤．为了研究在太阳池 内底面上铺设多孔介质 ，形成多孔介质水层对太 阳池向池底传热的影 响，本文设计 制造 了如 图 1 所示 的模拟实验装置．实验过程 中，容器内充满 水 ，在底层增设多孔介质，形成多孔介质水层 (对 比实验则没有多孔介质)，热量由顶部加热板以恒 定功率供给，容器内壁用 3O mm厚的挤塑板保 温，以防止热量沿容器壁向下传递．另外在容器底 部用冷却水带走向下传递的热量，以加快热量向 收稿 日期 ：2007-11-09； 修回 日期：2009—12—07． 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目(50676016)． 作者简介 ：孙文策 (1946一)，男 ，教授 ，博士生导师 ；史玉凤 (1982-)，女，博士生，E-mail：shiyufengl1@163．com． 第1期 孙文策等：多孔介质对太阳池热盐扩散影响实验研究 下传递的速度．实验过程中冷却水的流速很慢且 控制为恒定．多孔介质层分别是海边的石子和工 业废物炉渣．在实验容器的不同深度安置 T型热 电偶，测量不同时间不同深度的温度，尽量保证热 电偶测点不与多孔介质相接触，使热电偶测量的 是多孑L介质水层 中水的温度．实验时间均为从早 8：O0到晚 8：OO，并保持室温为 17℃． r／ⅡIiIl 图2 有炉渣层和无炉渣层情况下水的温度 分布(以底部为基准) Fig．2 Temperature distribution of water with and without slag layer based on the bottom 图 3 有炉渣层和无炉渣层情况下水 的 温度分布(以加热板底面为基准) Fig．3 Temperature distribution of water with and without slag layer based on heating plate bottom 图2、3中虚线代表无炉渣的情况，实线代表 有炉渣的情况．由图 2可知 y 相 同时有炉渣的温 度明显低于无炉渣 的．如果在真正的太阳池底层 投加多孔介质炉渣 ，就可 以使 太阳池底层接近土 壤部分的温度比不投加炉渣时的温度低，减少其 向池底土壤传递的热量． 由图 3可见距离加热板较 近处 (即 y 较小 时)无炉渣层的温度较有炉渣层的温度高 ，但是进 入炉渣层一定深度后 (即 y 较大时)有炉渣层 的 温度就比无炉渣层的温度高．这表明炉渣水层 的 隔热保温作用比纯水的好． 多孔介质为石子的实验结果与多孔介质为炉 渣的结果类似．图4为多孔介质为石子和炉渣情 况下多孔介质层 内的温度 T随时间t的变化． t／min 图4 有石子层和有炉渣层水的温度比较 Fig．4 Temperature comparison of water with slag layer and with cobble layer 图 4与图 3相同，也以加热板底面为基准，即 8 2 6 O 4 8 2 6 O ∞ ∞ 引 ∞ ∞ 四 大 连 理 工 大 学 学 报 第50卷 以 A面为原点 ，垂 直向下为正方 向．多孔介 质为 石子时 ，热电偶与加热板底面的距离超过 79 mm 后进入石子水层 ；多孔介质为炉渣时，热电偶与加 热板底面的距离超过 72 mm后进入炉渣水层 ，即 图 4中的 6条曲线均为多孔介质水层内的温度曲 线．实线表示多孔介质为炉渣的情况，虚线表示多 孔介质为石子的情况．两次实验 中水的初始温度 和周围环境状态都相同．从图中可以发现多孑L介 质为炉渣时的温度比多孔介质为石子时的高 ，说 明炉渣水层的隔热保温效果 比石子水层的好 ，炉 渣和水的混合物的热扩散率 比石子和水的小． 炉渣在向太阳池中投加之前应该进行适当的 清洗．实验证 明不管先将炉渣置于池底再加入浓 盐水 ，还是先加入浓盐水再 向水中投加炉渣，炉渣 都不会漂起来 ，而且炉渣的加入也不会引起池水 浊度的增加． 测量进出口冷却水的温度和流量，就可以计算 出冷却水带走的热量．有炉渣层和无炉渣层冷却水 带走的热流量 q随时间t的变化如图 5所示． 图5 有炉渣层和无炉渣层冷却水带走热量 的 比较 Fig．5 Comparison of heat carried away by cooling water with and without slag layer 由图 5可见有炉渣层冷却水带走的热量 比无 炉渣层冷却水带走 的热量小得多，说 明炉渣层 的 存在起到了一定 的隔热保温作用．由图 2知有炉 渣层时池底的温度低于无炉渣时池底的温度 ，而 下面冷却水的温度基本保持不变，有炉渣层的传 热温差小于无炉渣层的传热温差，所以有炉渣层 的传热量小于无炉渣层的． 1．2 多孔介质水层导热系数的测量 导热系数是 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 导热能力的标志．现有的导 热系数测量仪 都不能测量本文多孔介质水层的 导热系数．为此本文根据半无限大物体导热原理 设计了如下实验装置 ，近似测量了多孔介质水层 的热扩散率和导热系数．实验装置示意图如 图 6 所示．水槽和托盘的面积较大 ，测点距加热托盘的 底面较近 ，实验中要保持托盘与多孔介质水层相 接触． 挤塑板 热电偶 多孔介质 一一 一 一； 888o∞ooo 5营5 5 图 6 导热系数实验装置示意图 Fig．6 Schematic diagram of experimental facility for the thermal conductivity 实验开始时向带有加热器的托盘中倒入沸腾 的水，同时加热器开始工作以保持托盘中的水一 直沸腾 ，从而使托盘上表面温度 T。维持恒定．半 无限大物体的不稳定导热公式如下 ： 0 一篇Ti T—r( 2 ) ㈣ i —f ⋯＼~／酊， ⋯ 式中： 为过余温度；0i为初始时刻的过余温度；T 为半无限大物体内任一点不 同时刻的温度；Ti为 半无限大 物体 的初 始温度 ； 为恒 温热源 的温 度 ；z为距恒温热源面的距离 ；“为热扩散率；r为 加热时间．把加热托盘 向多孔介质内的传热过程 在一段时间和一段距离内近似看成是半无限大物 体的不稳定导热计算．已知测点到薄壁托盘下表 面的距离 、测量测点的温度和记录加热时问就可 以计算出多孔介质 的热扩散率．在测量多孔介质 水层的参数之前先测量纯水的参数来校核实验系 统．本实验中加热托盘的底面积为 0．15 m ，托盘 壁厚为 0．6 mm，测点到加热托盘底面的距离 为 20～33 mm，加热时问为 800 1 300 S．纯水热扩 散率的测量值与参考文献值的误差均小于 5％， 说明该系统可以用来近似测量多孔介质水层的热 扩散率． 利用该系统测量多孔介质水层的热扩散率， 得炉渣水层 的热扩散率为 l7．O2×lO m ／s，石 子水层的热扩散率为 34．75×i0 m。／s，而纯水 的(查参考文献)热扩散率为 14．3X10 m ／s． 热扩散率与导热系数之间有如下关系： 第1期 孙文策等：多孔介质对太阳池热盐扩散影响实验研究 a— ／ f (2) 式 中： 为导热系数；a为热扩散率；p为密度 ；c为 比热容．石子水层 以及炉渣水层的平均密度均 由 实验测得，其比热容由下式计算： C一 (3) = —————————■———————一 L 0， ?n 1 ‘一 m 2 式中：c为混合物的比热容；c 、m。为组分一的比 热容和质量；c 、m。为组分二 的比热容和质量．利 用上式计算得石子水层和炉渣水层的导热系数分 别为 1．06 W／(m ·K)和0．551 w／(m ·K)．而纯 水的导热系数为 0．599 w／(m ·K)．炉渣水层 的 导热系数 比纯水的导热系数小 ，说明炉渣水层起 到了比纯水更有效的隔热保温作用．虽然石子水 层的导热系数 比纯水的导热系数大，但是也能起 到一定的隔热保温作用 ，因石子的加入导致整体 热阻的增加． 2 多孔介质 水层 对盐扩散影 响的实验 本文进行了底部有多孔介质层和无多孔介质 层 的盐扩散的对 比实验研究．在实验容器 中模拟 真正太阳池灌注 3层不同盐度的水．顶层为淡水 ， 22 mm厚 ，盐度为 0；中间是盐度为 l1．3 的盐 水 ，44 mm厚；底层是盐度为 25 的浓盐水．进行 多孔介质实验时，加入多孔介质后 ，多孔介质层表 面与底层浓盐水液面齐平．由于各种多孔介质的 孔隙率不同，底层高度不同．实际太阳池中多孔介 质层只能占底部浓盐水层 的一部分 ，本实验初始 让各种多孔介质层表面与底层浓盐水液面齐平是 为了更容易区别不 同多孔介质对盐分向上扩散速 度的影响．上述盐水静置一段时问，测量不同深度 的盐度．实验容器表面密封 ，以避免蒸发使表面盐 度增大．盐度测量仪器为 WZ一212ATC型手持式 折射仪．取样装置为普通医用注射器下接吸管 ，把 吸管底部密封 ，在底部偏上 2 mm处开一圈tJ,~L， 以使取得水样在同一水平面上． 2．1 不同材质多孔介质的情况 本实验中使用的多孔介质有海边的石子(平 均直径 25 mm、孑L隙率 4O．7 )、工 业废 物炉渣 (平均直径 25 mm、孔隙率 64．3 )、陶瓷球(外形 球形、直径 lO mm、孔隙率 56．7 9／6)． 不同材质的多孔介质底层高度如下 ：含石子 177 mm，含炉渣 l12 riqm，含陶瓷球 127 1Tim，没有 多孔介质 72 mm，4种情况的浓盐水量相等． 以水面为原点 ，垂直向下为正方向，有陶瓷球 与无陶瓷球在 22、56和 126 mm处的盐度 S随时 间 t的变化如图 7所示． 图 7 有 陶瓷球 与无陶瓷球情况下的 盐度变化 Fig．7 Salinity variety of water with and without ceramic balls 图 7中虚线表示无陶瓷球 的情况，实线表示 有陶瓷球的情况．从 图 7可以看出随着静置时间 的加长有无陶瓷球 的盐度都是趋于均匀化的 ，但 是无陶瓷球的较有陶瓷球 的盐度趋于均匀化的速 度更快．多孔介质为石子和炉渣时，盐度变化也类 似． 以水面为原点 ，垂直向下为正方向，有多孔介 质和无多孔介质经过 27 d后 ，在 同一时间不同深 度 z情况下盐度 S分布如图 8所示． x／mm 图 8 静置 27 d后有 多孔介质和无多孔介质 的盐度分布 Fig．8 Salinity distribution of water with and without porous media after stewing 27 d 由图 8可以看 出水面 以下 66 mm 厚范围内 盐度都有不同程度的增加，其中无多孔介质 (只 大 连 理 工 大 学 学 报 第50卷 有水)的盐度增加得最多，说明盐分向上扩散最 快 ；有炉渣的次之；有石子的增加得最少，说明盐 分向上扩散最慢．实验结果表明以上 3种多孔介 质都有效地抑制了盐分向上的扩散，其中，石子最 佳，陶瓷球次之，即孑L隙率越小，多孔介质越厚，抑 制盐扩散的效果越好．一般太阳池都是从下对流 层的下部补充盐分的，当盐分从多孔介质下部补 充时，由于多孔介质抑制了盐分向上扩散，节省了 盐分的消耗． 经计算得出各层的平均盐梯度如表 1所示． 表 1 不同多孔介质情况下各层的盐梯度 Tab．1 Salt-gradient of layers with different porous media ／mm 由上表可以看 出在中间层和底层有多孔介质 情况下的盐梯度都明显大于无多孔介质情况下的 盐梯度 ，说明施加多孔介质层可以抑制盐分 的扩 散 ，有利于中间层保持足够大的盐梯度． 2．2 相同材质不同粒度多孔介质的情况 本实验中使用的多孑L介质有大粒径陶瓷球 (直径 10 mm，孔隙率 56．7 )和小粒径陶瓷球 (直径 5 mm，孔隙率 53．7 )．不同多孔介质底层 高度如下 ：含大粒径陶瓷球 51 mm，含小粒径陶 瓷球 54 mm，无多孔介质 29 mm．两种陶瓷球的 孔隙率相差不大． 以水面为原点，垂直向下为正方向，多孔介质 材料相同、粒径不 同情况下同一时间不同深度 z 处的盐浓度 S分布如图 9所示． x／mm 图9 静置 15 d后不同深度盐度分布 Fig．9 Salinity distribution of water in different depths after stewing 1 5 d 从图 9可以看出多孔介质层 明显地抑制了盐 扩散；也可以看出孑L隙率较小的陶瓷球抑制盐扩 散的效果较好 ，但两条曲线很接近．两种多孑L介质 颗粒大小相差悬殊，孔隙率相差不大，而盐度曲线 相接近 ，说明颗粒度对盐扩散的影响较小．另外用 海边 的大石子(平均直径 25 mm，孔隙率 40．7％) 和小石子(平均直径 10 mm，孔隙率 38 )所做的 上述实验得出的规律相同． 3 有 多孔 介 质 层 的 太 阳 池 传 热 传 质 特 点 太阳池增加多孔介质层以后，传统的 3层模 型Lg](上对流层、非对流层和下对流层)已不再适 用 ，应该用增加了多孔介质层的 4层模型(上对流 层 、非对流层、下对流层和非对流多孑L介质层)来 代替原来的模型． 太阳池内非对流层的传热过程可以看做一 维、非定常、有内热源的导热问题，传热方程如下： pc aT一口+ ( ) (4) 一口十 I^瓦J 式中：g是单位时间单位体积产生的热量 ，当太阳 池底层有多孔介质层时 ，在多孔介质层中 q的值 为零 ； 是多孔介质水层的导热系数 ；z为太 阳池 池深． 太阳池内的传质方程 可表示为 一 一 · J一一 ·(VC。一 D c。) (5) 式中：J是质量流量 ；’，是速率 ；c。是溶液浓度；D 是扩散系数．在 多孔介质层内，当有浓盐水加入 时，速度 ’r与浓盐水的喷入速度和多孔介质的几 何特性有关，根据具体情况可以得出其表达式．在 没有浓盐水加入时，速度 '，为零，液体密度变化仅 取决于分子扩散．由于多孔介质表面的吸附作用 阻碍了盐的扩散，有多孔介质层的太阳池内盐的 浓度变化较慢．在多孔介质中的传质过程 比较复 杂，扩散系数 D 目前只能用实验 和经验公式确 定． 4 结 论 (1)多孔介质水层可以削弱热量向池下土壤 的传递；炉渣水层 的导热系数比纯水 的导热系数 更小 ，可以起到很好的隔热保温作用． 第1期 孙文策等：多孔介质对太阳池热盐扩散影响实验研究 S1 (2)多孔介质水层对盐扩散有抑制作用，延 长了盐分扩散均匀 的时间．在太阳池 内增加多孔 介质层可以降低太阳池的耗盐量，减少太阳池的 运行成本． (3)多孔介质颗粒大小对盐扩散影响不大， 多孔介质的孔隙率对盐扩散有重要影响；从抑制 盐扩散的角度看 ，石子水层 比炉渣水层效果更好． (4)太阳池增加多孔介质层以后，传统的 3 层模型已不再适用 ，代之应为增加 了多孔介质层 的 4层模型． 参考 文 献 [1]马文麒，李申生．太阳池和池下土壤 的跨季度蓄热 [J]．太阳能学报，1984，5(4)：358-367 [2]李 申生．我国太 阳池 的研究与应用[J]．太阳能， 1995(4)：14-15 [33 ANGELI C，LEONARDI E，MACIOCCO L． A computational study of salt diffusion and heat extraction in solar pond plants口]．Solar Energy， 2006，80(11)：1498—1508 Experimental research salt diffusion by installing [4]MEHTA G D． Performance of present-day ion-exchange membranes for power generation using a saturated solar pond [J]． Journal of Membrane Science，1982，l1(1)：107-120 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media layer with water can act as heat insulator and preserver．The thermal conductivity and thermal diffusivity of cobble layer with water and slag layer with water are measured， through which the experiment indicates that the thermal insulation performance of slag layer with water is better than that of water．Salt diffusion law with or without porous media Iayer or with porous media of different materials is discovered．The results show that porous media restrains salt diffusion obviously and is beneficial to keeping salt-gradient． Key words：porous media；solar pond；heat diffusion；salt diffusion