1 前言
　　工業生產過程排出的余熱一般波動很大，而且與用熱負荷的波動并不同步，所以實現工業余熱的回收利用時，通過蓄熱以平衡波動是經常遇到的工作。在能源應用工作者的努力下已產生了很多蓄熱方法；但在選用時由于具體條件的要求和限制，常需進行原型的改善以獲得可靠和經濟的結構。筆者在完成某工廠的工業余熱利用項目中選用了以水作為蓄熱工質的自然分導冷熱水置換式蓄熱器，經過研究改進其構造獲得了一些經驗。
　　本蓄熱裝置的任務是在余熱高峰時蓄存來自余熱回收系統的95℃熱水，在余熱產量少于用熱需求時將所存熱水取出以填補差額。供暖季的用熱負荷是房屋供暖，非供暖季是吸收式制冷所需熱源。設計的回水溫度是85℃。

2 自然分層冷熱水置換式蓄熱器
　　自然分層熱貯存箱是一個內部沒有分隔物的單個箱體。它依靠密度差而不是分隔物來維持貯箱上部熱液體與下部冷液體之間的分隔。箱上只有一個入口和一個出口，如圖1所示。蓄熱時來自余熱回收裝置的熱水由上部進入，箱內原有冷水由下部排出，回到余熱回收裝置。放熱時，來自余熱利用裝置的冷水由下部進入，箱內原蓄存的熱水由上部排出，送至余熱利用設備使用。無論箱內液體流動方向是自上而下還是自下而上的，均近似呈活塞狀流動。箱內容積交替地全部貯存熱水或全部貯存冷水；也可以同時貯存一部分熱水和一部分冷水。箱內永遠充滿水，容積得到充分利用。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 蓄熱與放熱

　　這種蓄熱器構造簡單，制造和運行的技術容易掌握，所以技術可靠性易于保證。不過，它是以液體作顯熱貯存介質的蓄熱器，其蓄熱量與其容積和蓄熱介質的進出口溫度差成正比。在自然分層條件下，冷熱水的混摻必然要發生，以致進出口溫差減小。這種混摻在冷熱水置換時尤其嚴重，因而就會降低蓄熱效率使蓄存一定熱量所需容積增大。并且，因取用時的熱水溫度降低而且不穩定，還需要采取輔助措施以滿足用熱設備對熱水溫度的要求。總之，混摻現象的輕重地影響余熱利用的投資，并在需要過多增大貯存容積時會因場地限制百不能實施。為了保留自然分層冷熱水置換式蓄熱器在技術可靠性上易于保證優點，并減少其混摻現象的不利影響，筆者對它的構造細部進行了改進并取得了成功。

3 減小冷熱水混摻的設計措施
　　首先，在箱的頂部和底部設置了擴散器。擴散器的主要作用是減少蓄熱介質在進入和排出箱體時引起的混摻。應盡可能使水流在箱體的整個橫斷面上均勻分布，減小紊流區厚度及主體段水流紊動。本文所述擴散器采用的是多孔板結構，水從眾多小孔中噴出，流速分布均勻。
　　為盡量減小箱體兩端紊流容積占總容積的比例，提高容積利用率，增大高徑比是有利的。由于場條件限制，實際蓄熱器外形尺寸為直徑3.5m、高8m。又因余熱回收系統特殊要求占用了一部分箱體容積，凈蓄水容積不足70m³。高徑比大于2。
　　在相同的供回水溫差下，如果蓄熱過程中介質流量偏小，在短暫的廢熱高峰期，來不及進入蓄熱器的熱量只能被排放掉。即使蓄熱器作得再大也無濟于事。所以增大介質流量有利于提高廢熱高峰時的蓄熱能力，減少排放掉的熱量，從而提高余熱回收率。但在蓄熱器箱體直徑一定的情況下，增大流量勢必增加兩端擴散器及箱體橫斷面上的流速，導致紊流區加在和流體混摻加劇降低蓄熱效率。本蓄熱器介質流量設計為40t/h，箱體橫斷面平均流速為1.3×10^-3m/s。

4 蓄熱器的運行曲線與效率
　　4．1 蓄熱曲線 圖2為根據1992年10月8日每50秒間隔微機采集記錄的數據繪制的蓄熱器詢問和頂部水溫變化曲線。從第0.1至0.8時共1.7個小時是一個蓄熱過程，在充入溫度為t5熱水的整個過程中，底部冷水溫度t6升高緩慢，只到蓄熱過程即將結束時才明顯地突然升高。這清楚地說明本蓄熱器蓄熱過程中的水流達到了自上而下地挖活塞狀流動，混摻程度很小。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 蓄熱溫度曲線

　　4．2 蓄熱效率 蓄熱效率定義為實際充熱量與理論充熱量之比[2]。蓄熱器的實際充熱量按下式計算：
　　 　　　　　　　　　　　　（1）
　　式中，C_c--蓄熱器的充熱容量；
　　W_c--充熱時蓄熱介質的流量；
　　C_tf--流體的比熱；
　　Τ_c--流熱時 間；
　　T_in，t_out--流體進出口溫度，此處分別等于t5和t6。
　　蓄熱器的理論充熱量為： （2）
　　式中 C_c^*--蓄熱器的理論充熱量；
　　T_in^*--進入流體的平均溫度；
　　t_out^*--蓄熱開始前蓄熱器內水的平均溫度。
　　蓄熱效率η_c為：
　　 　　　　　　（3）
　　根據圖2所示運行實測數據，按以上公式計算得到C_c=2984MJ，η_c =88%。