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不同固体材料蓄热砖的蓄放热特性分析

我国北方地区冬季燃煤耗能大,环境污染严重。为缓解燃煤锅炉对环境造成的压力,采用“煤改电”和低谷电蓄热的清洁供暖技术对于降低运行费用,平衡电网负荷具有重要意义[1]。

根据工作原理可将储热技术分为显热储热技术、潜热储热技术及热化学储热技术。显热储热技术是国内外研究较早、应用最多、成熟度较强的储热技术,常用的材料为液体储热材料和固体储热材料。液体储热材料以水最为常见,但在体积一定的条件下,其蓄热能力仅为固体储热材料的1/5左右。若对固体储热材料进行合理改善,蓄热能力还会得到显著增强[2-3]。

1、固体蓄热砖物理模型及工作过程

固体蓄热砖模型如图1所示。砖体模型由2个半圆形加热丝通道和1个梯形风通道交叉组成,固体蓄热,由若干块200mm×200mm×90mm的蓄热砖堆砌而成,固体蓄热装置如图2所示。

图片1.png

图1 蓄热砖三维模型


image.png

图2 固体蓄热装置

工作过程:蓄热时,关闭循环风机,利用低谷电能对蓄热砖内的加热丝进行恒功率加热,将电能转化为热能并储存起来;放热时,开启循环风机,让空气和蓄热砖进行对流换热,利用空气将蓄热砖储存的热量送给用户。为了比较氧化镁材料和氧化铝材料对蓄、放热特性的影响,对两种材质进行同结构、等体积的模拟。表1为氧化镁材料和氧化铝材料的物性参数[4]。

表1蓄热材料物理特性

蓄热材料

氧化镁

氧化铝

密度/(kg·m-3

3000

3000

比热容/(j·kg-1·℃-1

1000

1000

导热系数/(W·m-1·K-1

2.7

2.5

     2、蓄热过程的数学模型

      蓄热时,在半圆形通道内以恒功率对加热丝进行恒流加热,考虑到蓄热砖结构的对称性,故对加热丝通道和风通道的一半进行分析。固体蓄热砖的蓄热过程属于三维非稳态导热问题,导热微分方程[5]为

image.png(1)

式中,image.png为单位时间内蓄热砖热力学能的增量;image.png为通过界面的导热使蓄热砖在单位时间内增加的能量(扩散项);image.png为源项;t为氧化镁/氧化铝砖的温度;τ为时间;λ为热导率;x为氧化镁/氧化铝砖在长度方向上从表面至内部的距离;y为氧化镁/氧化铝砖在高度方向上从表面至内部的距离;z为氧化镁/氧化铝砖在宽度方向上从表面至内部的距离;ρ为氧化镁/氧化铝砖的密度;c为氧化镁/氧化铝砖的比热容;Q为电阻丝的加热功率。 

     3、放热过程的数学模型

砖体放热过程为流经风道处的空气与蓄热砖体表面进行的对流换热过程。因流动与传热问题中所求解的主要变量包括速度、温度等,所以流体控制方程可以采用如下通用形式[6]:

image.png

式中,ϕ为通用变量,可以代表u,v,w,T等求解变量;Γφ为广义扩散系数;Sφ为广义源项。

由于风道内的空气与砖体间的流动换热属于三维非稳态湍流流动问题,空间与时间均随湍流流动表现出不规律的脉动,故选用标准k-ε模型。在连续性方程、雷诺方程中应用湍流理论时,由于湍流的未知数变量大于方程数量,导致方程不封闭,难以求解,故附加湍流动能输运方程及湍流耗散率方程,使得方程封闭,具体方程如下[7]:

image.png(3)

image.png(4)

表2k-ε模型中的系数

cμ

c1

c2

σk

σε

σT

0.09

1.44

1.92

1.0

1.3

0.9~1.0

4、蓄热过程数值模拟及云图分析

本文采用Ansys Workbench对蓄热砖进行三维建模,对加热丝孔道及风通道进行结构划分并将其导入到Transient Thermal有限元软件,对单块蓄热砖进行材料定义,分别定义表1中两种材质蓄热砖的材料属性。在蓄热过程中,假设加热丝热源与蓄热砖连续且均匀,蓄热体自身的保温性能良好,与外界环境绝热,两种材料的物性参数均为恒定常数,同时设定两种材料的热导率、比热容和密度。由于固体蓄热砖是在恒功率下恒流加热,设热流密度为边界条件,外壁面绝热,蓄热过程中的初始温度为22.2℃,初始环境温度为22℃,计算过程中的时间步长为360s,加热时长为10h[5]。采用标准六面体结构网格对其进行划分。在蓄热时设定加热时长,仅研究温度分布对蓄热砖蓄热特性的影响。在封闭条件下,蓄热过程会有极少的热量损失,因此蓄热砖的对流换热系数数值极小,在蓄热数值模拟中暂不考虑。

      图3为两种固体材料蓄热砖蓄热10h后砖体温度分布云图。

image.png

a 氧化镁砖 

image.png

b 氧化铝砖

图3  两种材料蓄热砖蓄热10h后温度分布


由图3可知:两种材料蓄热砖以恒功率开始加热后,穿插在平行孔内的电阻丝开始向外传递热量,与电阻丝接触的蓄热砖壁面接触高热量热流,热量由下向上传递到砖体;在蓄热砖受热升温的非稳态导热过程中,热量在电阻丝与砖体壁面处进入,沿途不断地被吸收,使整个砖体温度升高,最终达到各点温度稳定为止;由于所选取的氧化镁砖和氧化铝砖的导热系数及单位体积的物体温度升高1℃所需的热量均为定值,在进行数值模拟时,热扩散率不变。

综上所述,氧化镁砖和氧化铝砖在蓄热时,二者的温度分布均匀,经过10h后,氧化镁砖的最高温度和最低温度均高于氧化铝砖,说明氧化镁砖的蓄热性能优于氧化铝砖。

     5、放热过程数值模拟及云图分析

对砖体放热过程进行数值模拟,在设置边界条件时,选取风道表面作为对流面,对流换热系数为50W/(m2·℃),环境温度为20℃。假设砖体在保温性能良好的环境中,外壁面绝热,初始温度为800℃,时间步长为360s,因仅研究两种材料砖体放热过程温度变化情况,故砖体热源边界条件参数暂不考虑。放热10h后两种材料砖体温度分布如图4所示。

image.png

a 氧化镁砖

image.png

b 氧化铝砖


图4  两种材料蓄热砖放热10h后温度分布


由图4可知:在放热过程中,两种材料砖体温度分布均匀,砖体内各点温度随时间不断变化,起始时刻砖体温度与环境温度相差较大,温度下降趋势较明显;随着时间的递增,砖体温度向环境温度慢慢靠拢,温度下降趋势较小,最终达到稳态,散热较均匀。10h后,氧化镁砖的最低温度小于氧化铝砖,这说明以相同的初始温度进行放热,在经过相同的时间内,氧化镁砖具有快速放热的能力,优于氧化铝砖。

图5是两种材料蓄热砖放热10h后的温度曲线。

image.png

A 最高温度


image.png

B 最低温度

图5  两种材料蓄热砖放热10h后的温度曲线


由图5可知:在放热过程中,两种砖体的温度随时间的增加而减小;当t在0~25000s内,由于初始温度较高,与环境温差较大,温度下降较快;当t在25000~36000s内,温度下降到一定数值,与环境温差较小,温度下降幅度较慢,在t=10h达到最小温度;氧化镁砖在设定时长下的最高/最低温度均小于氧化铝砖,放热时的热量扩散效果好,故氧化镁砖的放热性能优于氧化铝砖。

  6、结论

(1)氧化镁砖和氧化铝砖以相同的体积和砖体结构进行蓄热,经过相同的加热时长后,氧化镁砖的蓄热最高温度大于氧化铝砖,可见氧化镁砖的蓄热特性优于氧化铝砖。

(2)通过蓄热砖体模型比较两种砖体的放热能力,当在初始温度一致时放热相同的时间,氧化镁砖的最低温度小于氧化铝砖,热量扩散效果较好,可见氧化镁砖的放热性能优于氧化铝砖。

image.png


[1]徐德玺,金映丽,邢作霞,等.基于有限元的固体电蓄热装置蓄热模拟及实验[J].机械工程与自动化,2016(4):23-25.

[2]凌浩恕,何京东,徐玉杰,等.清洁供暖储热技术现状与趋势[J].储能科学与技术,2020,9(3):861-868.

[3]赵广播,董芃,白胜喜,等.电热固体蓄热装置放热过程的实验研究[J].电站系统工程,2003,19(6):13-14.

[4]赵頔,王启民.基于ANSYS分析的蓄热砖蓄热特性数值模拟及实验研究[J].沈阳工程学院学报(自然科学版),2020,16(2):34-38.

[5]苏俊林,张亚仁,胡月红.固体蓄热式电锅炉蓄热模拟及实验[J].热能动力工程,2007(6):638-641.

[6]陶文铨.数值传热学[M].2版.西安:西安交通大学出版社,2001.

[7]胡思科,邢姣娇.固体蓄热装置的蓄、放热特性数值模拟分析[J].流体机械,2014,42(8):78-83. 

Analysis and Comparison of Heat Storage and Heat Release

Characteristics of Different Solid Material Heat Storage Bricks

ZHAO Dia , WANG Qiminb , WANG Dia , QIU Zhenglina , XU Penga

a. School of Energy and Power; b. Graduate Department, Shenyang Institute of Engineering, Shenyang 110136, Liaoning Province

Abstract:Based on the method of numerical simulation, the heat storage and heat release characteristics of solid materials of the same volume and structure, such as magnesia and alumina bricks are studied. The results show that the maximum heat storage temperature of magnesia bricks is greater than that of alumina bricks and the lowest heat release temperature is less than alumina bricks after the same time. The heat storage and heat release characteristics of magnesia bricks better than alumina bricks, and it has certain guiding significance for the optimization of solid heat storage materials.

Keywords:Heat storage brick; solid material; heat storage; exothermic

来源:中国知网