固体蓄热装置放热特性的实验研究

叶祺贤, 马昕霞

(1.上海电力建设启动调整试验所有限公司, 上海 200335; 2.上海电力大学,上海 200090)

由于地理位置的特殊性,我国北方地区冬季寒冷,供暖周期长。尤其是北方的农村地区,居住分散,不能进行集中供暖,采用的供暖方式主要包括火炕、土暖气、火炉等。然而这些供暖方式也是造成北方地区冬季雾霾的重要原因,同时还带来垃圾堆积、煤气中毒、火灾隐患等一系列问题[1]。为了解决这些问题,政府出台了一系列政策,如 “煤改气”“煤改电”。对于北方农村的居民,由于居住的比较分散且基础设施落后等原因,在一定程度上限制了煤改气的实施。煤改电是指以空气源热泵采暖机组、电采暖以及电锅炉供暖的方式代替传统燃煤锅炉供暖[2]。近年来发现单独使用空气源热泵供暖系统也存在问题,如输配能耗较高、系统能效比低、热泵机组及水泵启停控制不合理等[3]。

采用固体蓄热装置,将晚上用电低谷时成本低廉的电能储存起来,在白天用电高峰时放出,同时用于居民的采暖。这样既可以有效缓解发电系统的供需矛盾,又可以使用户利用峰谷差电价降低用电成本。目前,国内外对固体蓄热装置的研究主要集中在蓄热能力的优化及蓄热过程的模拟。张培亭等人[4]对10 kW固体电蓄热装置的蓄热过程进行了实验研究。李鹏程等人[5]采用瞬态实验方法研究了3种排列角度(15°,30°,45°)下的扰流孔波纹板蓄热元件的传热性能。毕树茂等人[6]利用CFX程序对带电热板的矩形通道进行了流固耦合传热模拟。徐德玺等人[7]运用有限元法对固体蓄热装置的蓄热过程进行了模拟,得到了蓄热体在不同时刻的温度场。梁炬祥[8]采用数值分析与实验结合的方法,研究了3种不同的加热元件(矩形加热板、圆形加热板以及加热管)、热导率以及加热强度等因素对固体蓄热的影响。胡思科等人[9]对蓄热体建立二维模型,模拟分析了蓄热体放热孔形以及孔数对蓄放热性能的影响。杨小平等人[10]对蓄热介质采用蓄热球的蓄热过程中流固传热温差的形成原因进行了理论分析。苏俊林等人[11]研究了由耐火砖块砌筑蓄热式电锅炉的蓄热特性。秦志明等人[12]研究了锅炉在亚临界状态下蓄热的变化量随着压力变化以及锅炉蓄热系数随着压力变化的规律。GARCIA E L等人[13]研究了不同管径下蓄热体在层流和湍流状态下的对流热阻和导热热阻的变化规律。SOROUR M M[14]通过实验研究了小型固体蓄热单元(蓄热材料为石膏岩填充床)的工作性能。李晶晶等人[15]采用数值模拟的方法研究了在自然对流条件下开设的孔数和孔形对蓄热装置放热特性的影响。

综上所述,大量文献主要集中在对固体蓄热装置的蓄热性能的研究,对固体蓄热装置放热性能的研究较少。固体蓄热装置的放热性能直接影响其表面温度,进而影响室内的温度及房间的舒适度,因此研究固体蓄热装置的放热特性很有必要。本文设计了不同结构的固体蓄热体(体积相同,长度、高度不同),实验测量固体蓄热器放热状态下,不同结构参数对固体蓄热体温度的影响,以期为固体蓄热装置的结构设计提供参考。

1 固体蓄热实验装置及测点的布置

1.1 固体蓄热实验装置及设备

固体蓄热实验装置采用电阻丝加热方式,将电能转换为热能,通过辐射换热、对流换热方式将热量传递并存储于蓄热材料中,当需要利用这部分热量时,通过对流换热方式将空气加热。固体蓄热实验装置由蓄热装置、温控装置、热电偶、试验台、安捷伦数据采集器、电脑等单元构成。其中,温控装置由LU-924U记忆型测控仪和中间继电器组成。当电阻丝被加热到设定的最高温度时,温控装置会自动断开电源停止加热;当温度到达设定最低温度时又会自动加热。图1为实验测试系统。

图1 实验测试系统示意

蓄热体由4块标准高铝砖砌成,高铝砖的保温材料使用的是硅酸铝纤维毯。为了研究保温层厚度对放热特性的影响,实验中保温层厚度分别设为1 cm,2 cm,3 cm。为了分析比较蓄热体结构对放热速率的影响,设计了3种不同结构的蓄热体。这3种蓄热体体积相同,而长高比(L/H)不同。3种结构的蓄热体具体尺寸如表1所示。

表1 3种蓄热体的总体尺寸 单位:mm

蓄热体外部由一个长、宽、高都为500 mm,厚70 mm的不锈钢正方体框组成。这个正方体框模拟现实中的房间,设计为3层的保温结构,以减少实验过程中对外散热。

蓄热体内埋入镍铬材质的电阻丝用来加热蓄热体,并在蓄热体内埋入镍铬-镍硅K型热电偶用来检测蓄热体温度随时间变化的规律。采用热电偶来检测房间内的温度随时间变化的规律。采用Agilent 34972A安捷伦数据采集仪采集热电偶的温度,每15 s记录一组数据。选取一个距离蓄热体质心较近且方便操作的监测点作为参照。当该监测点的温度到达300 ℃时,断开电源停止加热电阻丝,然后记录蓄热体及房间空气温度随时间变化的规律;当温度降到室温稳定后停止实验。

1.2 实验测温点布置

1.2.1 不同保温层厚度的蓄热体实验测温点的布置

为了便于研究不同保温层厚度对蓄热体放热特性的影响,在蓄热体上设置6个温度检测点,以观察随着时间变化每组蓄热体的温度变化规律。同时,在正方体框中不同空间位置设置温度测温点,以便分析每组蓄热体对应的空间的空气温度变化规律。表2和表3分别为各个测温点的位置坐标。

表2 蓄热体表面中心各测温点的位置 单位:mm

表3 正方体框内各个测温点的位置 单位:mm

1.2.2 不同长高比的蓄热体实验测温点的布置

为了分析不同L/H的蓄热体放热时其温度变化规律,在蓄热体宽边方向的中垂面上,等间距地布置不同的测温点,并且在蓄热体6个表面中心位置布置测温点。L/H=0.300时的蓄热体和L/H=0.500时的蓄热体其测温点的位置如表4和表5所示。L/H=0.885时蓄热体的测温点与表2相同。

表4 L/H=0.300的蓄热体测温点位置 单位:mm

表5 L/H=0.500的蓄热体测温点位置 单位:mm

2 实验结果与分析

为了研究固体蓄热装置的放热性能,实验分别采用在蓄热体表面设置不同厚度的保温层和不同L/H的蓄热体来研究蓄热体的温度变化以及正方体框内空间的空气温度变化。

2.1 保温层厚度对固体蓄热装置放热特性的影响

2.1.1 保温层厚度对蓄热体温度的影响

蓄热体6个表面中心测温点温度随时间变化的规律如图2所示。由图2可以看出:蓄热体6个表面中心测温点温度随时间的变化趋势一致,即都是随着时间变化先迅速降低;蓄热体前后表面中心点的温度高于蓄热体左右表面中心点的温度,高约8 K;蓄热体上表面温度低于下表面温度,这是因为蓄热体上方空气对流换热较强,热量散失较快所致。

图2 不同保温层厚度的蓄热体6个表面中心测温点温度随时间变化规律

2.1.2 保温层厚度对正方体框内空气温度的影响

为研究保温层厚度对正方体框内空间温度的影响,在正方体框内的x方向和y方向设置了温度测温点,以准确表征房间内的温度变化情况。

图3给出了x方向正方体框内3个测温点的温度随时间变化的关系曲线。 图4给出了y方向3个测温点的温度随时间变化的关系曲线。其中:x1,x2,x3是在x=182.5 mm位置处垂直方向间隔150 mm的3个测温点;y1,y2,y3是在y=157.0 mm位置处垂直方向间隔150 mm的3个测温点。

由图3和图4可看出,3个不同保温层厚度下,空间上12个测温点温度随时间的增加其变化规律基本相同,均随着时间的延长先迅速升高,当温度到达最高温后先快速下降,再缓慢下降,直至与室温相近。保温层厚度的不同,导致温度差别不大。这说明,在蓄热体的放热过程中,影响放热快慢的主要因素不是保温层厚度,而是蓄热体与环境之间的温差。此外,随着保温层厚度的增加,各测温点温度达到最高温度所需的时间也越长,这说明对于同一蓄热装置,在相同工况下保温层越厚,蓄热体向空气放热的速率越小,使得达到相同温度所需的时间也越长。

图3 x方向正方体框内空气温度变化规律

图4 y方向正方体框内空气温度变化规律

2.2 不同蓄热体长高比对固体蓄热装置放热特性的影响

为了便于分析比较不同L/H对蓄热体温度的影响,3种模型的蓄热体体积保持相同,L/H不同,分别为0.300,0.500,0.885。但L/H越大,在z方向上测温点之间的间距越小。为了观察蓄热体上部、中部和下部区域的温度分布情况,分别选取不同的测温点,保持空间位置基本相同。图5为相同的空间位置上,不同L/H的蓄热体测温点温度变化曲线。

由图5可以看出:在同一时刻下,L/H=0.500时蓄热体的温度最高,其次是L/H=0.300时,L/H=0.885时蓄热体的温度最低。因此,L/H=0.500时的蓄热体放热比较平缓,放热效果维持的时间更长;而L/H=0.300和L/H=0.885时蓄热体散热效果维持的时间相对短一些。这说明L/H接近0.500时蓄热体的放热效果最为持久。究其原因,主要是L/H接近0.500的蓄热体表面积最小,换热面积最小,导致换热效果最差,从而放热效果最持久。因此,在蓄热体的结构设计中,应结合换热体表面积的大小进行设计。

图5 不同L/H在相同位置处对蓄热体温度的影响

3 结 论

(1) 影响蓄热装置放热速率的主要因素是蓄热体与环境的温差。保温层厚度的不同,仅仅导致环境温度稍有差别,保温层厚度不是影响放热速率变化的主要因素。

(2) 蓄热体前后表面中心点的温度高于左右表面中心点的温度,上表面温度低于下表面温度。

(3) 长高比接近0.500时蓄热体的放热效果最持久。