葉祺賢, 馬昕霞

(1.上海電力建設(shè)啟動調(diào)整試驗(yàn)所有限公司, 上海 200335; 2.上海電力大學(xué),上海 200090)

由于地理位置的特殊性,我國北方地區(qū)冬季寒冷,供暖周期長。尤其是北方的農(nóng)村地區(qū),居住分散,不能進(jìn)行集中供暖,采用的供暖方式主要包括火炕、土暖氣、火爐等。然而這些供暖方式也是造成北方地區(qū)冬季霧霾的重要原因,同時(shí)還帶來垃圾堆積、煤氣中毒、火災(zāi)隱患等一系列問題[1]。為了解決這些問題,政府出臺了一系列政策,如 “煤改氣”“煤改電”。對于北方農(nóng)村的居民,由于居住的比較分散且基礎(chǔ)設(shè)施落后等原因,在一定程度上限制了煤改氣的實(shí)施。煤改電是指以空氣源熱泵采暖機(jī)組、電采暖以及電鍋爐供暖的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃煤鍋爐供暖[2]。近年來發(fā)現(xiàn)單獨(dú)使用空氣源熱泵供暖系統(tǒng)也存在問題,如輸配能耗較高、系統(tǒng)能效比低、熱泵機(jī)組及水泵啟?？刂撇缓侠淼萚3]。

采用固體蓄熱裝置,將晚上用電低谷時(shí)成本低廉的電能儲存起來,在白天用電高峰時(shí)放出,同時(shí)用于居民的采暖。這樣既可以有效緩解發(fā)電系統(tǒng)的供需矛盾,又可以使用戶利用峰谷差電價(jià)降低用電成本。目前,國內(nèi)外對固體蓄熱裝置的研究主要集中在蓄熱能力的優(yōu)化及蓄熱過程的模擬。張培亭等人[4]對10 kW固體電蓄熱裝置的蓄熱過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。李鵬程等人[5]采用瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)方法研究了3種排列角度(15°,30°,45°)下的擾流孔波紋板蓄熱元件的傳熱性能。畢樹茂等人[6]利用CFX程序?qū)щ姛岚宓木匦瓮ǖ肋M(jìn)行了流固耦合傳熱模擬。徐德璽等人[7]運(yùn)用有限元法對固體蓄熱裝置的蓄熱過程進(jìn)行了模擬,得到了蓄熱體在不同時(shí)刻的溫度場。梁炬祥[8]采用數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法,研究了3種不同的加熱元件(矩形加熱板、圓形加熱板以及加熱管)、熱導(dǎo)率以及加熱強(qiáng)度等因素對固體蓄熱的影響。胡思科等人[9]對蓄熱體建立二維模型,模擬分析了蓄熱體放熱孔形以及孔數(shù)對蓄放熱性能的影響。楊小平等人[10]對蓄熱介質(zhì)采用蓄熱球的蓄熱過程中流固傳熱溫差的形成原因進(jìn)行了理論分析。蘇俊林等人[11]研究了由耐火磚塊砌筑蓄熱式電鍋爐的蓄熱特性。秦志明等人[12]研究了鍋爐在亞臨界狀態(tài)下蓄熱的變化量隨著壓力變化以及鍋爐蓄熱系數(shù)隨著壓力變化的規(guī)律。GARCIA E L等人[13]研究了不同管徑下蓄熱體在層流和湍流狀態(tài)下的對流熱阻和導(dǎo)熱熱阻的變化規(guī)律。SOROUR M M[14]通過實(shí)驗(yàn)研究了小型固體蓄熱單元(蓄熱材料為石膏巖填充床)的工作性能。李晶晶等人[15]采用數(shù)值模擬的方法研究了在自然對流條件下開設(shè)的孔數(shù)和孔形對蓄熱裝置放熱特性的影響。

綜上所述,大量文獻(xiàn)主要集中在對固體蓄熱裝置的蓄熱性能的研究,對固體蓄熱裝置放熱性能的研究較少。固體蓄熱裝置的放熱性能直接影響其表面溫度,進(jìn)而影響室內(nèi)的溫度及房間的舒適度,因此研究固體蓄熱裝置的放熱特性很有必要。本文設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的固體蓄熱體(體積相同,長度、高度不同),實(shí)驗(yàn)測量固體蓄熱器放熱狀態(tài)下,不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對固體蓄熱體溫度的影響,以期為固體蓄熱裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 固體蓄熱實(shí)驗(yàn)裝置及測點(diǎn)的布置

1.1 固體蓄熱實(shí)驗(yàn)裝置及設(shè)備

固體蓄熱實(shí)驗(yàn)裝置采用電阻絲加熱方式,將電能轉(zhuǎn)換為熱能,通過輻射換熱、對流換熱方式將熱量傳遞并存儲于蓄熱材料中,當(dāng)需要利用這部分熱量時(shí),通過對流換熱方式將空氣加熱。固體蓄熱實(shí)驗(yàn)裝置由蓄熱裝置、溫控裝置、熱電偶、試驗(yàn)臺、安捷倫數(shù)據(jù)采集器、電腦等單元構(gòu)成。其中,溫控裝置由LU-924U記憶型測控儀和中間繼電器組成。當(dāng)電阻絲被加熱到設(shè)定的最高溫度時(shí),溫控裝置會自動斷開電源停止加熱;當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定最低溫度時(shí)又會自動加熱。圖1為實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)。

圖1 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)示意

蓄熱體由4塊標(biāo)準(zhǔn)高鋁磚砌成,高鋁磚的保溫材料使用的是硅酸鋁纖維毯。為了研究保溫層厚度對放熱特性的影響,實(shí)驗(yàn)中保溫層厚度分別設(shè)為1 cm,2 cm,3 cm。為了分析比較蓄熱體結(jié)構(gòu)對放熱速率的影響,設(shè)計(jì)了3種不同結(jié)構(gòu)的蓄熱體。這3種蓄熱體體積相同,而長高比(L/H)不同。3種結(jié)構(gòu)的蓄熱體具體尺寸如表1所示。

表1 3種蓄熱體的總體尺寸 單位:mm

蓄熱體外部由一個(gè)長、寬、高都為500 mm,厚70 mm的不銹鋼正方體框組成。這個(gè)正方體框模擬現(xiàn)實(shí)中的房間,設(shè)計(jì)為3層的保溫結(jié)構(gòu),以減少實(shí)驗(yàn)過程中對外散熱。

蓄熱體內(nèi)埋入鎳鉻材質(zhì)的電阻絲用來加熱蓄熱體,并在蓄熱體內(nèi)埋入鎳鉻-鎳硅K型熱電偶用來檢測蓄熱體溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律。采用熱電偶來檢測房間內(nèi)的溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律。采用Agilent 34972A安捷倫數(shù)據(jù)采集儀采集熱電偶的溫度,每15 s記錄一組數(shù)據(jù)。選取一個(gè)距離蓄熱體質(zhì)心較近且方便操作的監(jiān)測點(diǎn)作為參照。當(dāng)該監(jiān)測點(diǎn)的溫度到達(dá)300 ℃時(shí),斷開電源停止加熱電阻絲,然后記錄蓄熱體及房間空氣溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律;當(dāng)溫度降到室溫穩(wěn)定后停止實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)測溫點(diǎn)布置

1.2.1 不同保溫層厚度的蓄熱體實(shí)驗(yàn)測溫點(diǎn)的布置

為了便于研究不同保溫層厚度對蓄熱體放熱特性的影響,在蓄熱體上設(shè)置6個(gè)溫度檢測點(diǎn),以觀察隨著時(shí)間變化每組蓄熱體的溫度變化規(guī)律。同時(shí),在正方體框中不同空間位置設(shè)置溫度測溫點(diǎn),以便分析每組蓄熱體對應(yīng)的空間的空氣溫度變化規(guī)律。表2和表3分別為各個(gè)測溫點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

表2 蓄熱體表面中心各測溫點(diǎn)的位置 單位:mm

表3 正方體框內(nèi)各個(gè)測溫點(diǎn)的位置 單位:mm

1.2.2 不同長高比的蓄熱體實(shí)驗(yàn)測溫點(diǎn)的布置

為了分析不同L/H的蓄熱體放熱時(shí)其溫度變化規(guī)律,在蓄熱體寬邊方向的中垂面上,等間距地布置不同的測溫點(diǎn),并且在蓄熱體6個(gè)表面中心位置布置測溫點(diǎn)。L/H=0.300時(shí)的蓄熱體和L/H=0.500時(shí)的蓄熱體其測溫點(diǎn)的位置如表4和表5所示。L/H=0.885時(shí)蓄熱體的測溫點(diǎn)與表2相同。

表4 L/H=0.300的蓄熱體測溫點(diǎn)位置 單位:mm

表5 L/H=0.500的蓄熱體測溫點(diǎn)位置 單位:mm

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了研究固體蓄熱裝置的放熱性能,實(shí)驗(yàn)分別采用在蓄熱體表面設(shè)置不同厚度的保溫層和不同L/H的蓄熱體來研究蓄熱體的溫度變化以及正方體框內(nèi)空間的空氣溫度變化。

2.1 保溫層厚度對固體蓄熱裝置放熱特性的影響

2.1.1 保溫層厚度對蓄熱體溫度的影響

蓄熱體6個(gè)表面中心測溫點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律如圖2所示。由圖2可以看出:蓄熱體6個(gè)表面中心測溫點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化趨勢一致,即都是隨著時(shí)間變化先迅速降低;蓄熱體前后表面中心點(diǎn)的溫度高于蓄熱體左右表面中心點(diǎn)的溫度,高約8 K;蓄熱體上表面溫度低于下表面溫度,這是因?yàn)樾顭狍w上方空氣對流換熱較強(qiáng),熱量散失較快所致。

圖2 不同保溫層厚度的蓄熱體6個(gè)表面中心測溫點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化規(guī)律

2.1.2 保溫層厚度對正方體框內(nèi)空氣溫度的影響

為研究保溫層厚度對正方體框內(nèi)空間溫度的影響,在正方體框內(nèi)的x方向和y方向設(shè)置了溫度測溫點(diǎn),以準(zhǔn)確表征房間內(nèi)的溫度變化情況。

圖3給出了x方向正方體框內(nèi)3個(gè)測溫點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。 圖4給出了y方向3個(gè)測溫點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。其中:x1,x2,x3是在x=182.5 mm位置處垂直方向間隔150 mm的3個(gè)測溫點(diǎn);y1,y2,y3是在y=157.0 mm位置處垂直方向間隔150 mm的3個(gè)測溫點(diǎn)。

由圖3和圖4可看出,3個(gè)不同保溫層厚度下,空間上12個(gè)測溫點(diǎn)溫度隨時(shí)間的增加其變化規(guī)律基本相同,均隨著時(shí)間的延長先迅速升高,當(dāng)溫度到達(dá)最高溫后先快速下降,再緩慢下降,直至與室溫相近。保溫層厚度的不同,導(dǎo)致溫度差別不大。這說明,在蓄熱體的放熱過程中,影響放熱快慢的主要因素不是保溫層厚度,而是蓄熱體與環(huán)境之間的溫差。此外,隨著保溫層厚度的增加,各測溫點(diǎn)溫度達(dá)到最高溫度所需的時(shí)間也越長,這說明對于同一蓄熱裝置,在相同工況下保溫層越厚,蓄熱體向空氣放熱的速率越小,使得達(dá)到相同溫度所需的時(shí)間也越長。

圖3 x方向正方體框內(nèi)空氣溫度變化規(guī)律

圖4 y方向正方體框內(nèi)空氣溫度變化規(guī)律

2.2 不同蓄熱體長高比對固體蓄熱裝置放熱特性的影響

為了便于分析比較不同L/H對蓄熱體溫度的影響,3種模型的蓄熱體體積保持相同,L/H不同,分別為0.300,0.500,0.885。但L/H越大,在z方向上測溫點(diǎn)之間的間距越小。為了觀察蓄熱體上部、中部和下部區(qū)域的溫度分布情況,分別選取不同的測溫點(diǎn),保持空間位置基本相同。圖5為相同的空間位置上,不同L/H的蓄熱體測溫點(diǎn)溫度變化曲線。

由圖5可以看出:在同一時(shí)刻下,L/H=0.500時(shí)蓄熱體的溫度最高,其次是L/H=0.300時(shí),L/H=0.885時(shí)蓄熱體的溫度最低。因此,L/H=0.500時(shí)的蓄熱體放熱比較平緩,放熱效果維持的時(shí)間更長;而L/H=0.300和L/H=0.885時(shí)蓄熱體散熱效果維持的時(shí)間相對短一些。這說明L/H接近0.500時(shí)蓄熱體的放熱效果最為持久。究其原因,主要是L/H接近0.500的蓄熱體表面積最小,換熱面積最小,導(dǎo)致?lián)Q熱效果最差,從而放熱效果最持久。因此,在蓄熱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,應(yīng)結(jié)合換熱體表面積的大小進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖5 不同L/H在相同位置處對蓄熱體溫度的影響

3 結(jié) 論

(1) 影響蓄熱裝置放熱速率的主要因素是蓄熱體與環(huán)境的溫差。保溫層厚度的不同,僅僅導(dǎo)致環(huán)境溫度稍有差別,保溫層厚度不是影響放熱速率變化的主要因素。

(2) 蓄熱體前后表面中心點(diǎn)的溫度高于左右表面中心點(diǎn)的溫度,上表面溫度低于下表面溫度。

(3) 長高比接近0.500時(shí)蓄熱體的放熱效果最持久。