張 浩,黃錦華,郁 丹

(浙江華云電力工程設計咨詢有限公司,浙江 杭州 310014)

蓄熱式儲能電爐產生于20世紀80年代,是一種環(huán)保型加熱電爐,與傳統(tǒng)加熱爐比具有預熱高、污染物排放量低等特點[1-3],目前蓄熱式儲能電爐在全世界因其環(huán)保節(jié)能而得到廣泛應用,進行儲能電爐蓄熱過程的數值模擬研究對電爐優(yōu)化具有身份重要的意義[4]。

儲能電爐蓄熱過程的數值模擬研究可有效解決電能供需矛盾,為此盧昌燊等研究PCM參數對儲能式電爐蓄熱影響改善電爐蓄熱,但該方法采用多孔介質模型,模型數據較復雜[5];唐志偉等研究高溫相變蓄熱電鍋爐的數值模擬并對其結構進行優(yōu)化處理,研究平板和鋸齒型兩種蓄熱板的蓄熱效果,未對更多的電爐蓄熱過程進行相關模擬[6]。

TRNSYS平臺是瞬時系統(tǒng)模擬程序平臺,專用于模塊分析應用,由若干個小模塊組成整個模擬系統(tǒng),一個模塊代表一個功能的實現(xiàn)[7]。PCM層是TRNSYS平臺脈沖編碼調制層,用來實現(xiàn)聲音到數字的轉換。因此,提出基于TRNSYS平臺的PCM層儲能電爐蓄熱過程的數值模擬研究方法,依據TRNSYS平臺優(yōu)勢,完成儲能電爐蓄熱過程數值模擬。

1 數值模擬下的蓄熱儲能電爐

1.1 儲能電爐物理模型建立

在蓄熱式儲能電爐中加入蓄熱耐火材料,使電能轉化為熱能方便存儲[8],其工作運行如圖1所示。

圖1 蓄熱式儲能電爐工作運行圖

圖1中蓄熱耐火材料是由耐火塊組成的蓄熱體,當電阻絲穿過蓄熱體會使蓄熱體溫度升高,升高到特定溫度就會停止加熱將熱量存儲[9]。當應用時,低氣溫進入蓄熱體中氣溫加熱得到可以使用的熱空氣。蓄熱式儲能電爐主要由蓄熱耐火材料組成,其特點是體積不易變形、儲熱密度大、導熱效果好、耐用結實[10]。

當蓄熱式儲能電爐在夜間工作時,電價處于低谷時期,將電加熱和風機循環(huán)打開,電加熱將風機冷風進行加熱,再將熱能傳送到蓄熱板進行儲熱,此時蓄熱板不能將所有熱能吸收,剩余少量熱能進入換熱器實現(xiàn)供暖,在進入換熱器過程中溫度會減少,此時需風機增壓才會繼續(xù)循環(huán)工作[11-12]。

當蓄熱式儲能電路放熱時,其過程如圖2所示。

圖2 蓄熱式儲能電爐放熱系統(tǒng)流程圖

結合圖2分析,當電爐在白天電價平穩(wěn)與升高時,關閉加熱開關,打開循環(huán)風機,將換熱過的冷風進行增壓設置,后進入蓄熱板通道吸收所儲存的熱能,最后將熱能傳送給換熱器后形成的熱能傳遞給二次管道網循環(huán)水加熱實現(xiàn)供暖。在電爐放熱時溫度極高,為防止危險發(fā)生以及減少經濟損失和熱能損失,可將電爐所有面用保溫設備包裹起來進行保溫,也可加裝蛭石板使電爐處于絕熱狀態(tài),有利于儲存能量[13]。

1.2 儲能電爐數學模型建立

1.2.1 假設條件

蓄熱式儲能電爐任意位置,流速恒定,氣溫分布均勻;恒定換熱系數,即換熱系數不隨溫度、位置、時間改變而變化;氣流參數和蓄熱物體恒定;蓄熱通道內氣流一樣[14]。

1.2.2 數學模型

1)氣體吸熱

蓄熱耐火材料加熱后,溫度一致,在蓄熱耐火材料中冷空氣受熱使能量增加,則空氣與蓄熱耐火材料之間轉換公式為

(1)

式中:pa為空氣密度,kg/m3;Ta為溫度,K;Cpa為空氣比定壓熱容,J/(kg·K);αa為空氣與蓄熱耐火材料對熱系數,W/(m·K);ua為空氣流速,m/s;Tcs為蓄熱耐火材料溫度,K;x為空氣溫度的變量,K。

2)蓄熱體放熱

冷空氣進入蓄熱耐火材料后釋放熱量。當放出熱量時,能量改變,蓄熱耐火材料放熱量由對流的熱量與自身熱量和組成,其表達公式為

(2)

式中:Cs為蓄熱耐火材料比熱容,J/(kg·K);Ms為質量,kg;λs為導熱系數;As為截面面積,m2;τ為蓄熱耐火材料溫度變量,K。

3)蓄熱率

當蓄熱式儲能電爐開始運行時,蓄熱管蓄熱所得到的熱量就是蓄熱量,實際蓄熱量與集熱量的比值用蓄熱率表示,比值越大證明蓄熱高,其計算公式如下:

(3)

式中:K為蓄熱率;Qa為蓄熱時間,h;Qb為集熱器總蓄熱量,kW。

4)蓄熱耗電比值

蓄熱耗電比值指單位蓄電量的耗電量比值,比值越大代表蓄電量越高,其計算公式如下:

(4)

式中:H為蓄熱耗電比;W為蓄熱時間蓄熱水泵耗電量,kW·h。

1.3 基于TRNSYS軟件的PCM層儲能電爐蓄熱分析

TRNSYS軟件是一種以定義模塊為基礎的仿真模擬平臺,如圖3所示。其具有模塊化結構,主體由一個主程序組成,多個功能性子程序對其進行配合,軟件的初始程序通過FORTRAN語言編寫完成,每個子程序都通過一個模塊在操作界面中被調用,同時實現(xiàn)特定的計算和輸入輸出功能。用戶在對特定的系統(tǒng)進行建模時,當標準模塊能夠反映模擬的實際需求時,首先需要調用最符合系統(tǒng)運行特性和功能的模塊,并根據被仿真設備的具體型號和要求,確定模塊各屬性參數的設定值。PCM層為其脈沖編碼調制層,軟件中模塊與模塊間數據相互傳送,將參數條件設置后會形成自身功能設置,不需要后期編程即可直接使用。

圖3 TRNSYS仿真模擬平臺

通過蓄熱式儲能電爐工作原理進行系統(tǒng)建模,基于TRNSYS軟件PCM層分析儲能電爐蓄熱,實現(xiàn)建模、整理數據、求解、分析處理于一體的儲能電爐蓄熱數值模擬操作[15]。TRNSYS軟件求解由三面構成:前處理、中運算求解、后處理。前處理是構建實體對象幾何模型,將網格進行劃分;中運算求解對參數與數據條件進行模擬計算的過程;后處理是繪制圖與表格將計算結果得以呈現(xiàn),分析流程如圖4所示。

圖4 分析流程圖

設定氣體入口特定速度值與溫度是ua=3 m/s和Ta=180°,可以用湍流模型計算通道內的流體標準,將通道出口壓力條件設為P=0 Pa,蓄熱體特定初始溫度為Tcs=600 ℃,則與空氣接觸面可瞬間傳送熱量;可運用SIMPLE算法求解之間關系;將設置次數與差值帶入氣體方程計算求解,得到氣體在通道內氣體的溫度值,而固、氣體對流與固體內部傳熱的方程計算可得出區(qū)域溫度值,得出結果作為初始依據迭代運算,得出時間區(qū)域內蓄熱體與氣體溫度分布數值,最后輸出結果。

2 實驗分析

2.1 蓄熱率數值模擬

為驗證本文方法數值模擬研究的實用性,以具備直徑為250 mm、高度為180 mm蓄熱單元的某儲能電爐為實驗對象,該儲能電爐的儲能單元頂部、底部、外部、內部分別為絕熱蓋、電加熱器、保溫材料、形狀各異的銅片和相變材料。以該實驗對象的蓄熱為目標設立3因素2水平共6模擬組進行分析,影響蓄熱式儲能電爐溫度主要原因是電爐的體積,假設電爐體積范圍為20～30 m3,以此為依據,設定蓄熱時間在30～70 min,因此計算出蓄熱流量范圍在30～60 m3/h。

電爐蓄熱能力提升,則蓄熱時間得到減少,電量損耗亦會隨之減少,但也會增加蓄熱過程中熱量損失。而影響蓄熱率因素有很多,影響率占比從大到小分別是蓄熱流量>蓄熱溫度>蓄熱體積,分別用B,C,D表示,流量越小代表蓄熱量越高。綜上可得出各因素影響水平的表格分析,如表1所示。

表1 各因素水平表

根據表1所示,當蓄熱溫度23/13 ℃時表示蓄熱啟動溫度23 ℃,停止溫度13 ℃。模擬蓄熱率與因素水平的實驗,實驗中pi代表實驗中各因素在同等條件下指標之和,所以表2中P代表6項指標和;qi代表各因素在同等條件下指標的平均值。蓄熱率實驗結果對比分析如表2所示。

表2 蓄熱率實驗結果

因素影響水平分析結果表明,最佳水平因素搭配是B1,C1,D1,因為此時蓄熱率最高。增加電爐內管流量有利于提升管內流速并利于蓄熱,但弊端是會減少換熱時間,而管道出口溫度也會升高,降低進出口溫差會影響蓄熱能力,實驗結果表明電爐管內流量與溫度的增加,其蓄熱量就會減少。極差分析可得出各因素對蓄熱效果影響的規(guī)律,再通過實驗方差分析各因素對結果影響大小,蓄熱率實驗方差結果分析如表3所示。

表3 蓄熱率實驗方差分析

若某因素F>F0.05(2,2)=18時表明該因素對結果存在顯著影響;若F>F0.1(2,2)=8時,表明該因素對結果存在較為顯著影響;若F

2.2 管道內溫度數值模擬

蓄熱式儲能電爐管道內流體與PCM層接觸時間長短會影響電爐蓄熱溫度。如圖5所示為電爐與PCM層接觸溫度分布圖。

圖5 電爐蓄熱管道內溫度分布

如圖5所示,電爐分為上部、中部、下部,其溫度總體變化趨勢是蓄熱-平穩(wěn)-蓄熱。在蓄熱初期即0～5 h 管內流體與PCM接觸最早且當時溫差大,管道下部升溫比中部、上部速度快;在蓄熱中期即5～15 h,PCM形態(tài)由固體變?yōu)橐后w,使管內流體上浮,溫度平穩(wěn);在蓄熱后期15～24 h隨著溫度升高,管道下部升溫速度會低于管道中部與上部。

假設蓄熱式儲能電爐內安裝2個蓄熱裝置,在2個蓄熱裝置上各選3個測試點,1、3、5測點在漸變螺距蓄熱裝置上,2、4、6測點在恒定螺距蓄熱裝置上,再分別求出平均溫度。如表4所示為6個螺距蓄熱裝置測點的3種流速參數,圖6為2個蓄熱裝置在管道入口溫度為75 ℃時三種流速的平均溫度曲線。

表4 蓄熱裝置3種流速參數 m/s

圖6 蓄熱管平均溫度

如圖6所示,根據模擬結果可知,同等螺距蓄熱裝置下流速越大,蓄熱時間越短;相同流速下,漸變螺距蓄熱裝置相較于恒定螺距蓄熱裝置的蓄熱時間更短。原因在于,當管道內流速增大時,管道壁換熱也會增加,流速的加大使管道升溫速度也會加快,縮短蓄熱時間。

2.3 相變蓄熱材料密度對融化時間、平均流速的影響

分析相變材料熱物理性質對相變過程的影響。當儲能電爐蓄熱時,相變材料存在明顯溫度差,加熱一定時間后,相變材料每層溫度逐步達到熔點并完成相變。當相變材料完全熔化后,各層溫度相同。

相變蓄熱材料的熱物理性質對相變熔化過程有一定的影響。假設三種相變蓄熱材料分別為矩形、T形、樹枝形相變蓄熱材料,其密度參數如表5所示,分析密度對相變過程影響如圖7所示。

表5 相變蓄熱材料密度參數 g/m3

圖7 密度對熔化時間影響

如圖7所示,結合表5密度參數可知,當密度增加,三種相變蓄熱材料熔化時間也會增加,液體體積分數達到1時,三種相變蓄熱材料熔化完成,趨于平穩(wěn)變化狀態(tài)。

分析密度對平均流速影響,如圖8所示。分析圖8數值模擬結果可知,當密度較小時,相變蓄熱材料的平均流速大,自然對流作用較強,所以熔化時間較短。當密度逐漸增加時,相變材料的平均流速逐漸減小,自然對流作用逐漸減弱,相變材料完全熔化時間較長。

圖8 密度對平均流速的影響

3 結 論

本文設計基于TRNSYS平臺的PCM層儲能電爐蓄熱過程的數值模擬研究方法,利用蓄熱式儲能電爐工作流程建立氣體吸熱、放熱數學模型,結合RNSYS軟件分析PCM層儲能電爐蓄熱,將建模、整理數據、求解、分析處理于一體進行簡單操作,得出時間區(qū)域內蓄熱體與氣體溫度分布數值以及對電爐蓄熱的影響。實驗有效地驗證了本文數值模擬研究具備提升蓄熱實用性,加入相變蓄熱材料會增加蓄熱效果,并進一步推進了今后儲能電爐蓄熱的發(fā)展。