堆积石墨颗粒蓄放热性能仿真模拟研究.pdf
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1、2023,42(11):29-33.SNO.11202329节能基础科学节能ENERGYCONSERVATION堆积石墨颗粒蓄放热性能仿真模拟研究宋开鑫王启民(沈阳工程学院能源与动力学院,辽宁沈阳110 136)摘要:选用堆积石墨颗粒作为固体蓄热材料,利用Ansys软件进行仿真模拟,分析堆积石墨颗粒模型的蓄放热性能。以2 50 kW的加热功率对蓄热体加热10 h,通入温度为52 3K的空气进行8 h放热。结果显示:经过10 h加热,蓄热体整体升温曲线差异较大,靠近热源位置呈现外凸的升温趋势,而蓄热体边缘呈现内凹趋势,整体温度分布不均匀,最大温差大于40 0 K。经过8 h的空气冷却,蓄热体模型
2、出口界面温度分布呈现H形,紧贴通风管道周围的蓄热体经过空气对流换热温度迅速降低,剩余H形部分中大量的热量不能均匀释放,最大温差达到195 K。关键词:堆积颗粒;导热系数;比热容;数值模拟中图分类号:TK124文献标志码:A文章编号:10 0 4-7 9 48(2 0 2 3)11-0 0 2 9-0 5doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.008Simulation study on heat storage and release characteristics of stacked graphite particleSONG Kai-xinWANG Qi
3、-minAbstract:Stacked graphite particles are selected as solid heat storage materials,and the heat storage and releaseperformance of the stacked graphite particles model is analyzed by simulation with Ansys software.The heat storageregenerator is heated for 10 hours with the heating power of 250 kW,a
4、nd then the heat is released by ventilating the air at523 K for 8 hours.The results show that after heating for 10 hours,the overall heating curve of the heat storage regeneratoris quite different,and the heating trend is convex near the heat source,while the edge of the heat storage regenerator isc
5、oncave,so that the overall temperature distribution is uneven and the maximum temperature difference is more than400 K.After 8 hours of air cooling,the temperature distribution at the outlet interface of the heat storage regeneratormodel is H-shaped,the temperature of the heat storage regenerator cl
6、ose to the ventilation duct decreases rapidly throughair convection heat transfer,and a large amount of heat in the remaining H-shaped part can not be released uniformly,andthe maximum temperature difference is 195 K.Key words:stacked particles;thermal conductivity;specific heat capacity;numerical s
7、imulation引言世界各国正在积极开展水能、风能、生物质能、太阳能等新型清洁可再生能源的研究工作。可再生能源具有间歇性和不可调度性,在能源系统中设置蓄热装置是有效的方法之一。石墨具有导热系数高、耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数低等特点,可作为固体蓄热材料2。在实际生产过程中,由于蓄热体的体积较大,通常将蓄热材料制成粉末,通过堆积、压缩形成堆积型多孔材料。多孔介质的孔隙分布直接影响其导热系数、比热容以及传热等特性。多孔介质传热过程非常复杂,对于当量导热系数,赵晓琳 3 将实验和通过遗传算法建立的多孔介质有效导热系数模型进行结合,利用折半法和遗传算法求解多孔介质的有效导热系数,避免对多孔介质内部复杂
8、结构进行分析,得到较高精度的全局解。于立章14等在相似理论基础上,通过Fluent软件建立了颗粒填充多孔介质的压降预测模型,模拟单相水的绝热流动,通过实验证明该模型具有较高的计算精度。史玉凤 5 等将分形理论与孔道网络模型相结合,采用最小二乘法,拟合多孔介质有效导热系数的经验公式。文中基于目前对多孔介质有效导热系数的研究,通过数值模拟方法分析堆积石墨颗粒的蓄放热性能,为实际生产运行过程中固体蓄热材料的研究提供参考。1研究方法1.1物理模型研究模型分为蓄热模型和放热模型,蓄热模型尺寸为1.50 m0.55m1.00m,加热孔径的尺寸为0.2 6 m,通风孔径的尺寸为0.10 m;放热模型由32
9、组蓄热单元组成,尺寸为17.6 m1.5m1.0m,其加热孔径以及通风作者简介:宋开鑫(19 9 6 一),男,硕士,研究方向为新能源开发与利用。收稿日期:2 0 2 3-0 1-11引用本文:宋开鑫,王启民.堆积石墨颗粒蓄放热性能仿真模拟研究 .节能NO.112023节能 ENERGYCONSERVATION30节能基础科学孔径与蓄热模型一致。蓄热模型和放热模型结构如图1和图2 所示。高加热孔长宽图1蓄热模型结构出口进口加热孔长高宽图2放热模型结构取1组加热单元,以恒定的热流密度加热10 h进行蓄热,在放热模型中通入温度恒定、速度不变的空气进行放热,分析其蓄放热特性。1.2控制方程1.2.1
10、蓄热过程固体蓄热的纯蓄热过程包括辐射、热传导和热对流,由于蓄热过程辐射传导热量不可忽略,将加热元件辐射及热传导过程等效为加热元件直接作用在加热孔壁面,此时的蓄热过程等效为热力学的三维导热过程,符合三维非稳态导热方程的一般微分形式。aTaTaTaTpc(1)xyy式中:p石墨堆积密度,kg/m;石墨颗粒比热容,J/(kgK);T 热力学温度,K;时间,S;八-堆积石墨颗粒的有效导热系数,W/(mK)。1.2.2放热过程放热过程中孔道内空气与其壁面进行对流换热,可建立换热孔道内气体的连续性方程、动量方程和能量方程。为了方便对各控制方程进行分析,给出各守恒方程的通用形式为0 :+div(pUo)=d
11、iv(Igrad)+(2)aT式中:通用变量,分别代表各项速度、D、W和温度T的求解变量;F一广义扩散系数瑞流分析选用标准k-模型 7 Ppukn+十ataxkaXkaXk(3)Cikuauiauj1-C2Pkaxjax;kakakakPouaxj十atax;0kx(4)aujauiaui1axaxi-p8式中:耗散率,%;k汽瑞流动能,J;n、n黏性系数、湍流黏性系数;、k分别为和k的普朗特数,取1.3和1.0;Cl、C 2分别为经验常数,取1.44和1.9 2。2仿真模拟2.1蓄热过程在蓄热过程中,以恒定的功率加热蓄热体,根据工程实际情况,设定蓄热体温度为6 7 3 9 7 3K,蓄热体内
12、部加热管道直径为0.2 6 m、长度为1.5m,外壁面绝热。在运行过程中,取时间步长为36 0 s,加热时长为10 h。加热功率为2 50 kW。!则1个加热单元的热流密度9 为:Pq=NS(5)式中:q-1个加热单元的热流密度,W/m;P加热功率,W;N一力一加热单元个数;S一单个加热单元的横截面积,m。经计算,一个加热单元的热流密度为6 37 9.6 3W/m。蓄热体由32 组相同的单元结构组成,在加热过程中每个单元具有相同的热量变化,因此选取单个单元进行模拟分析。6 7 3K时,石墨颗粒密度为16 40 kg/m,比热容为1.4kJ/kgK),有效导热系数为37 6 3W/(mK),熔点
13、为3925K,热容量为2 2 9 6 kJ/(mK)。对于圆柱形,填充相同粒径的球形颗粒,总体孔隙率:8 为:2nd3&=1-(6)3DH2式中:孔隙率,%;d颗粒直径,mm;D一管径,mm;n颗粒个数;H一一堆积高度,mm。堆积石墨颗粒的当量导热系数K。5为:0.91158Kef=1.0062K,(K/K,)(7)式中:Kef一石墨堆积颗粒的当量导热系数,W/(mK);K 石墨的导热系数,W/(mK);K 流体的导热系数,W/mK)堆积石墨颗粒整体比热容Cpm为:Cpm=Cps(1-8)+Cp(8)式中:Cpm堆积石墨颗粒整体比热容,kJ/(kgK);Cps石墨的比热容,kJ/(kgK);C
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