不同固体材料蓄热砖的蓄放热特性分析.pdf
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1、收稿日期:2020-10-24作者简介:赵頔(1996-),女,辽宁铁岭人,硕士研究生。不同固体材料蓄热砖的蓄放热特性分析赵頔a,王启民b,王迪a,邱正霖a,徐鹏a(沈阳工程学院 a.能源与动力学院;b.研究生部,辽宁 沈阳 110136)摘要:基于数值模拟的方法,对相同体积、结构的氧化镁和氧化铝砖体进行蓄放热特性研究,得出蓄放热温度的分布。结果表明:经过相同的时间,氧化镁砖的蓄热最高温度大于氧化铝砖,放热最低温度小于氧化铝砖,可见氧化镁砖的蓄放热特性优于氧化铝砖,对固体蓄热材料的优化选择有一定的指导意义。关键词:蓄热砖;固体材料;蓄热;放热中图分类号:TK11文献标识码:A文章编号:1673
2、-1603(2023)04-0030-04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
3、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200 mm200 mm90 mm的蓄热砖堆砌而成,固体蓄热装置如图2所示。图1蓄热砖三维模型图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DOI:10.13888/ki.jsie(ns).2023.04.007第 19 卷第 4 期2 0 2 3 年 10 月Vol.19 No.4Oct.2023沈阳工程学院学报(自然科学版)Journal of Shenyang Institute of E
4、ngineering(Natural Science)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密度/(kgm-3)比热容/(jkg-1-1)导热系数/(Wm-1K-1)氧化镁3 0001 0002.7氧化铝3 0001 0002.52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t=c()2tx2+2ty2+2tz2
5、+Qc(1)式中,t为单位时间内蓄热砖热力学能的增量;2tx2+2ty2+2tz2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);Qc为源项;t为氧化镁/氧化铝砖的温度;为时间;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;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
6、形式6:()t+div()U=div()grad+S(2)式中,为通用变量,可以代表u,v,w,T等求解变量;为广义扩散系数;S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-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:t+ukxk=xk()+txk+c1ktuixj()uixj+ujxi-c22k(3)kt+ujkxj=xj()+tkkxj+tuixj()uixj+ujxi-(4)
7、表2k-模型中的系数c0.09c11.44c21.92k1.01.3T0.91.04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
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