固體電蓄熱散熱器蓄放熱性能研究

李慧儉 賈玉貴 張宏喜 賈俊崇

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 前 言

目前，我國發(fā)電量與裝機(jī)總量居世界第二位[1]，隨著經(jīng)濟(jì)的增長，電網(wǎng)高峰負(fù)荷增長很快，但電網(wǎng)負(fù)荷率逐年降低，即供電峰谷差逐年加大，給電網(wǎng)運行帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失，大力推廣在低谷時段運行的蓄熱裝置，為“削峰填谷”的有效辦法[2].

目前，應(yīng)用較多的蓄熱方式有固體電蓄熱與液體電蓄熱兩種，液體電蓄熱主要以水為蓄熱介質(zhì)，受水飽和溫度的限制，蓄熱裝置的水溫不能過高，使蓄熱水箱體積大，占地面積多，安裝管理不便，同時增加了蓄熱裝置的投資.而固體蓄熱儲能裝置卻能解決上述問題.雖然一般固體材料的比熱只有水的1/3～1/4，但由于固體蓄熱材料的密度為水的2.5倍左右，蓄熱磚溫度可達(dá)800～1000以上，使得固體蓄熱材料的蓄熱能力比同體積水的蓄熱能力大5倍左右，如采用特殊的蓄熱材料，蓄熱能力還可增加.固體蓄能裝置的體積小，不承壓，對其形狀沒有特殊要求，裝置的占地面積大大降低.它不僅克服了傳統(tǒng)蓄熱方式的缺點，而且兼具環(huán)保、高效、節(jié)能、安全等多項優(yōu)勢[2].本文將對固體電蓄熱散熱器蓄放熱過程進(jìn)行實驗測試并研究其蓄放熱性能.

圖1 蓄熱磚尺寸

1 實驗裝置與蓄熱原理

1.1 實驗裝置

該裝置主要由電熱管、蓄熱磚、進(jìn)出風(fēng)口、風(fēng)道、保溫材料等組成.電加熱管布于管槽內(nèi)，共四根，呈回形，分別對應(yīng)于電暖器底部的四個進(jìn)風(fēng)口.蓄熱磚共16塊，分兩層放置每層八塊磚，中間縫隙為風(fēng)道，具體蓄熱磚尺寸見圖1.

1.2 蓄熱原理

該蓄熱裝置由高熱容材質(zhì)做儲能組件，并由隔熱耐火材料絕熱保溫.在夜間，電力需求較小時，蓄能組件通過電阻加熱系統(tǒng)被加熱到800 ℃左右，把電能轉(zhuǎn)化成熱能儲存起來.白天用電高峰期，儲存的熱能以對流和輻射的形式釋放到外部環(huán)境中，從而提高了室內(nèi)環(huán)境溫度.

為了增加材料的蓄熱能力，要求蓄熱材料具有高的熱容量，這取決于材料的比熱和容重.為了快速儲能和釋放儲存的能量，要求蓄熱材料具有較高的導(dǎo)熱系數(shù).鎂磚具有較高的熱容量和良好的導(dǎo)熱性，可滿足要求.

2 實驗方法

實驗裝置內(nèi)部安裝有熱電偶(測點布置見圖2)，用于測量加熱和冷卻過程中蓄熱體內(nèi)部的溫度分布.其中4個K型熱電偶分別布置在電暖器內(nèi)部，蓄熱體內(nèi)右側(cè)蓄熱磚內(nèi)部布置1個，蓄熱磚與保溫層接觸處布置1個；中間一排蓄熱磚內(nèi)部布置1個，蓄熱磚與保溫層接觸處布置1個.最后，電暖器出風(fēng)口處布置1個K型熱電偶.

圖2 溫度測點布置示意圖

實驗時，在用電低谷期(張家口地區(qū)為22∶00-6∶00)蓄熱，蓄熱裝置將電能轉(zhuǎn)化成熱能儲存起來，裝置的蓄熱量與蓄熱時間和蓄熱功率有關(guān).采用兩種蓄熱方案進(jìn)行試驗：方案一晚上蓄熱8小時，白天放熱并且不加平電，對室溫?zé)o要求；方案二是晚上蓄熱8小時，白天加平電2小時并維持室溫不低于18 ℃.

實驗時，打開電源，以最高檔位蓄熱，8小時后停止蓄熱，10 min記錄一次試驗數(shù)據(jù).

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 蓄放熱性能

(1)該蓄熱電暖器兩種蓄熱方案蓄熱磚溫度曲線如圖3、圖4所示，由磚溫曲線圖可以看出，該蓄熱電暖器蓄熱8小時磚溫即可達(dá)到最高溫度，且最高溫度為750 ℃.在蓄熱階段，室內(nèi)溫度在不斷上升最終達(dá)到20 ℃；在放熱階段，室內(nèi)溫度呈下降趨勢，圖3白天無平電蓄熱，室內(nèi)溫度下降到15 ℃，表明，此種蓄熱方式無法達(dá)到室內(nèi)溫度設(shè)計要求.由圖4看出，在白天17時室內(nèi)溫度下降到18 ℃以下，此時加平電2小時，室內(nèi)溫度逐漸上升，室內(nèi)溫度穩(wěn)定在18 ℃左右.

(2)圖5、圖6是兩種蓄熱方案電暖器蓄放熱過程的散熱功率曲線，圖5表明沒有加平電，散熱功率下降較快，末端功率偏小，此時應(yīng)采取強化散熱.圖6在白天加平電2小時，散熱功率下降較平緩，末端的散熱功率能達(dá)到設(shè)計要求.

圖3方案一磚溫與室溫隨時間變化曲線圖4方案二磚溫與室溫變化曲線

圖5方案一散熱功率變化曲線圖6方案二散熱功率變化曲線

表2 不同工況下電蓄熱器蓄熱效率

(3)對電熱器的蓄熱效率進(jìn)行了計算并比較如表2所示，不同初始磚溫下蓄熱效率不同，蓄熱磚溫度越低蓄熱效率越大，不同磚溫的蓄熱效率相差較大.磚溫為200 ℃時蓄熱效率最高可達(dá)96%，磚溫為250 ℃時蓄熱效率為94%.綜上可以看出固體蓄熱電散熱器的蓄熱效率較大.

3.2 風(fēng)道強化散熱

圖7 蓄熱8小時風(fēng)口開啟關(guān)閉時磚溫變化曲線

風(fēng)口開啟與關(guān)閉時的電散熱器磚溫變化曲線見圖7，圖7表明，在同一時刻，風(fēng)口開啟時電暖器蓄放熱過程磚溫均比風(fēng)口關(guān)閉時低，隨著散熱時間增加，風(fēng)口開啟關(guān)閉時的蓄熱磚溫差增大，最高溫差達(dá)到100 ℃.這是因為風(fēng)口開啟，通道內(nèi)空氣熱壓大，流動快，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大，裝置內(nèi)通道空氣溫度與保溫層外表面溫差大，導(dǎo)致散熱迅速.因此，風(fēng)口的開啟增強了電暖器內(nèi)部的對流散熱.

4 結(jié) 論

本文對固體電蓄熱散熱器的蓄放熱性能進(jìn)行了實驗研究，得到如下結(jié)果：

a.該電蓄熱器蓄熱8小時可達(dá)到最高溫度800 ℃左右，蓄熱階段，室內(nèi)溫度上升至20 ℃；放熱階段，室內(nèi)溫度下降較快至15 ℃.通過白天加平電2小時，室內(nèi)溫度維持在18 ℃.

b.電暖器散熱過程時的散熱功率下降較快，末端散熱功率下降到很低；白天加平電2小時，散熱功率下降變平緩，達(dá)到維持室內(nèi)溫度的散熱標(biāo)準(zhǔn).

c.風(fēng)口開啟在一定程度上強化了散熱，且隨著散熱時間增加，風(fēng)口開啟關(guān)閉時的磚溫差距增大，溫差達(dá)100 ℃.

d.熱量的利用程度用固體蓄熱裝置的熱效率衡量.該裝置的蓄熱效率為95%左右，蓄熱磚溫度越低蓄熱效率越高，電蓄熱散熱器保溫性能差會造成蓄熱性能下降.

[1]李懷普.坑口電站發(fā)展空冷技術(shù)的經(jīng)濟(jì)分析[J].華北電力技術(shù)，1996，6：12～15

[2]胡兆光.需求側(cè)管理在北京移峰填谷中的應(yīng)用[J].中國電力，1998，31(9):37～40

[3]賀平.供熱工程.北京，中國建筑工業(yè)出版社，2009

[4]白勝喜，趙廣播，董艽.固體蓄熱裝置及經(jīng)濟(jì)性分析[J].中國電力，2002，35(6)：79～80

[5]劉靖，張寅平，高溫相變蓄熱電暖器研制及熱性能研究[J].清華大學(xué)，2004,05,01