固體電蓄熱裝置蓄熱過程的實(shí)驗(yàn)

郭 成，羅 勇

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,河北 石家莊 050043)

固體電蓄熱裝置蓄熱過程的實(shí)驗(yàn)

郭 成，羅 勇

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,河北 石家莊 050043)

由于現(xiàn)實(shí)對電固體蓄熱鍋爐的迫切需要，那么對其蓄熱規(guī)律的研究顯得尤為重要。對蓄熱裝置進(jìn)行了簡單介紹，對蓄熱和放熱過程進(jìn)行了傳熱分析；在電固體蓄熱裝置上，對其蓄熱過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了相同條件下蓄熱體內(nèi)溫度分布規(guī)律，溫度延遲的原因；最后通過實(shí)驗(yàn)得到了蓄熱體的近似蓄熱量。

固體蓄熱;蓄熱和放熱;溫度分布;傳熱分析;蓄熱量

隨著人民生活水平，供電峰谷差逐年加大，給電網(wǎng)運(yùn)行帶來了較高的經(jīng)濟(jì)損失，另外，國家對不可再生資源和環(huán)境保護(hù)的要求一再提高，那么，大力推廣在低谷時(shí)段運(yùn)行的蓄熱裝置，不僅為“移峰填谷”的有效辦法[1]，也對不可再生資源和環(huán)境保護(hù)做出了突出貢獻(xiàn)。目前階段煤改電工程，主要包括水蓄熱裝置和固體蓄熱裝置，而水蓄熱裝置以水為介質(zhì)，由于受到水的飽和溫度的限制，蓄熱溫度不能過高，從而造成水箱體積較大，占地面積多，增加了投資成本，因此給實(shí)際工程帶來了諸多不便[2]。

然而，固體蓄熱裝置，能夠解決水蓄熱裝置存在的問題。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，蓄熱溫度可達(dá)800～1 000 ℃以上，使得固體蓄熱材料的蓄熱能力比同體積的水的蓄熱能力大5倍左右。固體蓄熱裝置，體積小，投資小，不僅克服了傳統(tǒng)鍋爐的缺點(diǎn)，而且兼具環(huán)保、高效、節(jié)能、安全等多項(xiàng)優(yōu)勢[3]。因此，對固體蓄熱的研究價(jià)值是非常有意義的。

1 電蓄熱鍋爐的簡單介紹及其傳熱分析

電固體蓄熱實(shí)驗(yàn)裝置主要由蓄熱體、電阻式加熱管(M型)、保溫棉、底座、電線、變頻風(fēng)機(jī)、控制箱、熱交換熱器及其相應(yīng)的管道和板式換熱器等材料構(gòu)成。該裝置的工作由蓄熱過程和放熱過程來完成。

加熱過程是由電能轉(zhuǎn)換成熱能和將熱能傳遞給蓄能介質(zhì)兩個(gè)環(huán)節(jié)組成。通常電能轉(zhuǎn)換成熱能有三種形式：電阻式、電磁感應(yīng)式、電極式[4]。電固體蓄熱時(shí)間是晚上10:00到第二天早上6:00，共蓄熱8 h，此時(shí)，電流通過加熱管中的電阻絲產(chǎn)生熱量，并通過熱輻射和導(dǎo)熱的方式傳遞給蓄熱體，使蓄熱體內(nèi)表面溫度升高，并通過導(dǎo)熱的方式，由蓄熱體的內(nèi)表面向外表面?zhèn)鬟f，使蓄熱體的溫度逐漸升高。

蓄熱8h后，蓄熱體溫度達(dá)到800 ℃～1 000 ℃，打開風(fēng)機(jī)，進(jìn)行風(fēng)系統(tǒng)的循環(huán)，對用戶開始提供熱量。風(fēng)機(jī)抽取熱交換器下集箱的冷風(fēng)，從鍋爐底部進(jìn)入蓄熱鍋爐內(nèi)的風(fēng)道，對冷風(fēng)進(jìn)行加熱，加熱后變成高溫?zé)犸L(fēng)，送入熱交換器，在熱交換器中，高溫?zé)犸L(fēng)與熱交換器蛇形管中的軟化水進(jìn)行熱交換，對從用戶回來的冷水進(jìn)行加熱成熱水，通過水管道系統(tǒng)流回板式換熱器，從而達(dá)到對用戶供熱的目的。

2 電蓄熱裝置的簡單介紹

就此疑問，對蓄熱體進(jìn)行了蓄熱過程的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)裝置見圖1，裝置主要由加熱管(M型)、保溫棉、蓄熱體、底座等材料構(gòu)成。加熱管為電阻式加熱管。蓄熱體為以鐵為主要成分的固體塊，加熱管與蓄熱體之間有2 mm左右的縫隙，保溫棉于蓄熱體外側(cè)。

蓄熱時(shí)，電流通過電加熱管中的電阻絲，產(chǎn)生熱量，并把熱量傳遞給蓄熱體，使蓄熱體的溫度升高。加熱過程中，溫控器通過控制熱電偶來記錄測點(diǎn)溫度變化，在蓄熱體內(nèi)部裝有熱電偶(測點(diǎn)布置見圖2)，用于測量加熱過程蓄熱體內(nèi)的溫度分布。

圖2測點(diǎn)分布，由于1、3、分布在一根M型加熱管的一根支管上，2、4分布在同一根M型加熱管的另一根支管上，加熱管為同一根加熱管，所以通電后兩只加熱管的分支可視為以同樣的速度升溫，也就是說，4個(gè)測點(diǎn)的熱源溫度相同。圖2中下圖，給出了4個(gè)點(diǎn)是等距離分布在蓄熱體里。由此，我們可以將4個(gè)點(diǎn)看作在同等條件下，同一軸線上的溫度分布。試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定溫度為800 ℃，升溫方式采用直接升溫到800 ℃。

3 加熱過程的溫度分布

圖3是加熱過程，蓄熱體從0 ℃～800 ℃各層的溫度分布規(guī)律曲線。由此可見，在加熱管通電以后，各層無論是溫度升高的幅度，還是溫度變化的速度，都是蓄熱體內(nèi)側(cè)表面大，外側(cè)表面小。

在加熱過程中，雖然加熱管的功率恒定，但由于蓄熱體材料蓄能導(dǎo)熱，使得蓄熱體各層的蓄熱量并不是常數(shù)。由圖3可以看出，蓄熱體的內(nèi)外表面溫差相對較大，這是由于蓄熱體導(dǎo)熱系數(shù)相對較小造成的。初始時(shí)刻，蓄熱體內(nèi)部溫度均為30.88 ℃，在前一段以恒定熱流量加熱運(yùn)行0.5 h的時(shí)間內(nèi)，蓄熱體各點(diǎn)的溫度上升速率不盡相同。在加熱過程中，雖然加熱管的功率恒定，但由于蓄熱體材料蓄能導(dǎo)熱，使得蓄熱體各層的蓄熱量并不是常數(shù)。

4 蓄熱體蓄熱量的計(jì)算

根據(jù)蓄熱體內(nèi)溫度分布，可以近似計(jì)算蓄熱體各層蓄熱量和蓄熱體總蓄熱量。

當(dāng)蓄熱體內(nèi)表面(測點(diǎn)1)溫度達(dá)到800 ℃時(shí)，控制箱自動(dòng)停止加熱。蓄熱體的初始加熱溫度為30.88 ℃，蓄熱體的的尺寸為：長228 mm,寬47 mm，高185 mm。此時(shí)，測點(diǎn)2、測點(diǎn)3、測點(diǎn)4溫度分別達(dá)到約720 ℃、680 ℃、660 ℃。若將此時(shí)作為實(shí)際蓄熱過程的終點(diǎn)，并將蓄熱體由內(nèi)表面到外表面分成三個(gè)蓄熱層，標(biāo)號分別為A層、B層、C層。并取各層平均溫度，根據(jù)公式

Q=cm·t=cρv·t[5]

(其中：密度ρ=3.98 t/m3，比熱容c=0.938 kJ/kg·K)

表1 各層蓄熱量

則蓄熱體總的蓄熱量為：15.06 MJ

5 結(jié)論

1)對蓄熱過程中，蓄熱體內(nèi)的溫度分布的實(shí)驗(yàn)，表明：對同種材料的蓄熱體，隨著蓄熱體溫度的升高，溫升速度逐漸變小。

2)蓄熱過程中，靠近加熱管的一側(cè)溫度升高較快，遠(yuǎn)離加熱管的一側(cè)溫度升高較慢。

3)加熱過程中，沿蓄熱體軸向溫度分布不均。蓄熱體內(nèi)部主要是靠導(dǎo)熱完成溫度的傳遞。

[1] 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.

[2] 張培亭，黃怡珉.電熱固體蓄熱裝置蓄熱過程的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 應(yīng)用能源技術(shù)，2004,6：31-34.

[3] 白勝喜，趙廣播，董芃.固體電蓄熱裝置及經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 中國電力,2002,35(6):79-80.

[4] 李晗，白勝喜，黃怡珉. 電熱固體蓄熱裝置的蓄熱原理及傳熱分析[J]. 電站系統(tǒng)工程，2003(3)：29-30.

[5] 白勝喜. 電熱固體蓄熱裝置蓄熱和放熱過程的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2002.

ExperimentalStudyofHeatStorageProcessofElectricSolidHeatStorageDevice

GUO Cheng1, LUO Yong2

(a.School of Mechanical Engineering; b.School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang050043, Hebei, China)

According to the fact that there exists an urgent need for electric heat storage boiler, so it is important to study the law of thermal storage. In this paper, the heat storage device is introduced briefly, and the heat storage and heat transfer process are analyzed. Experimental study about the process of heat storage on the electric solid heat storage device are made, and temperature distribution regulations, reason for temperature delay under the same heating condition are obtained. Finally through experiments, the heat storage capacity of heat storage is obtained.

solid heat storage; heat storage and heat release; temperature distribution; heat transfer analysis; heat storage capacity

2017-04-12

郭成(1991-)，男，河北唐山人，在讀碩士，研究方向?yàn)榭照{(diào)制冷和熱工設(shè)備的節(jié)能技術(shù)，E-mail：1991386630@qq.com。

TK229

A

1008-9446(2017)06-0026-03