固體蓄熱裝置圓形和橢圓形孔自然對流 放熱特性的研究

李晶晶, 李永光, 王治源, 王曉敏

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

改變?nèi)祟惢顒铀璧哪茉唇Y(jié)構(gòu),因地制宜,更多更廣泛地使用風(fēng)能和太陽能可再生能源,是今后能源利用的發(fā)展方向。但由于風(fēng)能和太陽能的不穩(wěn)定性,若需要大規(guī)模使用,對儲能就提出了更高的要求。近年來世界各國科學(xué)家和工程技術(shù)人員對儲能的研究已越來越多[1-5]。我國冬季供暖所用能源85%以上是煤(包括熱電聯(lián)產(chǎn))[6],也是我國冬季霧霾頻發(fā)的重要因素之一。為此目前我國主要用天然氣或電來替代以煤為主要熱源的供暖方式,但我國天然氣十分匱乏,且大量燃燒天然氣會排放較多的氮氧化物。據(jù)統(tǒng)計,目前大部分天然氣鍋爐氮氧化物排放濃度約在300 mg/m3。此外,限制煤改氣實施最為重要的一點就是安全問題。電是理想的替代方式之一,但目前我國發(fā)電用煤的比例還較高,火電廠排放的污染物在大氣污染中占相當(dāng)?shù)谋壤?而且采用電取暖無疑會對火電機(jī)組備用提出更高的要求。因此,在用電供熱的場合,使用電蓄熱裝置,將用電低谷時的電轉(zhuǎn)換成熱儲存起來,在用電高峰時放出,這樣既可以有效緩解發(fā)電系統(tǒng)的供需矛盾,又可以使用戶利用峰谷差電價降低用電成本。固體蓄熱裝置結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、成本低,得到了工程技術(shù)人員的重視,目前市場上供暖產(chǎn)品大多采用的是固體蓄熱裝置。

為提高固體蓄熱裝置的熱利用效率,其放熱特性的研究就顯得十分重要,但目前這方面的研究還很少。胡恩科等人[7-8]在強(qiáng)制對流工況下,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,用數(shù)值計算的方法模擬了固體蓄熱裝置上分別開有圓孔和橢圓孔時,固體蓄熱裝置的放熱特性。研究結(jié)果表明,對于氧化鎂固體材料,圓孔開始放熱時,孔數(shù)越多,出口溫度越高,約2.8 h后,孔數(shù)越多,出口溫度越低;隨著放熱時間的延長,孔數(shù)越多,出口溫度下降越快,出口速度也基本有同樣規(guī)律,變換的臨界時間約是放熱開始后2.6 h。此外,橢圓孔出口溫度變化規(guī)律與圓孔相同,當(dāng)孔數(shù)達(dá)到64個時,橢圓孔內(nèi)的溫度明顯高于圓孔內(nèi)溫度。楊志剛[9]采用470 mm×90 mm×580 mm的氧化鎂蓄熱磚,在分別開縫為5 mm,10 mm,15 mm的自然對流工況下,進(jìn)行了試驗研究,結(jié)果表明,開縫可以提高蓄熱體放熱效率。趙廣播等人[10]在強(qiáng)制對流工況下,對環(huán)形腔內(nèi)充滿固體蓄熱粒子并加裝12根金屬散熱管的裝置進(jìn)行了放熱特性研究,結(jié)果表明,不同位置的散熱管其放熱效率不同,最大相差達(dá)70%。

已有的研究結(jié)果表明,若將蓄熱裝置作為家庭或建筑物中的取暖設(shè)備,其自然對流換熱特性非常重要,而蓄熱體是否開孔,孔形狀、數(shù)量等對蓄熱體散熱均有十分重要的影響。本文根據(jù)GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》[11]與ASTM-C16.30標(biāo)準(zhǔn)[12],設(shè)計了蓄熱裝置,利用數(shù)值模擬方法,研究了自然對流工況下,圓形和橢圓形孔道及孔道數(shù)量對固體蓄熱裝置放熱特性的影響,以期為相關(guān)工程技術(shù)人員及固體蓄熱裝置的使用提供參考。

1 固體蓄熱裝置放熱特性模型建立

1.1 物理模型

根據(jù)GB 50736—2012和ASTM-C16.30標(biāo)準(zhǔn),本文設(shè)計的蓄熱裝置尺寸如下:蓄熱體長寬高分別為150 mm×25 mm×75 mm,正方體框邊長為500 mm,壁厚為60 mm。

蓄熱體置于靠墻100 mm、距地面50 mm的位置。蓄熱體材料為鎂磚,壁厚材料為發(fā)泡水泥保溫材料,正方體中介質(zhì)為空氣。表1為蓄熱材料的物性參數(shù)。

表1 幾種蓄熱材料物性參數(shù)

本文共計算了孔形為圓形和橢圓形、孔道數(shù)量為2個和8個的4種模型。圖1給出圓形和橢圓形孔道數(shù)量為2個的蓄熱體形狀示意圖。

1.2 數(shù)學(xué)模型

該蓄熱體放熱過程是一個具有內(nèi)熱源的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程,滿足的連續(xù)性方程、動量方程及能量方程如下。

連續(xù)性方程為

(1)

式中:ρ——密度;

u——速度矢量;

t——時間。

動量方程為

(2)

式中:p——流體在微元體上的壓力;

τxx,τxy,τxz——因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的黏性應(yīng)力τ的分量;

g——重力加速度。

能量方程為

(3)

式中:T——熱力學(xué)溫度;

λ——流體的導(dǎo)熱系數(shù);

Cp——比熱容;

ST——黏性耗散量。

由于房間空氣密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、黏度等均隨溫度的變化而變化,因此對在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下干空氣熱物理參數(shù)測試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合[13]。其具體表達(dá)式如表2所示。

表2 空氣物性參數(shù)表達(dá)式

1.3 數(shù)值模擬條件及參數(shù)設(shè)定

本文采用FLUENT進(jìn)行模擬計算,選用壓力耦合求解器,并考慮輻射換熱。其模型為離散換熱輻射模型,主要假設(shè)是用單一的射線代替從輻射表面沿某個立體角的所有輻射效應(yīng),根據(jù)輻射強(qiáng)度衰減曲線獲得表面處各條射線的凈輻射強(qiáng)度,再積分后獲得輻射熱源[14-15]。算法選用SIMPLE算法。具體模擬條件設(shè)置如下。

(1) 初始條件 蓄熱體初溫為573 K,房間空氣、墻和孔道初始溫度為293 K。

(2) 邊界條件 設(shè)定外墻溫度為268 K。內(nèi)墻、蓄熱體外表面及孔道內(nèi)表面均與空氣耦合。

(3) 殘差標(biāo)準(zhǔn) 連續(xù)性方程、動量方程及能量方程收斂殘差分別為10-3,10-5,10-6。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了便于分析比較,在計算過程中,固體蓄熱體體積保持不變,為2.10×10-4m3。蓄熱體總橫截面積為3.75×10-3m2,其中孔道總橫截面積和固體總橫截面積分別為2.812 5×10-3m2和9.375 0×10-4m2。不論何種孔型,孔數(shù)相同單孔表面積相同,其換熱面積就相同,如表3所示。

表3 不同孔數(shù)下的圓形、橢圓形孔道幾何參數(shù)

2.1 孔形和孔數(shù)對孔道內(nèi)溫度的影響

圖2給出了孔形和孔數(shù)對孔道內(nèi)溫度的影響。橫坐標(biāo)為孔道中心線各點溫度距地面的距離。

圖2 孔形和孔數(shù)對孔道內(nèi)溫度的影響

由圖2可以看出,橢圓孔中心線溫度基本上高于圓形孔同樣位置的溫度,即使在蓄熱體外(橫坐標(biāo)小于50 mm和大于125 mm的區(qū)域)也是如此,兩者差別的最大處位于距離孔上方出口約10 mm 處。同樣孔數(shù)條件下,橢圓孔較圓孔溫度高了約17%,但在蓄熱體外,兩者的差別在減小。這是因為當(dāng)單孔橫截面積相等時,橢圓的周長大于圓形周長,因此橢圓孔向孔道傳熱的換熱面積大于圓形孔的換熱面積,其換熱量也較大,使得孔中心溫度較高。此外,相同孔形,孔數(shù)越多,其孔中心溫度越高。橢圓孔這種現(xiàn)象更加明顯。這是因為在相同孔形工況下,要保持孔道總橫截面積相同,孔數(shù)越多,其當(dāng)量直徑越小,孔中心線越接近蓄熱體,因此溫度也越高。

2.2 孔形和孔數(shù)對孔道內(nèi)速度的影響

孔形和孔數(shù)對孔道內(nèi)速度的影響如圖3所示。

圖3 孔形和孔數(shù)對孔道內(nèi)速度的影響

由圖3可以看出,不論孔數(shù)多少,橢圓孔內(nèi)中心線速度均大于圓形孔;相同孔數(shù)工況下,橢圓孔內(nèi)速度較圓孔內(nèi)速度要大30%左右。這與相同孔數(shù)下橢圓孔中心溫度較高有關(guān)(見圖2)。在自然對流工況下,溫度越高,分子熱運動越劇烈,速度也越快。無論何種孔形和孔數(shù),距地面約40 mm處,空氣速度開始增加,進(jìn)入孔道后(橫坐標(biāo)為50 mm),速度迅速增加,到達(dá)一定值后,速度保持不變,橢圓孔在距蓄熱體出口約25 mm處(橫坐標(biāo)125 mm為蓄熱體出口),圓孔在距蓄熱體出口約15 mm處速度開始下降,這是受到孔出口效應(yīng)影響所致。

由圖3還可以看出,孔中心線速度在離開蓄熱體出口約15 mm處速度有個最小值,是由孔出口與出口附近旋渦效應(yīng)共同作用的結(jié)果[16]?？仔蜗嗤瑫r,孔數(shù)越多,中心線速度越小。因為當(dāng)孔形相同時,若保持孔橫截面積不變,則孔數(shù)越多,孔的當(dāng)量直徑越小,在自然對流工況下,其空氣阻力也越大,致使速度較小。

2.3 孔道內(nèi)空氣換熱量的變化

在自然對流工況下,當(dāng)蓄熱體上有孔時,該孔已成為蓄熱體散熱的一部分,因此孔出口溫度、孔形、孔數(shù)及孔軸的方向等對整個蓄熱體散熱均有影響。根據(jù)能量方程,孔散熱量可表示為

Φ=qm″Cp″tf″-qm′Cp′tf′

(4)

式中:qm′,qm″——空氣進(jìn)出口的質(zhì)量流量,kg/m3;

Cp′,Cp″——空氣進(jìn)出口的比熱容;

tf′,tf″——孔道進(jìn)出口空氣溫度,K。

由于空氣密度、比熱容和溫度都隨時間的變化而變化,這里選取時間為1.0×104s時的數(shù)據(jù)代入表2擬合公式計算瞬時值,從而求出孔道換熱量進(jìn)行分析比較。

孔形和孔數(shù)對孔出口平均溫度的影響如圖4所示。

圖4 孔形和孔數(shù)對孔出口平均溫度的影響

由圖4可以看出,開始時,橢圓孔出口溫度高于圓孔,但在5 000 s(約1.4 h)左右時,橢圓孔出口溫度開始低于圓孔,而在本文計算工況下,孔數(shù)對出口溫度影響不大。圓形孔出口溫度隨時間延長變化較平緩。

孔道內(nèi)空氣換熱量隨時間變化如圖5所示。

圖5 孔道內(nèi)空氣換熱量隨時間變化比較

由圖5可以看出,通過孔向計算空間的散熱量時,開始基本不變,但在5 000 s左右時,散熱量開始急劇增加,而孔形和孔數(shù)均對此無太大影響。

2.4 蓄熱體平均溫度的變化

蓄熱體平均溫度變化如圖6所示。

由圖6可以看出,不論何種孔形和孔數(shù),蓄熱體平均溫度在開始時下降迅速,在5 000 s左右時溫度下降變緩,但有8個圓孔的蓄熱體,過了5 000 s后平均溫度幾乎保持不變。蓄熱體短時間平均溫度下降迅速對于供暖不利,如何使蓄熱體平均溫度均勻平緩地變化是室內(nèi)供暖需要研究的重要問題,也是本文作者后續(xù)工作的重點。此外,橢圓孔蓄熱體平均溫度開始下降較圓孔的慢,但過了5 000 s后,橢圓孔較圓孔下降得快,孔數(shù)越多這種現(xiàn)象越明顯。

圖6 蓄熱體平均溫度變化

3 結(jié) 論

(1) 在計算工況下即固體蓄熱體體積保持不變、蓄熱體總橫截面積一定時,橢圓孔道中心溫度明顯高于圓孔道中心線溫度,最大相差17%左右。在蓄熱體外(孔中心線的延長線)也有這種現(xiàn)象,但兩者的差別有所減小。相同孔形下,孔數(shù)越多,其孔中心溫度越高,對橢圓孔尤為明顯。

(2) 不論孔數(shù)多少,橢圓孔內(nèi)中心線速度均大于圓孔。相同孔數(shù)下,橢圓孔內(nèi)速度較圓孔內(nèi)速度要大30%左右。

(3) 不論何種孔形和孔數(shù),距地面約40 mm處,空氣速度開始增加,進(jìn)入孔道后,速度迅速增加,到達(dá)一定值后,速度保持不變;橢圓孔在距蓄熱體出口25 mm左右、圓孔在距蓄熱體出口15 mm左右速度開始下降。同一種孔形,孔數(shù)越多,孔中心速度越小。

(4) 散熱開始時,橢圓孔出口溫度高于圓孔,但在5 000 s(約1.4 h)左右時,橢圓孔出口溫度開始低于圓孔,而在本文計算工況下,孔數(shù)對出口溫度影響不大。圓孔出口溫度隨時間的延長變化較為平緩。

(5) 通過孔向計算工況空間的散熱量時,開始基本不變,但在5 000 s左右時,散熱量開始急劇增加,孔形和孔數(shù)均對此無太大影響。散熱開始時,橢圓孔蓄熱體平均溫度下降較圓孔的蓄勢體平均溫度慢,但在5 000 s后,橢圓孔較圓孔下降得快,孔數(shù)越多這種現(xiàn)象越明顯。