基于ANSYS分析的蓄熱磚蓄熱特性數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究

趙 頔，王啟民

（沈陽工程學(xué)院a.研究生部；b.能源與動力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

“煤改電”利用低谷電蓄熱，對于降低運(yùn)行費(fèi)用、平衡電網(wǎng)負(fù)荷具有重要意義［1］。固體電蓄熱技術(shù)是目前解決用電峰谷差的有效方法，這其中鎂磚蓄熱占具較大比重。大力推廣在低谷時(shí)段運(yùn)行的蓄熱裝置，不失為“削峰填谷”的有效辦法［2-3］。但是由于蓄熱體在工作運(yùn)行時(shí)，機(jī)組都會長時(shí)間處于高溫狀態(tài)，蓄熱磚本身長時(shí)間在高溫條件下會降低絕緣性能，并與一定方式相連接的熱源電阻絲產(chǎn)生“熔斷短路”的現(xiàn)象，降低了電阻絲的使用壽命，影響蓄熱體的蓄熱過程。因此，需要對電阻絲與蓄熱磚進(jìn)行合理地優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文研究套管對鎂磚蓄、放熱性能的影響，對進(jìn)一步拓展鎂磚蓄熱體的使用有一定的推進(jìn)作用。此外，對附陶瓷管的蓄熱磚傳熱特性進(jìn)行數(shù)值模擬，對環(huán)保以及能源利用具有一定的指導(dǎo)意義［4］。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

固體電蓄熱實(shí)驗(yàn)臺由高鋁陶瓷管、電阻絲、風(fēng)道、蓄熱磚及保溫管構(gòu)成，系統(tǒng)裝置如圖1 所示。當(dāng)以恒功率加熱蓄熱體磚體并達(dá)到一定溫度時(shí)，啟動循環(huán)風(fēng)機(jī)，空氣通過風(fēng)道與蓄熱體進(jìn)行換熱，然后流入到換熱器中加熱水，供用戶使用。蓄熱體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，在格子體中布置的蓄熱磚如圖3 所示。蓄熱體由若干塊鎂磚堆砌而成，電阻絲在恒功率下加熱，并將熱量傳遞給所鑲套的陶瓷管，陶瓷管再將熱量傳遞給陶瓷管與蓄熱體間的空氣膜，然后經(jīng)空氣膜傳遞給蓄熱磚體。

蓄熱體進(jìn)行加熱時(shí)，在裝置內(nèi)部安裝熱電偶進(jìn)行溫度測量，測點(diǎn)如圖4 所示。蓄熱磚體將電能轉(zhuǎn)化為熱能儲存起來，在需要供熱時(shí)段利用循環(huán)風(fēng)機(jī)將蓄熱裝置儲存的熱量通過空氣向用戶進(jìn)行供熱。

圖1 固體電蓄熱系統(tǒng)裝置

圖2 蓄熱體結(jié)構(gòu)

圖3 蓄熱磚三維模型

圖4 溫度測點(diǎn)

2 蓄熱裝置數(shù)值模擬

2.1 溫度模擬數(shù)值計(jì)算

2.1.1 蓄熱材料物理特性參數(shù)的設(shè)定

蓄熱磚要求磚體材料具有極高的熱容量，熱容量的大小取決于材料的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)［5］，蓄熱材料的物理特性如表1所示。

表1 蓄熱材料物理特性

2.1.2 溫度載荷的設(shè)定

蓄熱磚在升溫加熱的過程中，電阻絲在恒定功率下恒流加熱，并且設(shè)置外壁面為絕熱。在工程實(shí)際中，由于蓄熱磚蓄熱及放熱的周期性問題，故選取初始環(huán)境的溫度為22 ℃，在計(jì)算過程中取時(shí)間步長為360 s，加熱時(shí)長為10 h。

加熱蓄熱磚的電功率為12 996 W，則一塊磚的熱流密度為

由于加入高鋁陶瓷材料且熱流量不變，換熱面積發(fā)生改變，所以熱流密度產(chǎn)生變化。其熱流量為

改變后的熱流密度為

2.1.3 熱對流的設(shè)定

由于本裝置的Re 為40 000～160 000，故屬于紊流狀態(tài)下的強(qiáng)制對流換熱。紊流狀態(tài)下流體流動質(zhì)點(diǎn)紊亂，因此由于溫度不同而引起的自然對流對整個流動狀態(tài)的影響是極為微弱的，可忽略不計(jì)。所以，計(jì)算公式的表達(dá)式為［6-9］

精確的實(shí)驗(yàn)公式為

取定性溫度t=100 ℃，查表得

通過計(jì)算可知，當(dāng)Re=40 000時(shí)，α=51.18 W/（m2·℃）；當(dāng)Re=160000時(shí)，α=155.136 W/（m2·℃）。

2.2 數(shù)值模擬

由于蓄熱體由若干塊蓄熱磚按照一定結(jié)構(gòu)堆砌而成，因此每塊磚體在加熱過程中具有相同的熱量，故取其中一塊磚進(jìn)行建模分析可知，該過程屬于具有內(nèi)熱源的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，所以導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱容均為常數(shù)［10-11］。利用ANSYS Workbench對單塊蓄熱磚進(jìn)行三維建模，將其導(dǎo)入Transient Thermal 有限元軟件，對單塊蓄熱磚進(jìn)行溫度數(shù)值模擬，蓄熱磚模擬參數(shù)如表2所示。

表2 蓄熱磚數(shù)值模擬參數(shù)

圖5 蓄熱磚加熱10 h后的溫度分布

蓄熱磚裝置在12 996 W 功率下加熱10 h 后的溫度分布結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知，在加熱過程中，鎂磚內(nèi)各點(diǎn)溫度隨時(shí)間不斷變化，套管表面溫度升高后，鎂磚內(nèi)側(cè)表面溫度首先升高，然后熱量自內(nèi)側(cè)向外側(cè)傳遞。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)僅研究蓄熱磚的蓄熱過程，在封閉條件下會有極少的熱量損失，所以蓄熱磚的對流換熱系數(shù)數(shù)值極小，在蓄熱數(shù)值模擬中暫不考慮。

蓄熱磚自初始溫度通以恒功率加熱后，穿插在平行孔內(nèi)的電阻絲開始向外傳遞熱量，此時(shí)與電阻絲緊靠的陶瓷管首先接觸高熱量熱流，溫度升高；然后熱量通過陶瓷管與鎂磚磚體間的微小空氣膜，最終傳遞到鎂磚磚體。由于本實(shí)驗(yàn)為三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，在鎂磚受熱升溫的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中，熱量從電阻絲與陶瓷管緊靠的壁面處進(jìn)入，沿途不斷地被吸收而使整個鎂磚溫度升高，并最終使各點(diǎn)溫度達(dá)到穩(wěn)定為止。由于選取的鎂磚導(dǎo)熱系數(shù)以及單位體積的物體溫度升高1 ℃所需的熱量均為定值，所以對鎂磚進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，熱擴(kuò)散率不變。根據(jù)熱流量云圖（如圖6 所示）以及矢量圖（如圖7所示）可知，從熱源處向外進(jìn)行熱量傳導(dǎo)，熱量在鎂磚內(nèi)部趨于均勻分布且變化較穩(wěn)定。

圖6 蓄熱磚加熱10 h后的熱流量

圖7 蓄熱磚加熱10 h后的矢量

3 實(shí)驗(yàn)過程

為了驗(yàn)證ANSYS模擬的正確性和蓄熱體的實(shí)際性能，采用固體電蓄熱爐裝置（如圖1）進(jìn)行空爐磚體加熱實(shí)驗(yàn)，對圖3 所示的鎂磚在蓄熱體里進(jìn)行封閉加熱。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，關(guān)閉循環(huán)風(fēng)機(jī)，將蓄熱體上端保溫層蓋封嚴(yán)，關(guān)閉電源及進(jìn)出口風(fēng)道閥門。當(dāng)磚體上表面的環(huán)境溫度為22 ℃時(shí)，以12 996 W恒功率開始對穿插在電熱絲通道的電阻絲進(jìn)行加熱，此時(shí)蓄熱磚體測點(diǎn)1 的初始溫度為22.2 ℃，測點(diǎn)2 的初始溫度為25.6 ℃，測點(diǎn)3 的初始溫度為42.3 ℃，測點(diǎn) 4 的初始溫度為 22.5 ℃。每隔 1 h 記錄1組數(shù)據(jù)，磚體加熱10 h后停止實(shí)驗(yàn)。

圖8 測點(diǎn)1～4的實(shí)驗(yàn)溫度與模擬溫度單獨(dú)對比曲線

圖8為測點(diǎn)1～4的實(shí)驗(yàn)溫度與模擬溫度單獨(dú)對比曲線。通過曲線以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比可知，電阻絲在時(shí)間t=0時(shí)開始加熱，加熱至10 h，蓄熱磚體內(nèi)各點(diǎn)溫度趨于均勻，測點(diǎn)1 與測點(diǎn)4 的變化從始至終相對平行，接近兩條直線。測點(diǎn)2 與測點(diǎn)3 在剛開始加熱時(shí)溫度突然增大，這是由于測點(diǎn)2 與測點(diǎn)3的位置在熱源處，而測點(diǎn)1 與測點(diǎn)4 的位置相對熱源較遠(yuǎn)，且熱傳導(dǎo)的方式是自內(nèi)向外。從t=0 時(shí)刻起，以恒功率加熱磚體時(shí)，產(chǎn)生的熱量與磚體初溫相差較大，故測點(diǎn)2 與測點(diǎn)3 的非穩(wěn)態(tài)傳熱曲線增大幅度較大，且測點(diǎn)2 與測點(diǎn)3 的最終溫度高于測點(diǎn)1與測點(diǎn)4的最終溫度。

鎂磚加熱10 h 后，測點(diǎn)1～4 的誤差曲線如圖9所示。

圖9 模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差對比情況

由圖9 可知，起始時(shí)段模擬值與實(shí)驗(yàn)值設(shè)定相同，所以誤差為零。在通以恒功率加熱時(shí)，熱量增加，此時(shí)實(shí)驗(yàn)值與模擬值大幅度增加，加熱1 h 后，誤差相對達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；加熱10 h 后，測點(diǎn)2 和測點(diǎn)3 的誤差值較一致，且測點(diǎn)2 和測點(diǎn)3 分布在同一熱源孔的兩側(cè)，熱量變化較穩(wěn)定。測點(diǎn)1 和測點(diǎn)4相對于測點(diǎn)2和測點(diǎn)3誤差值較小，這是由于測點(diǎn)1 和測點(diǎn)4 距離熱源較遠(yuǎn)，熱量到達(dá)測點(diǎn)1 和測點(diǎn)4時(shí)比較穩(wěn)定，模擬值與實(shí)驗(yàn)值相差不大。采用數(shù)值分析方法計(jì)算誤差可知，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差小于15%，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨于一致。因此，數(shù)值模擬分析的模型及其方法是正確的。

4 結(jié) 論

1）采用ANSYS有限元求解方法對固體蓄熱磚的蓄熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到蓄熱磚在不同測點(diǎn)下的溫度分布，模擬值與實(shí)驗(yàn)測量值誤差小于15%，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨于一致，以此驗(yàn)證了數(shù)值模擬的結(jié)果具有速度快、效率高、準(zhǔn)確度良好等優(yōu)點(diǎn)。

2）加入套管對鎂磚整體蓄熱性能沒有較大影響，對于保護(hù)電阻絲、對電阻絲進(jìn)行“隔離”控制具有一定效果，這對進(jìn)一步拓展鎂磚蓄熱體的使用有一定的推進(jìn)作用。