帶中間通道的蓄熱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及放熱性能研究

徐 迅 ,顧 帥 ,鞠貴冬

(1.南通大學(xué)杏林學(xué)院,江蘇省 南通市 226000;2.雙良節(jié)能系統(tǒng)股份有限公司低碳研究院,江蘇省 無錫市 214400)

0 引言

固體蓄熱技術(shù)將非峰值電能轉(zhuǎn)化為熱能存儲(chǔ)起來,在需要提供熱量時(shí)再進(jìn)行熱能釋放,對消納電網(wǎng)富余電能,平衡峰谷負(fù)荷具有積極意義[1]。同時(shí),電能作為一種清潔能源,固體蓄熱技術(shù)可減少燃煤造成的環(huán)境污染,是解決冬季供暖污染問題的有效途徑[2]。

近年來,科研工作者對固體蓄熱技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。尹少武等[3]通過實(shí)驗(yàn)檢測了粉煤灰、氧化鎂、剛玉砂、剛玉球等非相變固體蓄熱材料的熱物性,結(jié)合Fluent非穩(wěn)態(tài)模擬方法,模擬了蓄熱體在不同材料粒徑下的蓄放熱溫度場變化規(guī)律。黃新晨等[4]通過數(shù)值模擬的方法,研究了氧化鎂、堇青石、剛玉磚、黏土磚4種材料以及孔隙率對蓄熱性能的影響,并分析了不同風(fēng)速下蓄熱體的放熱特性。邢作霞等[5]利用數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方式對蓄熱結(jié)構(gòu)的通道結(jié)構(gòu)、孔隙率及進(jìn)口空氣流速等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析。趙頔等[6]利用數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn),研究了電阻絲附套管時(shí)對鎂磚整體蓄熱性能的影響,有助于延長電阻絲的使用壽命。胡自鋒等[7]以氧化鎂磚作為蓄熱介質(zhì),設(shè)計(jì)了一種新型蓄熱體結(jié)構(gòu),在目標(biāo)蓄熱時(shí)間下較傳統(tǒng)蓄熱體整體溫度分布更優(yōu),且能有效提高蓄熱體蓄熱能力,相應(yīng)降低蓄熱成本。徐耀祖等[8]通過數(shù)值分析方法對現(xiàn)有蓄熱體結(jié)構(gòu)提出截面和功率分布的優(yōu)化方式。李晶晶等[9]采用數(shù)值模擬的方法研究了在自然對流條件下蓄熱體開設(shè)的孔數(shù)和孔形對放熱特性的影響。葉祺賢等[10]采用實(shí)驗(yàn)方法研究了蓄熱體結(jié)構(gòu)參數(shù)和保溫層厚度對固體蓄熱裝置放熱特性的影響。畢月虹等[11]對不同孔道結(jié)構(gòu)固體蓄熱單元的蓄放熱過程進(jìn)行仿真研究,分析和比較了蓄熱磚孔道結(jié)構(gòu)和進(jìn)口空氣流速等參數(shù)對蓄熱單元蓄放熱性能的影響。從上述研究中可以看到,對固體蓄熱技術(shù)的研究大多集中在蓄熱材料的選擇、蓄熱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、蓄放熱過程傳熱特性等方面。

蓄熱體通風(fēng)孔道內(nèi)空氣流速分布是影響蓄熱體放熱性能的重要因素。目前送風(fēng)機(jī)組常見的送風(fēng)形式包括下送風(fēng)和側(cè)送風(fēng)。下送風(fēng)形式送風(fēng)口設(shè)置在送風(fēng)倉底部,氣流由下至上豎向送出,達(dá)到風(fēng)倉頂部后沿兩側(cè)回流下落,覆蓋蓄熱體整個(gè)迎風(fēng)截面,這種送風(fēng)形式容易在風(fēng)倉內(nèi)形成以風(fēng)口出流為中心對稱的漩渦流場[12];側(cè)送風(fēng)形式風(fēng)口布置在送風(fēng)倉側(cè)壁,氣體出流方向正對蓄熱體,送風(fēng)氣流一部分直接進(jìn)入通風(fēng)孔道,另一部分經(jīng)過與壁面的撞擊向風(fēng)口周圍放射性擴(kuò)散,在迎風(fēng)截面各通風(fēng)孔道上表現(xiàn)出明顯的流速差異[12]。側(cè)送風(fēng)形式能夠使流體在較短時(shí)間內(nèi)流經(jīng)通風(fēng)孔道從出風(fēng)口流出,有利于出風(fēng)。無論采用哪種送風(fēng)方式,各通風(fēng)孔內(nèi)氣流流速的差異會(huì)導(dǎo)致蓄熱模塊內(nèi)存在明顯的溫度差異。蓄熱體取熱不均勻,出現(xiàn)熱堆積現(xiàn)象,不利于系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行。

針對這一問題,本文提出一種新型結(jié)構(gòu)的蓄熱體,在通風(fēng)孔道內(nèi)設(shè)計(jì)中間通道,利用Fluent建立數(shù)值模型,對新型結(jié)構(gòu)蓄熱體放熱時(shí)的溫度分布和通風(fēng)孔道內(nèi)的流速分布開展研究,并與無中間連通結(jié)構(gòu)蓄熱體進(jìn)行對比分析。

1 物理模型

新型磚體采用蓄熱能力優(yōu)良的氧化鎂磚[1],設(shè)計(jì)尺寸為高100mm×寬100mm×長200mm,在兩側(cè)開設(shè)60mm×9mm 通風(fēng)孔道,在通風(fēng)孔道中設(shè)置長100mm 中間通道,如圖1所示。

利用新型磚體搭建蓄熱體,模擬計(jì)算用蓄熱體結(jié)構(gòu)如圖2所示。通風(fēng)孔道為高60mm×寬18mm的矩形,在豎直方向形成上下貫通的中間通道,通風(fēng)孔道內(nèi)放置電熱絲,蓄熱時(shí)通電加熱,放熱時(shí)則作為散熱孔道。該蓄熱體孔隙率為14.4%。

圖2 蓄熱體結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure model of heat storage body

固體蓄熱系統(tǒng)采用側(cè)送風(fēng)方式,由蓄熱模塊、流體進(jìn)出口、前后空氣腔和保溫殼體組成,如圖3所示。蓄熱摸塊尺寸為高400mm×寬400mm×長600mm;前后空氣腔長200mm,寬和高與蓄熱模塊一致;進(jìn)出風(fēng)口尺寸為高100mm×寬100mm。

圖3 固體蓄熱系統(tǒng)Fig.3 Solid heat storage system

蓄熱體和空氣的熱物性參數(shù)如表1所示。

表1 蓄熱鎂磚與空氣的物性參數(shù)Table 1 Thermal physical performance parameters of magnesium bricks and air

文獻(xiàn)[13]研究表明,蓄熱體放熱過程中內(nèi)部水平方向(x軸方向)溫差較小,高度方向(y軸方向)和換熱通道方向(z軸方向)溫差較大?？紤]到數(shù)值模擬過程對計(jì)算機(jī)性能的要求,選取蓄熱模塊在x軸方向上居中的1/4模塊建立數(shù)值計(jì)算模型,分析蓄熱體溫度場和通風(fēng)孔道內(nèi)流速的分布規(guī)律。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

蓄熱體放熱過程為孔道內(nèi)空氣與其壁面的對流換熱。通風(fēng)孔道內(nèi)氣流的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程的通用形式可表示為

式中:ρ為氣體密度,kg/m3;φ為代表各項(xiàng)速度u、v、w和溫度T的通用變量;U為氣體速度矢量,m/s;Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù);Sφ為廣義源項(xiàng)[14]。

空氣流動(dòng)采用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型為

式中:μ為黏度系數(shù);μt為湍動(dòng)黏度;ε為耗散率;vi為氣體在各方向的速度,m/s;Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng);Gb為浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng);YM代表可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn);Sk、Sε為控制方程的源項(xiàng);C1ε、C2ε、C3ε、σk、σε為常數(shù),分別取值為1.44、1.92、1.00、1.00、1.30。

固體區(qū)域熱傳導(dǎo)方程為

式中:ρs為固體密度,kg/m3;c為比熱容,J/(kg·K);λ為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)。

2.2 邊界條件

空氣入口邊界設(shè)置為速度入口,入口流速6m/s,入口溫度100℃;空氣出口邊界為壓力出口;換熱面采用wall邊界,設(shè)置成couple耦合換熱面;其他邊界采用wall邊界條件;蓄熱磚初始溫度設(shè)為800℃。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

計(jì)算上述模型在放熱過程中蓄熱體的溫度分布及通風(fēng)孔道內(nèi)氣體流速分布,并與無中間通道結(jié)構(gòu)蓄熱體進(jìn)行對比。無中間通道結(jié)構(gòu)蓄熱磚體兩側(cè)開設(shè)高60mm×寬12mm 通風(fēng)孔道,搭建的蓄熱體通風(fēng)孔道為高60mm×寬24mm 的矩形,與新型蓄熱體孔隙率相同,即理論蓄熱能力相同。計(jì)算控制方程與邊界條件均保持一致。

3.1 蓄熱體平均溫度對比

無中間通道結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)這2種結(jié)構(gòu)蓄熱體隨放熱時(shí)間的平均溫度對比如圖4所示。

圖4 蓄熱體平均溫度隨放熱時(shí)間的變化Fig.4 The variation of average temperature of heat storage body with heat release time

同等工況下,新型蓄熱體降溫更快,換熱效率更高。在放熱過程中,新型結(jié)構(gòu)蓄熱體相比于無中間連通結(jié)構(gòu),平均溫度下降37～68℃,最高降幅達(dá)22.8%。這是由于中間連通結(jié)構(gòu)一方面增加了固體與流體的接觸面積,另一方面通風(fēng)孔道截面變化促進(jìn)了湍流,從而流固換熱增強(qiáng)。

3.2 蓄熱體最大溫差對比

無中間通道結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)這2種結(jié)構(gòu)蓄熱體隨放熱時(shí)間的最大溫差對比如圖5所示。

圖5 蓄熱體最大溫差隨放熱時(shí)間的變化Fig.5 The variation of the maximum temperature difference of the heat storage body with the release time

在放熱過程中,新型結(jié)構(gòu)蓄熱體相比于無中間聯(lián)通結(jié)構(gòu),內(nèi)部最大溫差下降27～60℃,且隨放熱時(shí)間的推移,降幅逐漸增大,最高降幅達(dá)48.2%。中間連通結(jié)構(gòu)減輕了蓄熱體熱堆積現(xiàn)象。

3.3 通風(fēng)孔道內(nèi)空氣流速對比

放熱1h后,無中間通道結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)這2種蓄熱體通風(fēng)孔道內(nèi)的流速分布對比如圖6所示。

圖6 蓄熱體通風(fēng)孔道內(nèi)流速分布Fig.6 Flow velocity distribution in the ventilation duct of the heat storage body

在蓄熱體通風(fēng)孔道入口處,正對進(jìn)風(fēng)口的中間2個(gè)孔道流速較快,遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口的2個(gè)孔道流速較中心區(qū)域大幅下降。通風(fēng)孔道內(nèi)流體流速大的區(qū)域通過中間連通結(jié)構(gòu),向流速低的區(qū)域流動(dòng)。

采用相對標(biāo)準(zhǔn)偏差表征流速分布的均勻性,即

式中:S為標(biāo)準(zhǔn)偏差;vj為第j個(gè)采樣點(diǎn)的速度值;ˉv為所有采樣點(diǎn)的平均速度;n為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù);Cv為相對標(biāo)準(zhǔn)偏差,Cv值越小,流場均勻度越高[15]。

選取沿通風(fēng)孔道方向入口處(z=0m)和中心處(z=0.3m),孔道截面中心為采樣點(diǎn),對比空氣流速相對標(biāo)準(zhǔn)偏差,如表2所示。

表2 通風(fēng)孔道內(nèi)空氣流速相對標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 2 Relative standard deviation of air flow velocity in ventilation ducts

新型結(jié)構(gòu)蓄熱體相比于無中間聯(lián)通結(jié)構(gòu),通風(fēng)孔道中心處流速均勻度指數(shù)下降了45.4%。中間連通結(jié)構(gòu)大幅提高了通風(fēng)孔道內(nèi)空氣流速均勻度。

3.4 蓄熱體溫度分布對比

中間連通結(jié)構(gòu)沿豎直方向,選取沿通風(fēng)孔道方向中心處截面(x=0.25m、z=0.3m),對比無中間通道結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)這2種蓄熱體在放熱1 h后豎直方向上的溫度分布,如圖7(a)所示。選取沿通風(fēng)孔道方向中心處截面(y=0.2m、z=0.3m),對比這2種蓄熱體水平方向上的溫度分布,如圖7(b)所示。選取(x=0.25m、y=0.2m)截面,對比這2種蓄熱體沿通風(fēng)孔道方向上的溫度分布,如圖7(c)所示。

圖7 放熱1h后的溫度分布Fig.7 Temperature distribution when releasing heat for 1h

由圖7(a)可知:這2種蓄熱體在豎直方向上溫度分布均呈現(xiàn)中間低,上下高的特點(diǎn)。新型結(jié)構(gòu)蓄熱體與無中間連通結(jié)構(gòu)相比,截面最高溫度由633℃降為559℃,降幅11.7%;最大溫差由30℃降為19℃,降幅36.7%。中間連通結(jié)構(gòu)使蓄熱體沿豎直方向溫度分布更均勻。

由圖7(b)可知:水平方向上,新型結(jié)構(gòu)蓄熱體截面最大溫差12℃,無中間通道結(jié)構(gòu)蓄熱體截面最大溫差11℃,兩者接近,沿豎直方向開設(shè)的中間通道并未對水平方向的溫度均勻性造成惡化影響。

由圖7(c)可知:這2種結(jié)構(gòu)蓄熱體從進(jìn)風(fēng)口溫度逐漸升高,到接近出風(fēng)口處溫度逐漸降低。這是由于前空氣腔空氣與蓄熱體充分接觸,換熱效率高,進(jìn)風(fēng)與蓄熱體熱交換后溫度升高,換熱效率降低,而在后空氣腔空氣與蓄熱體接觸面積較大,換熱效率提高。

新型結(jié)構(gòu)蓄熱體與無中間連通結(jié)構(gòu)相比,截面最高溫度由645℃降為584℃,下降9.5%;最大溫差由226℃降為205℃,下降9.3%。

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有固體蓄熱裝置取熱不均問題,本文提出一種新型結(jié)構(gòu)蓄熱體,在通風(fēng)孔道內(nèi)設(shè)計(jì)中間通道,利用Fluent建立蓄熱體放熱數(shù)值模型,研究了新型結(jié)構(gòu)蓄熱體放熱時(shí)的溫度分布和通風(fēng)孔道內(nèi)的流速分布,并與無中間連通結(jié)構(gòu)蓄熱體進(jìn)行了對比分析,得到如下結(jié)論:

(1) 在放熱過程中,新型結(jié)構(gòu)蓄熱體相比于無中間連通結(jié)構(gòu),平均溫度下降37～68℃,最高降幅達(dá)22.8%;蓄熱體內(nèi)最大溫差下降27～60℃,且隨放熱時(shí)間的推移,降幅逐漸增大,最高降幅達(dá)48.2%。中間連通結(jié)構(gòu)提高了換熱效率,減輕了熱堆積現(xiàn)象。

(2) 風(fēng)孔道內(nèi)流體流速大的區(qū)域通過中間連通結(jié)構(gòu),向流速低的區(qū)域流動(dòng)。新型結(jié)構(gòu)蓄熱體相比于無中間聯(lián)通結(jié)構(gòu),通風(fēng)孔道中心處流速均勻度指數(shù)下降45.4%。

(3) 沿通風(fēng)孔道方向中心處截面上,新型結(jié)構(gòu)蓄熱體與無中間連通結(jié)構(gòu)相比,放熱1 h后豎直方向最大溫差由30℃降為19℃,降幅36.7%;水平方向兩種結(jié)構(gòu)蓄熱體最大溫差接近。中間連通結(jié)構(gòu)使蓄熱體沿豎直方向溫度分布更均勻,且未對水平方向的溫度均勻性造成惡化影響。