基于TRNSYS平臺(tái)的PCM層儲(chǔ)能電爐蓄熱過程的數(shù)值模擬研究

張 浩,黃錦華,郁 丹

(浙江華云電力工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司,浙江 杭州 310014)

蓄熱式儲(chǔ)能電爐產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代,是一種環(huán)保型加熱電爐,與傳統(tǒng)加熱爐比具有預(yù)熱高、污染物排放量低等特點(diǎn)[1-3],目前蓄熱式儲(chǔ)能電爐在全世界因其環(huán)保節(jié)能而得到廣泛應(yīng)用,進(jìn)行儲(chǔ)能電爐蓄熱過程的數(shù)值模擬研究對(duì)電爐優(yōu)化具有身份重要的意義[4]。

儲(chǔ)能電爐蓄熱過程的數(shù)值模擬研究可有效解決電能供需矛盾,為此盧昌燊等研究PCM參數(shù)對(duì)儲(chǔ)能式電爐蓄熱影響改善電爐蓄熱,但該方法采用多孔介質(zhì)模型,模型數(shù)據(jù)較復(fù)雜[5];唐志偉等研究高溫相變蓄熱電鍋爐的數(shù)值模擬并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理,研究平板和鋸齒型兩種蓄熱板的蓄熱效果,未對(duì)更多的電爐蓄熱過程進(jìn)行相關(guān)模擬[6]。

TRNSYS平臺(tái)是瞬時(shí)系統(tǒng)模擬程序平臺(tái),專用于模塊分析應(yīng)用,由若干個(gè)小模塊組成整個(gè)模擬系統(tǒng),一個(gè)模塊代表一個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)[7]。PCM層是TRNSYS平臺(tái)脈沖編碼調(diào)制層,用來實(shí)現(xiàn)聲音到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。因此,提出基于TRNSYS平臺(tái)的PCM層儲(chǔ)能電爐蓄熱過程的數(shù)值模擬研究方法,依據(jù)TRNSYS平臺(tái)優(yōu)勢(shì),完成儲(chǔ)能電爐蓄熱過程數(shù)值模擬。

1 數(shù)值模擬下的蓄熱儲(chǔ)能電爐

1.1 儲(chǔ)能電爐物理模型建立

在蓄熱式儲(chǔ)能電爐中加入蓄熱耐火材料,使電能轉(zhuǎn)化為熱能方便存儲(chǔ)[8],其工作運(yùn)行如圖1所示。

圖1 蓄熱式儲(chǔ)能電爐工作運(yùn)行圖

圖1中蓄熱耐火材料是由耐火塊組成的蓄熱體,當(dāng)電阻絲穿過蓄熱體會(huì)使蓄熱體溫度升高,升高到特定溫度就會(huì)停止加熱將熱量存儲(chǔ)[9]。當(dāng)應(yīng)用時(shí),低氣溫進(jìn)入蓄熱體中氣溫加熱得到可以使用的熱空氣。蓄熱式儲(chǔ)能電爐主要由蓄熱耐火材料組成,其特點(diǎn)是體積不易變形、儲(chǔ)熱密度大、導(dǎo)熱效果好、耐用結(jié)實(shí)[10]。

當(dāng)蓄熱式儲(chǔ)能電爐在夜間工作時(shí),電價(jià)處于低谷時(shí)期,將電加熱和風(fēng)機(jī)循環(huán)打開,電加熱將風(fēng)機(jī)冷風(fēng)進(jìn)行加熱,再將熱能傳送到蓄熱板進(jìn)行儲(chǔ)熱,此時(shí)蓄熱板不能將所有熱能吸收,剩余少量熱能進(jìn)入換熱器實(shí)現(xiàn)供暖,在進(jìn)入換熱器過程中溫度會(huì)減少,此時(shí)需風(fēng)機(jī)增壓才會(huì)繼續(xù)循環(huán)工作[11-12]。

當(dāng)蓄熱式儲(chǔ)能電路放熱時(shí),其過程如圖2所示。

圖2 蓄熱式儲(chǔ)能電爐放熱系統(tǒng)流程圖

結(jié)合圖2分析,當(dāng)電爐在白天電價(jià)平穩(wěn)與升高時(shí),關(guān)閉加熱開關(guān),打開循環(huán)風(fēng)機(jī),將換熱過的冷風(fēng)進(jìn)行增壓設(shè)置,后進(jìn)入蓄熱板通道吸收所儲(chǔ)存的熱能,最后將熱能傳送給換熱器后形成的熱能傳遞給二次管道網(wǎng)循環(huán)水加熱實(shí)現(xiàn)供暖。在電爐放熱時(shí)溫度極高,為防止危險(xiǎn)發(fā)生以及減少經(jīng)濟(jì)損失和熱能損失,可將電爐所有面用保溫設(shè)備包裹起來進(jìn)行保溫,也可加裝蛭石板使電爐處于絕熱狀態(tài),有利于儲(chǔ)存能量[13]。

1.2 儲(chǔ)能電爐數(shù)學(xué)模型建立

1.2.1 假設(shè)條件

蓄熱式儲(chǔ)能電爐任意位置,流速恒定,氣溫分布均勻;恒定換熱系數(shù),即換熱系數(shù)不隨溫度、位置、時(shí)間改變而變化;氣流參數(shù)和蓄熱物體恒定;蓄熱通道內(nèi)氣流一樣[14]。

1.2.2 數(shù)學(xué)模型

1)氣體吸熱

蓄熱耐火材料加熱后,溫度一致,在蓄熱耐火材料中冷空氣受熱使能量增加,則空氣與蓄熱耐火材料之間轉(zhuǎn)換公式為

(1)

式中:pa為空氣密度,kg/m3;Ta為溫度,K;Cpa為空氣比定壓熱容,J/(kg·K);αa為空氣與蓄熱耐火材料對(duì)熱系數(shù),W/(m·K);ua為空氣流速,m/s;Tcs為蓄熱耐火材料溫度,K;x為空氣溫度的變量,K。

2)蓄熱體放熱

冷空氣進(jìn)入蓄熱耐火材料后釋放熱量。當(dāng)放出熱量時(shí),能量改變,蓄熱耐火材料放熱量由對(duì)流的熱量與自身熱量和組成,其表達(dá)公式為

(2)

式中:Cs為蓄熱耐火材料比熱容,J/(kg·K);Ms為質(zhì)量,kg;λs為導(dǎo)熱系數(shù);As為截面面積,m2;τ為蓄熱耐火材料溫度變量,K。

3)蓄熱率

當(dāng)蓄熱式儲(chǔ)能電爐開始運(yùn)行時(shí),蓄熱管蓄熱所得到的熱量就是蓄熱量,實(shí)際蓄熱量與集熱量的比值用蓄熱率表示,比值越大證明蓄熱高,其計(jì)算公式如下:

(3)

式中:K為蓄熱率;Qa為蓄熱時(shí)間,h;Qb為集熱器總蓄熱量,kW。

4)蓄熱耗電比值

蓄熱耗電比值指單位蓄電量的耗電量比值,比值越大代表蓄電量越高,其計(jì)算公式如下:

(4)

式中:H為蓄熱耗電比;W為蓄熱時(shí)間蓄熱水泵耗電量,kW·h。

1.3 基于TRNSYS軟件的PCM層儲(chǔ)能電爐蓄熱分析

TRNSYS軟件是一種以定義模塊為基礎(chǔ)的仿真模擬平臺(tái),如圖3所示。其具有模塊化結(jié)構(gòu),主體由一個(gè)主程序組成,多個(gè)功能性子程序?qū)ζ溥M(jìn)行配合,軟件的初始程序通過FORTRAN語言編寫完成,每個(gè)子程序都通過一個(gè)模塊在操作界面中被調(diào)用,同時(shí)實(shí)現(xiàn)特定的計(jì)算和輸入輸出功能。用戶在對(duì)特定的系統(tǒng)進(jìn)行建模時(shí),當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)模塊能夠反映模擬的實(shí)際需求時(shí),首先需要調(diào)用最符合系統(tǒng)運(yùn)行特性和功能的模塊,并根據(jù)被仿真設(shè)備的具體型號(hào)和要求,確定模塊各屬性參數(shù)的設(shè)定值。PCM層為其脈沖編碼調(diào)制層,軟件中模塊與模塊間數(shù)據(jù)相互傳送,將參數(shù)條件設(shè)置后會(huì)形成自身功能設(shè)置,不需要后期編程即可直接使用。

圖3 TRNSYS仿真模擬平臺(tái)

通過蓄熱式儲(chǔ)能電爐工作原理進(jìn)行系統(tǒng)建模,基于TRNSYS軟件PCM層分析儲(chǔ)能電爐蓄熱,實(shí)現(xiàn)建模、整理數(shù)據(jù)、求解、分析處理于一體的儲(chǔ)能電爐蓄熱數(shù)值模擬操作[15]。TRNSYS軟件求解由三面構(gòu)成:前處理、中運(yùn)算求解、后處理。前處理是構(gòu)建實(shí)體對(duì)象幾何模型,將網(wǎng)格進(jìn)行劃分;中運(yùn)算求解對(duì)參數(shù)與數(shù)據(jù)條件進(jìn)行模擬計(jì)算的過程;后處理是繪制圖與表格將計(jì)算結(jié)果得以呈現(xiàn),分析流程如圖4所示。

圖4 分析流程圖

設(shè)定氣體入口特定速度值與溫度是ua=3 m/s和Ta=180°,可以用湍流模型計(jì)算通道內(nèi)的流體標(biāo)準(zhǔn),將通道出口壓力條件設(shè)為P=0 Pa,蓄熱體特定初始溫度為Tcs=600 ℃,則與空氣接觸面可瞬間傳送熱量;可運(yùn)用SIMPLE算法求解之間關(guān)系;將設(shè)置次數(shù)與差值帶入氣體方程計(jì)算求解,得到氣體在通道內(nèi)氣體的溫度值,而固、氣體對(duì)流與固體內(nèi)部傳熱的方程計(jì)算可得出區(qū)域溫度值,得出結(jié)果作為初始依據(jù)迭代運(yùn)算,得出時(shí)間區(qū)域內(nèi)蓄熱體與氣體溫度分布數(shù)值,最后輸出結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 蓄熱率數(shù)值模擬

為驗(yàn)證本文方法數(shù)值模擬研究的實(shí)用性,以具備直徑為250 mm、高度為180 mm蓄熱單元的某儲(chǔ)能電爐為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,該儲(chǔ)能電爐的儲(chǔ)能單元頂部、底部、外部、內(nèi)部分別為絕熱蓋、電加熱器、保溫材料、形狀各異的銅片和相變材料。以該實(shí)驗(yàn)對(duì)象的蓄熱為目標(biāo)設(shè)立3因素2水平共6模擬組進(jìn)行分析,影響蓄熱式儲(chǔ)能電爐溫度主要原因是電爐的體積,假設(shè)電爐體積范圍為20～30 m3,以此為依據(jù),設(shè)定蓄熱時(shí)間在30～70 min,因此計(jì)算出蓄熱流量范圍在30～60 m3/h。

電爐蓄熱能力提升,則蓄熱時(shí)間得到減少,電量損耗亦會(huì)隨之減少,但也會(huì)增加蓄熱過程中熱量損失。而影響蓄熱率因素有很多,影響率占比從大到小分別是蓄熱流量>蓄熱溫度>蓄熱體積,分別用B,C,D表示,流量越小代表蓄熱量越高。綜上可得出各因素影響水平的表格分析,如表1所示。

表1 各因素水平表

根據(jù)表1所示,當(dāng)蓄熱溫度23/13 ℃時(shí)表示蓄熱啟動(dòng)溫度23 ℃,停止溫度13 ℃。模擬蓄熱率與因素水平的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中pi代表實(shí)驗(yàn)中各因素在同等條件下指標(biāo)之和,所以表2中P代表6項(xiàng)指標(biāo)和;qi代表各因素在同等條件下指標(biāo)的平均值。蓄熱率實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析如表2所示。

表2 蓄熱率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

因素影響水平分析結(jié)果表明,最佳水平因素搭配是B1,C1,D1,因?yàn)榇藭r(shí)蓄熱率最高。增加電爐內(nèi)管流量有利于提升管內(nèi)流速并利于蓄熱,但弊端是會(huì)減少換熱時(shí)間,而管道出口溫度也會(huì)升高,降低進(jìn)出口溫差會(huì)影響蓄熱能力,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電爐管內(nèi)流量與溫度的增加,其蓄熱量就會(huì)減少。極差分析可得出各因素對(duì)蓄熱效果影響的規(guī)律,再通過實(shí)驗(yàn)方差分析各因素對(duì)結(jié)果影響大小,蓄熱率實(shí)驗(yàn)方差結(jié)果分析如表3所示。

表3 蓄熱率實(shí)驗(yàn)方差分析

若某因素F>F0.05(2,2)=18時(shí)表明該因素對(duì)結(jié)果存在顯著影響;若F>F0.1(2,2)=8時(shí),表明該因素對(duì)結(jié)果存在較為顯著影響;若F

2.2 管道內(nèi)溫度數(shù)值模擬

蓄熱式儲(chǔ)能電爐管道內(nèi)流體與PCM層接觸時(shí)間長(zhǎng)短會(huì)影響電爐蓄熱溫度。如圖5所示為電爐與PCM層接觸溫度分布圖。

圖5 電爐蓄熱管道內(nèi)溫度分布

如圖5所示,電爐分為上部、中部、下部,其溫度總體變化趨勢(shì)是蓄熱-平穩(wěn)-蓄熱。在蓄熱初期即0～5 h 管內(nèi)流體與PCM接觸最早且當(dāng)時(shí)溫差大,管道下部升溫比中部、上部速度快;在蓄熱中期即5～15 h,PCM形態(tài)由固體變?yōu)橐后w,使管內(nèi)流體上浮,溫度平穩(wěn);在蓄熱后期15～24 h隨著溫度升高,管道下部升溫速度會(huì)低于管道中部與上部。

假設(shè)蓄熱式儲(chǔ)能電爐內(nèi)安裝2個(gè)蓄熱裝置,在2個(gè)蓄熱裝置上各選3個(gè)測(cè)試點(diǎn),1、3、5測(cè)點(diǎn)在漸變螺距蓄熱裝置上,2、4、6測(cè)點(diǎn)在恒定螺距蓄熱裝置上,再分別求出平均溫度。如表4所示為6個(gè)螺距蓄熱裝置測(cè)點(diǎn)的3種流速參數(shù),圖6為2個(gè)蓄熱裝置在管道入口溫度為75 ℃時(shí)三種流速的平均溫度曲線。

表4 蓄熱裝置3種流速參數(shù) m/s

圖6 蓄熱管平均溫度

如圖6所示,根據(jù)模擬結(jié)果可知,同等螺距蓄熱裝置下流速越大,蓄熱時(shí)間越短;相同流速下,漸變螺距蓄熱裝置相較于恒定螺距蓄熱裝置的蓄熱時(shí)間更短。原因在于,當(dāng)管道內(nèi)流速增大時(shí),管道壁換熱也會(huì)增加,流速的加大使管道升溫速度也會(huì)加快,縮短蓄熱時(shí)間。

2.3 相變蓄熱材料密度對(duì)融化時(shí)間、平均流速的影響

分析相變材料熱物理性質(zhì)對(duì)相變過程的影響。當(dāng)儲(chǔ)能電爐蓄熱時(shí),相變材料存在明顯溫度差,加熱一定時(shí)間后,相變材料每層溫度逐步達(dá)到熔點(diǎn)并完成相變。當(dāng)相變材料完全熔化后,各層溫度相同。

相變蓄熱材料的熱物理性質(zhì)對(duì)相變?nèi)刍^程有一定的影響。假設(shè)三種相變蓄熱材料分別為矩形、T形、樹枝形相變蓄熱材料,其密度參數(shù)如表5所示,分析密度對(duì)相變過程影響如圖7所示。

表5 相變蓄熱材料密度參數(shù) g/m3

圖7 密度對(duì)熔化時(shí)間影響

如圖7所示,結(jié)合表5密度參數(shù)可知,當(dāng)密度增加,三種相變蓄熱材料熔化時(shí)間也會(huì)增加,液體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1時(shí),三種相變蓄熱材料熔化完成,趨于平穩(wěn)變化狀態(tài)。

分析密度對(duì)平均流速影響,如圖8所示。分析圖8數(shù)值模擬結(jié)果可知,當(dāng)密度較小時(shí),相變蓄熱材料的平均流速大,自然對(duì)流作用較強(qiáng),所以熔化時(shí)間較短。當(dāng)密度逐漸增加時(shí),相變材料的平均流速逐漸減小,自然對(duì)流作用逐漸減弱,相變材料完全熔化時(shí)間較長(zhǎng)。

圖8 密度對(duì)平均流速的影響

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)基于TRNSYS平臺(tái)的PCM層儲(chǔ)能電爐蓄熱過程的數(shù)值模擬研究方法,利用蓄熱式儲(chǔ)能電爐工作流程建立氣體吸熱、放熱數(shù)學(xué)模型,結(jié)合RNSYS軟件分析PCM層儲(chǔ)能電爐蓄熱,將建模、整理數(shù)據(jù)、求解、分析處理于一體進(jìn)行簡(jiǎn)單操作,得出時(shí)間區(qū)域內(nèi)蓄熱體與氣體溫度分布數(shù)值以及對(duì)電爐蓄熱的影響。實(shí)驗(yàn)有效地驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬研究具備提升蓄熱實(shí)用性,加入相變蓄熱材料會(huì)增加蓄熱效果,并進(jìn)一步推進(jìn)了今后儲(chǔ)能電爐蓄熱的發(fā)展。