固体电蓄热散热器蓄放热性能研究

李慧俭 贾玉贵 张宏喜 贾俊崇

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 前 言

目前，我国发电量与装机总量居世界第二位[1]，随着经济的增长，电网高峰负荷增长很快，但电网负荷率逐年降低，即供电峰谷差逐年加大，给电网运行带来较大的经济损失，大力推广在低谷时段运行的蓄热装置，为“削峰填谷”的有效办法[2].

目前，应用较多的蓄热方式有固体电蓄热与液体电蓄热两种，液体电蓄热主要以水为蓄热介质，受水饱和温度的限制，蓄热装置的水温不能过高，使蓄热水箱体积大，占地面积多，安装管理不便，同时增加了蓄热装置的投资.而固体蓄热储能装置却能解决上述问题.虽然一般固体材料的比热只有水的1/3～1/4，但由于固体蓄热材料的密度为水的2.5倍左右，蓄热砖温度可达800～1000以上，使得固体蓄热材料的蓄热能力比同体积水的蓄热能力大5倍左右，如采用特殊的蓄热材料，蓄热能力还可增加.固体蓄能装置的体积小，不承压，对其形状没有特殊要求，装置的占地面积大大降低.它不仅克服了传统蓄热方式的缺点，而且兼具环保、高效、节能、安全等多项优势[2].本文将对固体电蓄热散热器蓄放热过程进行实验测试并研究其蓄放热性能.

图1 蓄热砖尺寸

1 实验装置与蓄热原理

1.1 实验装置

该装置主要由电热管、蓄热砖、进出风口、风道、保温材料等组成.电加热管布于管槽内，共四根，呈回形，分别对应于电暖器底部的四个进风口.蓄热砖共16块，分两层放置每层八块砖，中间缝隙为风道，具体蓄热砖尺寸见图1.

1.2 蓄热原理

该蓄热装置由高热容材质做储能组件，并由隔热耐火材料绝热保温.在夜间，电力需求较小时，蓄能组件通过电阻加热系统被加热到800 ℃左右，把电能转化成热能储存起来.白天用电高峰期，储存的热能以对流和辐射的形式释放到外部环境中，从而提高了室内环境温度.

为了增加材料的蓄热能力，要求蓄热材料具有高的热容量，这取决于材料的比热和容重.为了快速储能和释放储存的能量，要求蓄热材料具有较高的导热系数.镁砖具有较高的热容量和良好的导热性，可满足要求.

2 实验方法

实验装置内部安装有热电偶(测点布置见图2)，用于测量加热和冷却过程中蓄热体内部的温度分布.其中4个K型热电偶分别布置在电暖器内部，蓄热体内右侧蓄热砖内部布置1个，蓄热砖与保温层接触处布置1个；中间一排蓄热砖内部布置1个，蓄热砖与保温层接触处布置1个.最后，电暖器出风口处布置1个K型热电偶.

图2 温度测点布置示意图

实验时，在用电低谷期(张家口地区为22∶00-6∶00)蓄热，蓄热装置将电能转化成热能储存起来，装置的蓄热量与蓄热时间和蓄热功率有关.采用两种蓄热方案进行试验：方案一晚上蓄热8小时，白天放热并且不加平电，对室温无要求；方案二是晚上蓄热8小时，白天加平电2小时并维持室温不低于18 ℃.

实验时，打开电源，以最高档位蓄热，8小时后停止蓄热，10 min记录一次试验数据.

3 实验结果与分析

3.1 蓄放热性能

(1)该蓄热电暖器两种蓄热方案蓄热砖温度曲线如图3、图4所示，由砖温曲线图可以看出，该蓄热电暖器蓄热8小时砖温即可达到最高温度，且最高温度为750 ℃.在蓄热阶段，室内温度在不断上升最终达到20 ℃；在放热阶段，室内温度呈下降趋势，图3白天无平电蓄热，室内温度下降到15 ℃，表明，此种蓄热方式无法达到室内温度设计要求.由图4看出，在白天17时室内温度下降到18 ℃以下，此时加平电2小时，室内温度逐渐上升，室内温度稳定在18 ℃左右.

(2)图5、图6是两种蓄热方案电暖器蓄放热过程的散热功率曲线，图5表明没有加平电，散热功率下降较快，末端功率偏小，此时应采取强化散热.图6在白天加平电2小时，散热功率下降较平缓，末端的散热功率能达到设计要求.

图3方案一砖温与室温随时间变化曲线图4方案二砖温与室温变化曲线

图5方案一散热功率变化曲线图6方案二散热功率变化曲线

表2 不同工况下电蓄热器蓄热效率

(3)对电热器的蓄热效率进行了计算并比较如表2所示，不同初始砖温下蓄热效率不同，蓄热砖温度越低蓄热效率越大，不同砖温的蓄热效率相差较大.砖温为200 ℃时蓄热效率最高可达96%，砖温为250 ℃时蓄热效率为94%.综上可以看出固体蓄热电散热器的蓄热效率较大.

3.2 风道强化散热

图7 蓄热8小时风口开启关闭时砖温变化曲线

风口开启与关闭时的电散热器砖温变化曲线见图7，图7表明，在同一时刻，风口开启时电暖器蓄放热过程砖温均比风口关闭时低，随着散热时间增加，风口开启关闭时的蓄热砖温差增大，最高温差达到100 ℃.这是因为风口开启，通道内空气热压大，流动快，表面传热系数大，装置内通道空气温度与保温层外表面温差大，导致散热迅速.因此，风口的开启增强了电暖器内部的对流散热.

4 结 论

本文对固体电蓄热散热器的蓄放热性能进行了实验研究，得到如下结果：

a.该电蓄热器蓄热8小时可达到最高温度800 ℃左右，蓄热阶段，室内温度上升至20 ℃；放热阶段，室内温度下降较快至15 ℃.通过白天加平电2小时，室内温度维持在18 ℃.

b.电暖器散热过程时的散热功率下降较快，末端散热功率下降到很低；白天加平电2小时，散热功率下降变平缓，达到维持室内温度的散热标准.

c.风口开启在一定程度上强化了散热，且随着散热时间增加，风口开启关闭时的砖温差距增大，温差达100 ℃.

d.热量的利用程度用固体蓄热装置的热效率衡量.该装置的蓄热效率为95%左右，蓄热砖温度越低蓄热效率越高，电蓄热散热器保温性能差会造成蓄热性能下降.

[1]李怀普.坑口电站发展空冷技术的经济分析[J].华北电力技术，1996，6：12～15

[2]胡兆光.需求侧管理在北京移峰填谷中的应用[J].中国电力，1998，31(9):37～40

[3]贺平.供热工程.北京，中国建筑工业出版社，2009

[4]白胜喜，赵广播，董艽.固体蓄热装置及经济性分析[J].中国电力，2002，35(6)：79～80

[5]刘靖，张寅平，高温相变蓄热电暖器研制及热性能研究[J].清华大学，2004,05,01