固体电蓄热装置蓄热过程的实验

郭 成，罗 勇

(石家庄铁道大学 机械工程学院,河北 石家庄 050043)

固体电蓄热装置蓄热过程的实验

郭 成，罗 勇

(石家庄铁道大学 机械工程学院,河北 石家庄 050043)

由于现实对电固体蓄热锅炉的迫切需要，那么对其蓄热规律的研究显得尤为重要。对蓄热装置进行了简单介绍，对蓄热和放热过程进行了传热分析；在电固体蓄热装置上，对其蓄热过程进行了实验研究，得到了相同条件下蓄热体内温度分布规律，温度延迟的原因；最后通过实验得到了蓄热体的近似蓄热量。

固体蓄热;蓄热和放热;温度分布;传热分析;蓄热量

随着人民生活水平，供电峰谷差逐年加大，给电网运行带来了较高的经济损失，另外，国家对不可再生资源和环境保护的要求一再提高，那么，大力推广在低谷时段运行的蓄热装置，不仅为“移峰填谷”的有效办法[1]，也对不可再生资源和环境保护做出了突出贡献。目前阶段煤改电工程，主要包括水蓄热装置和固体蓄热装置，而水蓄热装置以水为介质，由于受到水的饱和温度的限制，蓄热温度不能过高，从而造成水箱体积较大，占地面积多，增加了投资成本，因此给实际工程带来了诸多不便[2]。

然而，固体蓄热装置，能够解决水蓄热装置存在的问题。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，蓄热温度可达800～1 000 ℃以上，使得固体蓄热材料的蓄热能力比同体积的水的蓄热能力大5倍左右。固体蓄热装置，体积小，投资小，不仅克服了传统锅炉的缺点，而且兼具环保、高效、节能、安全等多项优势[3]。因此，对固体蓄热的研究价值是非常有意义的。

1 电蓄热锅炉的简单介绍及其传热分析

电固体蓄热实验装置主要由蓄热体、电阻式加热管(M型)、保温棉、底座、电线、变频风机、控制箱、热交换热器及其相应的管道和板式换热器等材料构成。该装置的工作由蓄热过程和放热过程来完成。

加热过程是由电能转换成热能和将热能传递给蓄能介质两个环节组成。通常电能转换成热能有三种形式：电阻式、电磁感应式、电极式[4]。电固体蓄热时间是晚上10:00到第二天早上6:00，共蓄热8 h，此时，电流通过加热管中的电阻丝产生热量，并通过热辐射和导热的方式传递给蓄热体，使蓄热体内表面温度升高，并通过导热的方式，由蓄热体的内表面向外表面传递，使蓄热体的温度逐渐升高。

蓄热8h后，蓄热体温度达到800 ℃～1 000 ℃，打开风机，进行风系统的循环，对用户开始提供热量。风机抽取热交换器下集箱的冷风，从锅炉底部进入蓄热锅炉内的风道，对冷风进行加热，加热后变成高温热风，送入热交换器，在热交换器中，高温热风与热交换器蛇形管中的软化水进行热交换，对从用户回来的冷水进行加热成热水，通过水管道系统流回板式换热器，从而达到对用户供热的目的。

2 电蓄热装置的简单介绍

就此疑问，对蓄热体进行了蓄热过程的实验研究。实验装置见图1，装置主要由加热管(M型)、保温棉、蓄热体、底座等材料构成。加热管为电阻式加热管。蓄热体为以铁为主要成分的固体块，加热管与蓄热体之间有2 mm左右的缝隙，保温棉于蓄热体外侧。

蓄热时，电流通过电加热管中的电阻丝，产生热量，并把热量传递给蓄热体，使蓄热体的温度升高。加热过程中，温控器通过控制热电偶来记录测点温度变化，在蓄热体内部装有热电偶(测点布置见图2)，用于测量加热过程蓄热体内的温度分布。

图2测点分布，由于1、3、分布在一根M型加热管的一根支管上，2、4分布在同一根M型加热管的另一根支管上，加热管为同一根加热管，所以通电后两只加热管的分支可视为以同样的速度升温，也就是说，4个测点的热源温度相同。图2中下图，给出了4个点是等距离分布在蓄热体里。由此，我们可以将4个点看作在同等条件下，同一轴线上的温度分布。试验时，设定温度为800 ℃，升温方式采用直接升温到800 ℃。

3 加热过程的温度分布

图3是加热过程，蓄热体从0 ℃～800 ℃各层的温度分布规律曲线。由此可见，在加热管通电以后，各层无论是温度升高的幅度，还是温度变化的速度，都是蓄热体内侧表面大，外侧表面小。

在加热过程中，虽然加热管的功率恒定，但由于蓄热体材料蓄能导热，使得蓄热体各层的蓄热量并不是常数。由图3可以看出，蓄热体的内外表面温差相对较大，这是由于蓄热体导热系数相对较小造成的。初始时刻，蓄热体内部温度均为30.88 ℃，在前一段以恒定热流量加热运行0.5 h的时间内，蓄热体各点的温度上升速率不尽相同。在加热过程中，虽然加热管的功率恒定，但由于蓄热体材料蓄能导热，使得蓄热体各层的蓄热量并不是常数。

4 蓄热体蓄热量的计算

根据蓄热体内温度分布，可以近似计算蓄热体各层蓄热量和蓄热体总蓄热量。

当蓄热体内表面(测点1)温度达到800 ℃时，控制箱自动停止加热。蓄热体的初始加热温度为30.88 ℃，蓄热体的的尺寸为：长228 mm,宽47 mm，高185 mm。此时，测点2、测点3、测点4温度分别达到约720 ℃、680 ℃、660 ℃。若将此时作为实际蓄热过程的终点，并将蓄热体由内表面到外表面分成三个蓄热层，标号分别为A层、B层、C层。并取各层平均温度，根据公式

Q=cm·t=cρv·t[5]

(其中：密度ρ=3.98 t/m3，比热容c=0.938 kJ/kg·K)

表1 各层蓄热量

则蓄热体总的蓄热量为：15.06 MJ

5 结论

1)对蓄热过程中，蓄热体内的温度分布的实验，表明：对同种材料的蓄热体，随着蓄热体温度的升高，温升速度逐渐变小。

2)蓄热过程中，靠近加热管的一侧温度升高较快，远离加热管的一侧温度升高较慢。

3)加热过程中，沿蓄热体轴向温度分布不均。蓄热体内部主要是靠导热完成温度的传递。

[1] 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.

[2] 张培亭，黄怡珉.电热固体蓄热装置蓄热过程的实验研究[J]. 应用能源技术，2004,6：31-34.

[3] 白胜喜，赵广播，董芃.固体电蓄热装置及经济性分析[J]. 中国电力,2002,35(6):79-80.

[4] 李晗，白胜喜，黄怡珉. 电热固体蓄热装置的蓄热原理及传热分析[J]. 电站系统工程，2003(3)：29-30.

[5] 白胜喜. 电热固体蓄热装置蓄热和放热过程的实验研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学硕士学位论文, 2002.

ExperimentalStudyofHeatStorageProcessofElectricSolidHeatStorageDevice

GUO Cheng1, LUO Yong2

(a.School of Mechanical Engineering; b.School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang050043, Hebei, China)

According to the fact that there exists an urgent need for electric heat storage boiler, so it is important to study the law of thermal storage. In this paper, the heat storage device is introduced briefly, and the heat storage and heat transfer process are analyzed. Experimental study about the process of heat storage on the electric solid heat storage device are made, and temperature distribution regulations, reason for temperature delay under the same heating condition are obtained. Finally through experiments, the heat storage capacity of heat storage is obtained.

solid heat storage; heat storage and heat release; temperature distribution; heat transfer analysis; heat storage capacity

2017-04-12

郭成(1991-)，男，河北唐山人，在读硕士，研究方向为空调制冷和热工设备的节能技术，E-mail：1991386630@qq.com。

TK229

A

1008-9446(2017)06-0026-03