基于固体蓄热材料的蓄热过程分析

梁 爽1，徐耀祖，商向东，徐景久3，刘轶菡

(1.中国医科大学，辽宁 沈阳 110136; 2.沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110187;3.沈阳华维工程技术有限公司，辽宁 沈阳 110068)

0 引 言

随着我国经济的高速发展和人民生活水平的不断提高，电力供应中峰谷用电量的巨大差异问题尤为明显。为了缓解电网的压力，大部分省市采用了分时段计电费的方式，如果北方地区能充分利用“削峰填谷”的电费计价方式，利用低谷电进行供暖，则能有效地节约能源、减少环境的污染、提高能源利用率[1-3]。目前蓄热装置的蓄放热性能还存在很大的改进空间，虽然固体蓄热材料的蓄热能力很强，但导热率较小的问题仍然普遍存在，在投入实际生产和加工中其热量无法实现高效地储存与释放。虽然固体蓄热存在一些尚未解决的问题，但由于其蓄热能力有巨大的优势，提高固体蓄热材料的性能必将为我国的能源问题作出巨大的贡献，为了加强其投入实际应用中的可行性，针对蓄热材料的蓄热分析极其重要。

1 固体蓄热装置及分析模型建立

固体蓄热装置如图1所示，结构主要包括蓄热区和放热区，循环过程主要包括内部蓄热循环、风水换热循环和末端供热循环，蓄热区主要包括蓄热砖体、加热元件、框架层、保温层、高温封闭区等，放热区包括风道、翅片换热器、变频风机及管道等。

本文结合工程实际砖体，砖体结构及排列方式如图2，砖体尺寸分为主蓄热砖和辅蓄热砖，主蓄热砖尺寸为195*250*65，辅蓄热砖尺寸为130*250*65，图2搭建砖体结构为7层，总体积为0.482 m3，蓄热孔数9，以此为研究对象，对不同蓄热材料的该种蓄热砖体进行仿真分析。

现有的固体蓄热材料包括硅砖、镁砖、陶瓷、混凝土、砾石等，本文主要研究硅砖、镁砖和陶瓷三种比较常用的蓄热材料，其热物理性能如表1所示，从表中可以看出，硅砖的熔点比较高，所以其蓄热温度上限要高出镁砖、陶瓷35%左右。镁砖的综合物理性能是最好的，但镁砖的价格比较昂贵。

表1 常见蓄热材料的热物性数据

本文研究的实际蓄热砖体模型，但在仿真分析中需要对该模型进行简化处理。由于有电加热板置于蓄热体之中，故其蓄热过程属于具有内热源的非稳态导热过程[4]。蓄热砖体在实际工作中，是由加热元件主要通过辐射将热能传递储存到砖体里，由于辐射仿真条件设定复杂，并且其仿真结果会因边界条件设定出现大误差，这里将给与孔隙表面加热的形式代替辐射热。实际蓄热砖体经简化处理得到如图3所示的仿真模型。

2 蓄热过程数学模型搭建

蓄热过程既有热传导，也有辐射换热，是一个非常复杂的非稳态传热过程。其中不仅由空气与蓄热体之间的换热，也有蓄热体内部换热和空气与空气间的传热，蓄热体既有轴向换热也有径向换热。电加热装置以热辐射的方式向蓄热介质进行传热，蓄热体温度升高后通过热辐射和传到的方式向空气进行传热，从而使试验装置内部温度逐渐上升。因此，在试验装置的蓄热过程中，其内部的蓄热介质温度与时间呈函数关系。

根据对蓄热过程的分析，作出如下假设：

(2)只考虑蓄热体内导热，忽略对流和辐射换热；

(3)蓄热介质为均相介质，物性参数已知且不随温度和时间改变；

(4)蓄热体外壁面和上下壁面绝热；

(5)在开始时刻，蓄热体内温度已知且分布均匀。

由以上假设条件，蓄热过程为非稳态导热，由于加热元件内嵌于蓄热体中，因此蓄热过程属于具有内热源的物体在第三类边界条件下的三维非稳态导热过程[5-7]。其传热的数学模型为

(1)

式中T——温度/K；

τ——时间/s；

存储在机构知识库中的数字信息资源是它的核心所在。如何高效准确地获取信息资源，并且保持数据资源持续更新，是制约机构库发展的关键因素，也是机构知识库建设的最重要的工作。机构库信息资源获取困难制约和阻碍了机构库建设和发展。根据美国网络信息联盟发布的调查报告可以知道，制约高校机构知识库发展的关键因素是高校的教职工和科研人员无法及时向机构库提交信息，困难重重[7]。

λ——热导率/W·(m·K)-1；

P——热功率/W；

V——热源的体积/m3；

ρ——密度/kg·m-3;

c——比热容/J·(kg·K)-1。

由假设条件可得τ=0时蓄热体内各处温度相同，本文设定为100℃。蓄热介质在蓄热装置内构成了一个内边界为加热管外表面，上顶为保温层下表面，底部为保温层的上表面。首先加热装置加热，在未到达控制温度时电加热器处于满负荷的工作状态，蓄热体内边界满足等热流的边界条件；然后再将加热管的表面温度通过温控表维持在设定参数上；最后通过以上分析得出传热的微分方程的边界条件。

本文对三种蓄热材料进行蓄热分析，通过查看蓄热差值率来判断其材料的蓄热性能，蓄热差值率判定方程为

(2)

式中η——蓄热差值率；

Tmax——最高蓄热温度/K；

Tmin——最底蓄热温度/K；

Tp——蓄热平均温度/K。

3 蓄热分析

这里用Solidworks三维软件建模，并将简化后的三维模型导入ANSYS Workbench后进行模型分析[8]。设蓄热体外壁面为绝热，并根据三种固体材料的物理属性进行蓄热过程分析，从理论计算初温373 K升至终温为773 K条件下的蓄热分析。在计算过程中取最大迭代步数60、收敛残差为1×10-5，由此通过了网格无关性验证，通过定容参数及定功率参数进行分析。

表2、表3为本文进行定容分析和定功率分析的相关数据[9-11]，通过三种蓄热材料的热物理性能计算，在373～773 K温差区间里的理论蓄热量分别为硅砖101.7 kWh、镁砖178.5 kWh、陶瓷109.2 kWh，定容分析中，以最大蓄热量为基准，蓄热时间设定为10 h，通过不同的蓄热功率，查看蓄热砖体在平均温度773 K时的温度分布情况；定功率分析是以15 kW功率为基准，以最大蓄热量为上限，在不同蓄热时长的情况下，查看蓄热砖体平均温度773 K时的温度分布情况，其蓄热温度云图如图4所示。

表2 定容分析相关数据

表3 定功率分析相关数据

从图中可以看出在定容分析中，镁砖的温度区间分布比较均匀，在平均温度773 K的情况下，最高、最底温度差值率分别为0.42和0.40，而硅砖和陶瓷的最高最底差值率分别为0.61、0.54和0.70、0.61，硅砖、镁砖、陶瓷材料的蓄热差值率分别为：1.15、0.82、1.31，硅砖和陶瓷的蓄热差值率过大的原因是在相同的蓄热时间里，硅砖和陶瓷的比热略低于镁砖，且其导热系数也远远不及镁砖，造成在相同蓄热时间里传热速度慢，温度分布区间大。

在定功率分析中，硅砖、陶瓷的最高、最底温度差值率较定容分析还要大，原因是由于硅砖和陶瓷的传热系数较小，在相同的最大蓄热量前提下，加热功率增加和蓄热时间的缩短造成其温度差值较大；相反，镁砖的蓄热最高、最底温度较小，分别为：0.37和0.36。

4 结 论

(1)本文对三种不同蓄热材料进行了定容、定功率分析，从分析结果中得出，镁砖的蓄热温度差值率较小，在10 h蓄热时间下，蓄热偏差分别为：0.42和0.40。

(2)同种材料，在设计最大蓄热量的前提下，减小蓄热功率会减小其蓄热差值率，在本文实验的镁砖中，当镁砖在本文砖体结构中降低16.0%的蓄热功率，蓄热偏差将缩小13.5%和11.1%。因此，在实际应用的固体蓄热装置中，要权衡好蓄热量和蓄热功率的关系，不能在蓄热容量一定的前提下，增加其蓄热功率，这样会影响炉体蓄热的均匀性。