辐射传热对储能设备导热性能的研究

刘宏文 连志荣 邹恩义

（1.辽宁省大连生态环境监测中心，辽宁大连 116023；2.大连展鹏节能科技开发有限公司，辽宁大连 116023；3.大连交通大学，辽宁大连 116023）

1 引言

目前，我国供暖面临两个主要问题：一是供暖能耗大，我国城镇建筑单位面积供暖能耗是同纬度发达国家的2～3 倍［1］；二是冬季燃煤供暖排放的氮氧化物和硫化物造成环境污染。如果电热储能采暖设备投入使用，可实现大规模和超大规模供热能力，可以完全替代目前广泛使用的燃煤、燃气、燃油锅炉，使用过程中没有任何废气、废水、废渣产生，实现了二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物以及大量的粉尘零排放。

物体以电磁的形式向外发射能量的过程称为热辐射。辐射传热具有反射、折射和吸收的特性，能在均一介质中直线传播。电热锅炉就是利用辐射传热原理将电能转化为热能，使水加热产生热水或蒸汽（饱和蒸汽）的一种设备，其能量转换是由装在锅壳内的大功率电热元件通电后完成的。蓄热式电锅炉就是在电热锅炉的基础上加装蓄热水箱，组成一个热能交换、储存系统，通过强制循环或自然循环，使蓄热水箱中的冷水逐渐变为热水，完成热能储存。利用夜间廉价的低谷电力资源，让电锅炉满负荷运行，将热能储存在热水箱，供白天电网高峰负荷时使用［2］。

本研究的目的是通过实验计算各额定功率下的传热功率，考察传热功率对蓄热水箱传热效率的影响。

2 材料与方法

2.1 实验原理

用额定功率为P 的电热丝加热一定质量的水，用水泵将自来水泵入已设计好的管排中循环加热，管排周围是电热丝。实验均在密闭绝热的装置内进行。在理想状态下则有：

P=Q/T

Q=Cm（t2-t1）

式中，P 为传热功率，kW；Q 为热量，kJ；T 为加热时间，s；C 为水的比热容，kJ·（kg·℃）-1；m 为循环水的总质量，kg；（t2-t1）为水温的变化，℃。

2.2 实验装置及材料

实验装置见图1。装置体下部用砖垫高，中间填绝热保温层，再用珍珠岩粉填平，以达到良好的保温效果，避免与地面接触换热，造成热量损失。实验材料为石英管45 根，电热丝1 kW/根×45，水泵1台，铁管若干，导线若干。

图1 实验装置

2.3 实验方法

用水泵将水泵入管排中，形成水循环，分别在额定电功率为9，18，27，36，45 kW 的条件下加热，使水温升高，用温度计测量水的温度变化，在炉膛内插入一支热电偶观察炉膛的温度变化，分别在装置的两侧放2 个温度计，加热温度分别为t1，t2，用以校准热电偶的温度。

3 结果与讨论

3.1 电热丝额定功率为9 kW 的实验数据

实验数据见表1。

表1 额定加热功率为9 kW 的实验数据

加热时间与水箱水温及传热温差关系见图2。由图2 得出，加热10 min 左右，炉膛内的温度迅速升高，传热温差迅速变大；到20 min 时传热温差达到最大，水温也迅速上升；到50 min 时，传热温差基本不变，水温稳步提高；到90 min 时，水温达到最高点。计算出传热功率为5.29 kW。

图2 额定功率为9 kW 加热时间与水箱水温及传热温差曲线

3.2 电热丝额定功率为18 kW 的实验数据

实验数据见表2。

表2 额定加热功率为18 kW 的实验数据

加热时间与水箱水温及传热温差关系见图3。由图3 得出，加热10 min 左右，传热温差迅速增高，随后传热温差基本不变；炉膛内水温稳步升高，到35 min 达到最高点。计算出传热功率为11.60 kW。

图3 额定功率为18 kW 加热时间与水箱水温及传热温差曲线

3.3 电热丝额定功率为27 kW 的实验数据

实验数据见表3。

表3 额定加热功率为27 kW 的实验数据

加热时间与水箱水温及传热温差关系见图4。计算出传热功率为18.55 kW。

图4 额定功率为27 kW 加热时间与水箱水温及传热温差曲线

3.4 电热丝额定功率为36 kW 的实验数据

实验数据见表4。

加热时间与水箱水温及传热温差关系见图5。计算出传热功率为23.65 kW。

图5 额定功率为36 kW 加热时间与水箱水温及传热温差曲线

3.5 电热丝额定功率为45 kW 的实验数据

实验数据见表5。

表5 额定加热功率为45 kW 的实验数据

加热时间与水箱水温及传热温差关系见图6。计算出传热功率为28.09 kW。

图6 额定功率为45 kW 加热时间与水箱水温及传热温差曲线

3.6 各额定功率下的传热功率及传热效率

各额定功率下的传热功率及传热效率见表6。

4 结论

（1）随着额定功率的不断增大，传热功率不断提高。

（2）加热炉的传热效率先增加后减小，传热效率在额定功率为27 kW 时达到峰值。