趙 頔，王啟民，王 迪，邱正霖，徐 鵬

（沈陽工程學(xué)院a.能源與動力學(xué)院；b.研究生部，遼寧 沈陽 110136）

我國北方地區(qū)冬季燃煤耗能大，環(huán)境污染嚴重。為緩解燃煤鍋爐對環(huán)境造成的壓力，采用“煤改電”和低谷電蓄熱的清潔供暖技術(shù)對于降低運行費用，平衡電網(wǎng)負荷具有重要意義［1］。

根據(jù)工作原理可將儲熱技術(shù)分為顯熱儲熱技術(shù)、潛熱儲熱技術(shù)及熱化學(xué)儲熱技術(shù)。顯熱儲熱技術(shù)是國內(nèi)外研究較早、應(yīng)用最多、成熟度較強的儲熱技術(shù)，常用的材料為液體儲熱材料和固體儲熱材料。液體儲熱材料以水最為常見，但在體積一定的條件下，其蓄熱能力僅為固體儲熱材料的1/5左右。若對固體儲熱材料進行合理改善，蓄熱能力還會得到顯著增強［2-3］。

1 固體蓄熱磚物理模型及工作過程

固體蓄熱磚模型如圖1所示。磚體模型由2個半圓形加熱絲通道和1 個梯形風(fēng)通道交叉組成，固體蓄熱，由若干塊200 mm×200 mm×90 mm 的蓄熱磚堆砌而成，固體蓄熱裝置如圖2所示。

圖1 蓄熱磚三維模型

圖2 固體蓄熱裝置

工作過程：蓄熱時，關(guān)閉循環(huán)風(fēng)機，利用低谷電能對蓄熱磚內(nèi)的加熱絲進行恒功率加熱，將電能轉(zhuǎn)化為熱能并儲存起來；放熱時，開啟循環(huán)風(fēng)機，讓空氣和蓄熱磚進行對流換熱，利用空氣將蓄熱磚儲存的熱量送給用戶。為了比較氧化鎂材料和氧化鋁材料對蓄、放熱特性的影響，對兩種材質(zhì)進行同結(jié)構(gòu)、等體積的模擬。表1 為氧化鎂材料和氧化鋁材料的物性參數(shù)［4］。

表1 蓄熱材料物理特性

表2 k-ε模型中的系數(shù)

2 蓄熱過程的數(shù)學(xué)模型

蓄熱時，在半圓形通道內(nèi)以恒功率對加熱絲進行恒流加熱，考慮到蓄熱磚結(jié)構(gòu)的對稱性，故對加熱絲通道和風(fēng)通道的一半進行分析。固體蓄熱磚的蓄熱過程屬于三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，導(dǎo)熱微分方程［5］為

3 放熱過程的數(shù)學(xué)模型

磚體放熱過程為流經(jīng)風(fēng)道處的空氣與蓄熱磚體表面進行的對流換熱過程。因流動與傳熱問題中所求解的主要變量包括速度、溫度等，所以流體控制方程可以采用如下通用形式［6］：

式中，?為通用變量，可以代表u，v，w，T等求解變量；Γφ為廣義擴散系數(shù)；Sφ為廣義源項。

由于風(fēng)道內(nèi)的空氣與磚體間的流動換熱屬于三維非穩(wěn)態(tài)湍流流動問題，空間與時間均隨湍流流動表現(xiàn)出不規(guī)律的脈動，故選用標準k-ε模型。在連續(xù)性方程、雷諾方程中應(yīng)用湍流理論時，由于湍流的未知數(shù)變量大于方程數(shù)量，導(dǎo)致方程不封閉，難以求解，故附加湍流動能輸運方程及湍流耗散率方程，使得方程封閉，具體方程如下［7］：

4 蓄熱過程數(shù)值模擬及云圖分析

本文采用Ansys Workbench 對蓄熱磚進行三維建模，對加熱絲孔道及風(fēng)通道進行結(jié)構(gòu)劃分并將其導(dǎo)入到Transient Thermal 有限元軟件，對單塊蓄熱磚進行材料定義，分別定義表1 中兩種材質(zhì)蓄熱磚的材料屬性。在蓄熱過程中，假設(shè)加熱絲熱源與蓄熱磚連續(xù)且均勻，蓄熱體自身的保溫性能良好，與外界環(huán)境絕熱，兩種材料的物性參數(shù)均為恒定常數(shù)，同時設(shè)定兩種材料的熱導(dǎo)率、比熱容和密度。由于固體蓄熱磚是在恒功率下恒流加熱，設(shè)熱流密度為邊界條件，外壁面絕熱，蓄熱過程中的初始溫度為22.2 ℃，初始環(huán)境溫度為22 ℃，計算過程中的時間步長為360 s，加熱時長為10 h［5］。采用標準六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對其進行劃分。在蓄熱時設(shè)定加熱時長，僅研究溫度分布對蓄熱磚蓄熱特性的影響。在封閉條件下，蓄熱過程會有極少的熱量損失，因此蓄熱磚的對流換熱系數(shù)數(shù)值極小，在蓄熱數(shù)值模擬中暫不考慮。

圖3 為兩種固體材料蓄熱磚蓄熱10 h 后磚體溫度分布云圖。

圖3 兩種材料蓄熱磚蓄熱10 h后溫度分布

由圖3 可知：兩種材料蓄熱磚以恒功率開始加熱后，穿插在平行孔內(nèi)的電阻絲開始向外傳遞熱量，與電阻絲接觸的蓄熱磚壁面接觸高熱量熱流，熱量由下向上傳遞到磚體；在蓄熱磚受熱升溫的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中，熱量在電阻絲與磚體壁面處進入，沿途不斷地被吸收，使整個磚體溫度升高，最終達到各點溫度穩(wěn)定為止；由于所選取的氧化鎂磚和氧化鋁磚的導(dǎo)熱系數(shù)及單位體積的物體溫度升高1 ℃所需的熱量均為定值，在進行數(shù)值模擬時，熱擴散率不變。

綜上所述，氧化鎂磚和氧化鋁磚在蓄熱時，二者的溫度分布均勻，經(jīng)過10 h 后，氧化鎂磚的最高溫度和最低溫度均高于氧化鋁磚，說明氧化鎂磚的蓄熱性能優(yōu)于氧化鋁磚。

5 放熱過程數(shù)值模擬及云圖分析

對磚體放熱過程進行數(shù)值模擬，在設(shè)置邊界條件時，選取風(fēng)道表面作為對流面，對流換熱系數(shù)為50 W（/m2·℃），環(huán)境溫度為20 ℃。假設(shè)磚體在保溫性能良好的環(huán)境中，外壁面絕熱，初始溫度為800 ℃，時間步長為360 s，因僅研究兩種材料磚體放熱過程溫度變化情況，故磚體熱源邊界條件參數(shù)暫不考慮。放熱10 h 后兩種材料磚體溫度分布如圖4所示。

圖4 兩種材料蓄熱磚放熱10 h后溫度分布

由圖4 可知：在放熱過程中，兩種材料磚體溫度分布均勻，磚體內(nèi)各點溫度隨時間不斷變化，起始時刻磚體溫度與環(huán)境溫度相差較大，溫度下降趨勢較明顯；隨著時間的遞增，磚體溫度向環(huán)境溫度慢慢靠攏，溫度下降趨勢較小，最終達到穩(wěn)態(tài)，散熱較均勻。10 h后，氧化鎂磚的最低溫度小于氧化鋁磚，這說明以相同的初始溫度進行放熱，在經(jīng)過相同的時間內(nèi)，氧化鎂磚具有快速放熱的能力，優(yōu)于氧化鋁磚。

圖5 是兩種材料蓄熱磚放熱10 h 后的溫度曲線。

圖5 兩種材料蓄熱磚放熱10 h后的溫度曲線

由圖5 可知：在放熱過程中，兩種磚體的溫度隨時間的增加而減?。划攖在0～25 000 s 內(nèi)，由于初始溫度較高，與環(huán)境溫差較大，溫度下降較快；當t在25 000～36 000 s 內(nèi)，溫度下降到一定數(shù)值，與環(huán)境溫差較小，溫度下降幅度較慢，在t=10 h 達到最小溫度；氧化鎂磚在設(shè)定時長下的最高/最低溫度均小于氧化鋁磚，放熱時的熱量擴散效果好，故氧化鎂磚的放熱性能優(yōu)于氧化鋁磚。

6 結(jié)論

1）氧化鎂磚和氧化鋁磚以相同的體積和磚體結(jié)構(gòu)進行蓄熱，經(jīng)過相同的加熱時長后，氧化鎂磚的蓄熱最高溫度大于氧化鋁磚，可見氧化鎂磚的蓄熱特性優(yōu)于氧化鋁磚。

2）通過蓄熱磚體模型比較兩種磚體的放熱能力，當在初始溫度一致時放熱相同的時間，氧化鎂磚的最低溫度小于氧化鋁磚，熱量擴散效果較好，可見氧化鎂磚的放熱性能優(yōu)于氧化鋁磚。