三种孔形固体蓄热体的放热性能模拟研究.pdf

通过 软件对圆形孔、椭圆孔和圆椭圆相互交替的异形孔三种孔形的固体蓄热体进行了相同工况下 小时放热模拟研究，得到了三种孔形的蓄热体平均温度以及 个温度测点的数值变化。根据放热性能评价标准进行计算分析后，结果表明：三种孔形中，异形孔固体蓄热体在经过 小时放热过程后，蓄热体平均温度最低、放热完成度以及放热均匀度最高，整体放热性能最优。关键词：固体蓄热；放热性能；孔形；模拟研究中图分类号：犜 犝 文献标识码：犃 引言近年来，全球能源转型与能源短缺相互伴随，世界各国竭力统筹协调能源绿色低碳发展与能源供应太阳能、风能、水能等这些可再生能源在发电过程中的碳排放量很低，具有较高的环境友好性，但它们的发电量会受到时间和天气的限制，因此，这些新能源必须借用成熟的储能技术才能得以更好的发展固体蓄热体是一种性能良好、应用广泛的蓄放热装置，它可以利用光电、风电对装置内部蓄热材料进行加热，当需要供暖时再放出热量，能很好地解决新能源不稳定和不可预见性等问题研究发现，现有圆形孔固体蓄热体放热性能较差，有学者提出椭圆孔固体蓄热体较圆形孔放热性能更优，本文在此基础上提出了一种圆椭圆相互交替的异形孔结构，并对三种孔形蓄热体在相同工况下进行了 小时放热过程模拟研究最后对比分析了 小时末的放热完成度和放热均匀度，找出放热性能最优的孔形结构，为固体蓄热体的优化设计提供参考依据 放热性能评价标准放热完成度：指放热过程中某一时刻蓄热体放出热量与蓄热体理想蓄热量的百分比，计算公式如下所示犓犆（狋 狋）犆（狋 狋 ）（）式中：犓为放热完成度，单位为；犆狆为蓄热体的比热容，单位为（）；为蓄热体的质量，单位为；狋 为蓄热体的上限温度，单位为；狋 为蓄热体的下限温度，单位为；狋狀为狀时刻时，蓄热体的平均温度，单位为；放热均匀度：指放热过程中某一时刻不同位置测点温度与砖体整体平均温度的离散状况，计算公式如下所示犑狋狀狀狀犻（狋犻狋狀）槡（）第 卷 第期 年月河 北 建 筑 工 程 学 院 学 报犑 犗 犝 犚 犖 犃 犔犗 犉犎 犈 犅 犈 犐犐 犖 犛 犜 犐 犜 犝 犜 犈犗 犉犃 犚 犆 犎 犐 犜 犈 犆 犜 犝 犚 犈犃 犖 犇犆 犐 犞 犐 犔犈 犖 犌 犐 犖 犈 犈 犚 犐 犖 犌犞 狅 犾 犖 狅 犑 狌 狀 式中：犑为温度均匀度，单位为；狋狀为狀个测点的温度平均值，单位为；狀为温度测点数量；狋犻表示第犻个测点温度值，单位为 放热过程数学模型固体蓄热体孔道内部对流换热是最重要的传热过程，放热过程中空气与蓄热体对流换热热量遵循牛顿冷却公式：狇（犜狊犜犳）（）式中：狇 为热流密度，单位为；为对流换热系数，单位为（）；犜狊为蓄热体温度，单位为；犜犳为流体温度，单位为对固体蓄热体放热过程进行分析，得出空气与蓄热体对流换热量为：犙 犃 犜（）犳（，犆狆）（）式中：犙为孔道内流体与蓄热砖体之间的对流换热量，单位为；为孔道内流体与蓄热砖体表面的对流换热系数，单位为（）；犜为孔道内流体与蓄热砖体之间的换热温差，单位为；为流体的粘度，单位为；为流体导热系数，单位为（）；为流体的密度，单位为；犆狆为流体的定压比热容，单位为（）努塞尔准数：表示对流换热强烈程度的一个无量纲数犖狌 犇（）雷诺准数：反映流体流动强度的无量纲数犚犲犇 狌（）普兰特准数：反映流体物性对对流换热影响的无量纲数犆狆（）迪塔斯贝尔特方程：圆形直管内流体充分湍流时的表达式犖狌 犚犲 犘狉狀（）流体被加热时，狀 ；流体被冷却时，狀 此式适用于流体与壁面温度具有中等温差（不超过）的场合，且犔犇，本文研究中流体平均温度与固体表面温度的差值大于，需要引入温差修正系数犆狋，且本文研究中犔犇，需要引入入口效应修正系数犆犾气体被加热时犆狋犜犳犜（）狑 （）犆犇（）犔 （）修正后的迪塔斯贝尔特方程为：犖狌 犚犲 犜犳犜（）狑 犇（）犔 （）将以上各准数代入得对流换热系数为：犇犚犲 犘狉 犜犳犜（）狑 犇（）犔 （）则孔道内流体与蓄热砖体之间的对流换热量为：犙 犇犚犲 犘狉 犜犳犜（）狑 犇（）犔 犃（犜狑犜犳）（）放热过程以空气作为换热介质，空气和蓄热砖体之间的换热方式为对流换热放热过程为非稳态传热过程，其传热过程满足的质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程如下所示：（）质量守恒方程 狋（狌）狓（狏）狔（狑）狕（）第期樊家辉 等三种孔形固体蓄热体的放热性能模拟研究式中：为流体密度；，分别代表，方向的速度；为时间（）动量守恒方程（狌）狋 狓（狌）狓（狌 狏）狔（狌 狑）（）狕 狓 狓 狓 狔 狓 狔 狕 狓 狕（）（狏）狋 狔（狏 狌）狓（狏）狔（狏 狑）（）狕 狓 狔 狓 狔 狔 狔 狕 狔 狕（）（狑）狋 狕（狑 狌）狓（狑 狏）狔（狑）（）狕 狓 狕 狓 狔 狕 狔 狕 狕 狕（）式中：狆为流体在微元体上的压力；狓 狓，狓 狔，狓 狕为作用在微元体表面上的黏性应力的分量（）能量守恒方程（犜）狋 （狌 犜）犆狆 （）犜犛犜（）式中：犜为热力学温度；为流体的导热系数；犆狆为比热容；犛犜为黏性耗散量 三种孔形固体蓄热体物理模型本文主要研究固体蓄热体内蓄热体孔形对放热过程的影响，因此对模型做了简化处理首先建立了相同孔隙率（孔道截面积占蓄热体截面积的百分比）的三种孔形固体蓄热体的物理模型，圆形孔固体蓄热体孔道结构为圆形，椭圆孔固体蓄热体孔道结构为椭圆形，异形孔固体蓄热体孔道结构为圆椭圆相互交替的形状蓄热体尺寸为 （长宽高，单位：）；保温外壳尺寸为 （长宽高，单位：），厚度为 ；前后风道长都为 ；进出口为圆形孔，直径为 以下为三种孔形固体蓄热体的物理模型图：图圆形孔蓄热体三维建模图图圆形孔蓄热体左视图图椭圆孔蓄热体三维建模图图椭圆孔蓄热体左视图图异形孔蓄热体三维建模图图异形孔蓄热体左视图河 北 建 筑 工 程 学 院 学 报第 卷图异形孔蓄热体剖面图图异形孔蓄热体剖面图对固体蓄热体的数值模拟分析做出如下假设：（）固体蓄热体内蓄热体各部分结构是连续且均匀的，且在放热过程中不存在质量与体积的变化；（）空气、氧化镁砖、外保温材料的物性参数恒定，不随温度进行变化；（）空气孔道内电阻丝构造忽略不计；（）保温外壳为绝热边界 网格划分利用 软件进行采用非结构化网格进行网格划分，结果如图所示图异形孔固体蓄热体体网格划分图 计算方法与边界条件设置步骤（）：将网格文件导入 中准备进行模拟计算；步骤（）：本次模拟采用瞬态模拟，并且考虑重力加速度的影响，重力加速度设置为 ；步骤（）：开启能量方程；步骤（）：湍流计算采用的数学模型为 模型，湍流流动是一种高度不稳定的流动状态，具有非线性、随机性和多尺度特征这些因素使得直接求解 方程比较困难，但人们已经能够通过配合适合的模型和 技术，取得与实际比较吻合的结果本次模拟中采用的湍流模型为 模型，相较于标准 模型它有效改善了方程的精度，方程对瞬变流和湍流漩涡能做到很好的反映；步骤（）：辐射采用的数学模型为 辐射模型，辐射模型的选择中，辐射模型考虑了所有光学深度区间的辐射以及存在局部热源的问题，且占用计算机内存也比较适中，故本文模拟计算采用 辐射模型；步骤（）：物性参数设置如表所示；表材料物性参数材料密度（）比热容（）时导热系数（）氧化镁砖 空气 保温材料 第期樊家辉 等三种孔形固体蓄热体的放热性能模拟研究步骤（）：边界条件设置：入口边界条件为 类型，入口风速为，温度为 ；出口边界条件为 类型；步骤（）：用 算法求解耦合关系，参数选择默认，在 软件中，主要提供了四种求解方法：、以及 算法适用于各种不同类型的流体问题，它只需要进行一次迭代即可得到解，在计算资源有限的情况下，算法需要内存较少故本文模拟均选用 算法作为数值模拟的求解器；步骤（）：为了得到蓄热体温度随时间变化的参数，在监视器里面设置每步时输出蓄热砖体平均温度的数值；步骤（）：进行初始化设置，在进行迭代计算之前还需要对整个模型进行初始化设置，蓄热体初始温度设置为 ；步骤（）：本次仿真步长设为 ，步数设为 步，共 小时 计算结果分析如图 所示表示三种孔形固体蓄热体平均温度随时间变化情况观察曲线图可以看出，蓄热体平均温度随时间变化呈现下降趋势，而且这种下降趋势随时间变化变得越来越缓慢，这是由于在放热初期蓄热体与空气存在较大温差，这种大温差会加剧空气和蓄热体之间的对流换热程度，当随着放热过程逐步进行，蓄热体温度在不断下降，两者之间的温差也会逐步缩小，对流换热效果逐渐变弱，温度下降趋势也会越来越慢在放热的 小时末，圆形孔蓄热体平均温度由 降为 ，温差为 ；椭圆孔蓄热体平均温度由 降为 ，温差为 ；异形孔蓄热体平均温度由 降为 ，温差为 小时末异形孔蓄热体平均温度较圆形孔降低了 ，较椭圆孔降低了 ，通过放热性能评价标准中公式（）可以算出：圆形孔固体蓄热体放热完成度为 ，椭圆孔固体蓄热体放热完成度为 ，异形孔固体蓄热体放热完成度为 由以上数据分析结合图 可以看出，在放热过程中，圆形孔固体蓄热体蓄热体平均温度总是最高，异形孔固体蓄热体蓄热体温度一直保持最低，且 小时放热过程完成后异形孔固体蓄热体放热完成度较圆形孔提高了 ，较椭圆孔提高了 图 三种孔形固体蓄热体平均温度随时间变化利用 后处理软件，能够根据坐标位置提取截面上测点温度值下图 为蓄热体前、中、后三个截面上温度测点的布置图由于截面上温度分布上下左右呈现对称性，故每个截面选取了左下区域的个测点，三个截面一共 个测点河 北 建 筑 工 程 学 院 学 报第 卷图 截面上温度测点布置图放热均匀度是评价固体蓄热体放热性能优劣的重要指标，根据公式（），结合下表，可以算出圆形孔蓄热体放热均匀度为 ，椭圆孔蓄热体放热均匀度为 ，异形孔蓄热体放热均匀度为 小时放热过程完成后异形孔固体蓄热体放热完成度较圆形孔提高了 ，较椭圆孔提高了 表放热 小时末三种孔形体测点温度数值测点圆形孔椭圆孔异形孔测点圆形孔椭圆孔异形孔 结论为探究固体蓄热体的放热特性，本文建立了圆形孔、椭圆孔和异形孔三种孔形的固体蓄热体物理模型并利用 软件进行了数值模拟分析，并分析了蓄热体平均温度以及 个温度测点的数值变化等多组数据得出结论：异形孔固体蓄热体相较于圆形孔和椭圆孔增加了孔道内空气混乱程度、增强了蓄热体和空气之间的对流换热效果；且异形孔固体蓄热体在 小时放热过程后放热完成度为 ，较圆形孔提高了 ，较椭圆孔提高了 ；小时放热过程后异形孔固体蓄热体放热均匀度为 ，较圆形孔提高了 ，较椭圆孔提高了 故认为在三种孔形比较中，异形孔固体蓄热体放热性能最好，本文为固体蓄热体的优化设计提供了参考依据参考文献 胡思科，周林林，邢姣娇圆形和椭圆形孔道固体蓄热装置蓄放热特性模拟热力发电，（）：曲家豪固体蓄热式电加热机组性能评价体系研究及测试平台开发河北建筑工程学院，第期樊家辉 等三种孔形固体蓄热体的放热性能模拟研究 杨世铭，陶文栓传热学（第四版）北京：高等教育出版社，陶文铨数值传热学（第二版）西安：西安交通大学出版社，葛维春，邢作霞，朱建新等固体电蓄热及新能源消纳技术北京：中国水利水电出版社，李婷固体蓄热装置储能体放热特性研究天津商业大学，陈志超某蜂窝陶瓷蓄热体热交换特性数值模拟及优化韶关学院学报，（）：董佳仪固体电蓄热装置内流动与传热耦合分析沈阳工业大学，梁炬祥固体蓄热传热过程的模拟分析及实验研究合肥工业大学，犛 犻 犿 狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀狊 狋 狌 犱 狔狅 狀狋 犺 犲 犲 狓 狅 狋 犺 犲 狉 犿 犻 犮狆 犲 狉 犳 狅 狉 犿 犪 狀 犮 犲狅 犳 狋 犺 狉 犲 犲狆 狅 狉 狅 狌 狊 狊 狅 犾 犻 犱犺 犲 犪 狋 狊 狋 狅 狉 犪 犵 犲犫 狅 犱 犻 犲 狊犉 犃 犖犑 犻 犪 犺 狌 犻，犑 犐 犃犢 狌 犵 狌 犻，犣 犎 犃 犗犑 犻 犪 狀 犲 狀，犣 犎 犃 犖 犌犢 犪 犼 犻 犲，犠犃 犖 犌犛 犺 狌 狅，犘 犃 犖 犌犡 狌 犲 犳 犲 狀 犵，犙 犐 犖犑 犻 狀 犵，犆 犎 犃 犖 犌犣 狅 狀 犵 狔 狌 犲（，；，；，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；河 北 建 筑 工 程 学 院 学 报第 卷