李晶晶, 李永光, 王治源, 王曉敏

(上海電力學院 能源與機械工程學院, 上海 200090)

改變?nèi)祟惢顒铀璧哪茉唇Y構,因地制宜,更多更廣泛地使用風能和太陽能可再生能源,是今后能源利用的發(fā)展方向。但由于風能和太陽能的不穩(wěn)定性,若需要大規(guī)模使用,對儲能就提出了更高的要求。近年來世界各國科學家和工程技術人員對儲能的研究已越來越多[1-5]。我國冬季供暖所用能源85%以上是煤(包括熱電聯(lián)產(chǎn))[6],也是我國冬季霧霾頻發(fā)的重要因素之一。為此目前我國主要用天然氣或電來替代以煤為主要熱源的供暖方式,但我國天然氣十分匱乏,且大量燃燒天然氣會排放較多的氮氧化物。據(jù)統(tǒng)計,目前大部分天然氣鍋爐氮氧化物排放濃度約在300 mg/m3。此外,限制煤改氣實施最為重要的一點就是安全問題。電是理想的替代方式之一,但目前我國發(fā)電用煤的比例還較高,火電廠排放的污染物在大氣污染中占相當?shù)谋壤?而且采用電取暖無疑會對火電機組備用提出更高的要求。因此,在用電供熱的場合,使用電蓄熱裝置,將用電低谷時的電轉(zhuǎn)換成熱儲存起來,在用電高峰時放出,這樣既可以有效緩解發(fā)電系統(tǒng)的供需矛盾,又可以使用戶利用峰谷差電價降低用電成本。固體蓄熱裝置結構簡單、安全可靠、成本低,得到了工程技術人員的重視,目前市場上供暖產(chǎn)品大多采用的是固體蓄熱裝置。

為提高固體蓄熱裝置的熱利用效率,其放熱特性的研究就顯得十分重要,但目前這方面的研究還很少。胡恩科等人[7-8]在強制對流工況下,采用標準k-ε模型,用數(shù)值計算的方法模擬了固體蓄熱裝置上分別開有圓孔和橢圓孔時,固體蓄熱裝置的放熱特性。研究結果表明,對于氧化鎂固體材料,圓孔開始放熱時,孔數(shù)越多,出口溫度越高,約2.8 h后,孔數(shù)越多,出口溫度越低;隨著放熱時間的延長,孔數(shù)越多,出口溫度下降越快,出口速度也基本有同樣規(guī)律,變換的臨界時間約是放熱開始后2.6 h。此外,橢圓孔出口溫度變化規(guī)律與圓孔相同,當孔數(shù)達到64個時,橢圓孔內(nèi)的溫度明顯高于圓孔內(nèi)溫度。楊志剛[9]采用470 mm×90 mm×580 mm的氧化鎂蓄熱磚,在分別開縫為5 mm,10 mm,15 mm的自然對流工況下,進行了試驗研究,結果表明,開縫可以提高蓄熱體放熱效率。趙廣播等人[10]在強制對流工況下,對環(huán)形腔內(nèi)充滿固體蓄熱粒子并加裝12根金屬散熱管的裝置進行了放熱特性研究,結果表明,不同位置的散熱管其放熱效率不同,最大相差達70%。

已有的研究結果表明,若將蓄熱裝置作為家庭或建筑物中的取暖設備,其自然對流換熱特性非常重要,而蓄熱體是否開孔,孔形狀、數(shù)量等對蓄熱體散熱均有十分重要的影響。本文根據(jù)GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》[11]與ASTM-C16.30標準[12],設計了蓄熱裝置,利用數(shù)值模擬方法,研究了自然對流工況下,圓形和橢圓形孔道及孔道數(shù)量對固體蓄熱裝置放熱特性的影響,以期為相關工程技術人員及固體蓄熱裝置的使用提供參考。

1 固體蓄熱裝置放熱特性模型建立

1.1 物理模型

根據(jù)GB 50736—2012和ASTM-C16.30標準,本文設計的蓄熱裝置尺寸如下:蓄熱體長寬高分別為150 mm×25 mm×75 mm,正方體框邊長為500 mm,壁厚為60 mm。

蓄熱體置于靠墻100 mm、距地面50 mm的位置。蓄熱體材料為鎂磚,壁厚材料為發(fā)泡水泥保溫材料,正方體中介質(zhì)為空氣。表1為蓄熱材料的物性參數(shù)。

表1 幾種蓄熱材料物性參數(shù)

本文共計算了孔形為圓形和橢圓形、孔道數(shù)量為2個和8個的4種模型。圖1給出圓形和橢圓形孔道數(shù)量為2個的蓄熱體形狀示意圖。

1.2 數(shù)學模型

該蓄熱體放熱過程是一個具有內(nèi)熱源的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程,滿足的連續(xù)性方程、動量方程及能量方程如下。

連續(xù)性方程為

(1)

式中:ρ——密度;

u——速度矢量;

t——時間。

動量方程為

(2)

式中:p——流體在微元體上的壓力;

τxx,τxy,τxz——因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的黏性應力τ的分量;

g——重力加速度。

能量方程為

(3)

式中:T——熱力學溫度;

λ——流體的導熱系數(shù);

Cp——比熱容;

ST——黏性耗散量。

由于房間空氣密度、導熱系數(shù)、比熱容、黏度等均隨溫度的變化而變化,因此對在一個標準大氣壓下干空氣熱物理參數(shù)測試得到的數(shù)據(jù)進行了擬合[13]。其具體表達式如表2所示。

表2 空氣物性參數(shù)表達式

1.3 數(shù)值模擬條件及參數(shù)設定

本文采用FLUENT進行模擬計算,選用壓力耦合求解器,并考慮輻射換熱。其模型為離散換熱輻射模型,主要假設是用單一的射線代替從輻射表面沿某個立體角的所有輻射效應,根據(jù)輻射強度衰減曲線獲得表面處各條射線的凈輻射強度,再積分后獲得輻射熱源[14-15]。算法選用SIMPLE算法。具體模擬條件設置如下。

(1) 初始條件 蓄熱體初溫為573 K,房間空氣、墻和孔道初始溫度為293 K。

(2) 邊界條件 設定外墻溫度為268 K。內(nèi)墻、蓄熱體外表面及孔道內(nèi)表面均與空氣耦合。

(3) 殘差標準 連續(xù)性方程、動量方程及能量方程收斂殘差分別為10-3,10-5,10-6。

2 數(shù)值模擬結果分析

為了便于分析比較,在計算過程中,固體蓄熱體體積保持不變,為2.10×10-4m3。蓄熱體總橫截面積為3.75×10-3m2,其中孔道總橫截面積和固體總橫截面積分別為2.812 5×10-3m2和9.375 0×10-4m2。不論何種孔型,孔數(shù)相同單孔表面積相同,其換熱面積就相同,如表3所示。

表3 不同孔數(shù)下的圓形、橢圓形孔道幾何參數(shù)

2.1 孔形和孔數(shù)對孔道內(nèi)溫度的影響

圖2給出了孔形和孔數(shù)對孔道內(nèi)溫度的影響。橫坐標為孔道中心線各點溫度距地面的距離。

圖2 孔形和孔數(shù)對孔道內(nèi)溫度的影響

由圖2可以看出,橢圓孔中心線溫度基本上高于圓形孔同樣位置的溫度,即使在蓄熱體外(橫坐標小于50 mm和大于125 mm的區(qū)域)也是如此,兩者差別的最大處位于距離孔上方出口約10 mm 處。同樣孔數(shù)條件下,橢圓孔較圓孔溫度高了約17%,但在蓄熱體外,兩者的差別在減小。這是因為當單孔橫截面積相等時,橢圓的周長大于圓形周長,因此橢圓孔向孔道傳熱的換熱面積大于圓形孔的換熱面積,其換熱量也較大,使得孔中心溫度較高。此外,相同孔形,孔數(shù)越多,其孔中心溫度越高。橢圓孔這種現(xiàn)象更加明顯。這是因為在相同孔形工況下,要保持孔道總橫截面積相同,孔數(shù)越多,其當量直徑越小,孔中心線越接近蓄熱體,因此溫度也越高。

2.2 孔形和孔數(shù)對孔道內(nèi)速度的影響

孔形和孔數(shù)對孔道內(nèi)速度的影響如圖3所示。

圖3 孔形和孔數(shù)對孔道內(nèi)速度的影響

由圖3可以看出,不論孔數(shù)多少,橢圓孔內(nèi)中心線速度均大于圓形孔;相同孔數(shù)工況下,橢圓孔內(nèi)速度較圓孔內(nèi)速度要大30%左右。這與相同孔數(shù)下橢圓孔中心溫度較高有關(見圖2)。在自然對流工況下,溫度越高,分子熱運動越劇烈,速度也越快。無論何種孔形和孔數(shù),距地面約40 mm處,空氣速度開始增加,進入孔道后(橫坐標為50 mm),速度迅速增加,到達一定值后,速度保持不變,橢圓孔在距蓄熱體出口約25 mm處(橫坐標125 mm為蓄熱體出口),圓孔在距蓄熱體出口約15 mm處速度開始下降,這是受到孔出口效應影響所致。

由圖3還可以看出,孔中心線速度在離開蓄熱體出口約15 mm處速度有個最小值,是由孔出口與出口附近旋渦效應共同作用的結果[16]?？仔蜗嗤瑫r,孔數(shù)越多,中心線速度越小。因為當孔形相同時,若保持孔橫截面積不變,則孔數(shù)越多,孔的當量直徑越小,在自然對流工況下,其空氣阻力也越大,致使速度較小。

2.3 孔道內(nèi)空氣換熱量的變化

在自然對流工況下,當蓄熱體上有孔時,該孔已成為蓄熱體散熱的一部分,因此孔出口溫度、孔形、孔數(shù)及孔軸的方向等對整個蓄熱體散熱均有影響。根據(jù)能量方程,孔散熱量可表示為

Φ=qm″Cp″tf″-qm′Cp′tf′

(4)

式中:qm′,qm″——空氣進出口的質(zhì)量流量,kg/m3;

Cp′,Cp″——空氣進出口的比熱容;

tf′,tf″——孔道進出口空氣溫度,K。

由于空氣密度、比熱容和溫度都隨時間的變化而變化,這里選取時間為1.0×104s時的數(shù)據(jù)代入表2擬合公式計算瞬時值,從而求出孔道換熱量進行分析比較。

孔形和孔數(shù)對孔出口平均溫度的影響如圖4所示。

圖4 孔形和孔數(shù)對孔出口平均溫度的影響

由圖4可以看出,開始時,橢圓孔出口溫度高于圓孔,但在5 000 s(約1.4 h)左右時,橢圓孔出口溫度開始低于圓孔,而在本文計算工況下,孔數(shù)對出口溫度影響不大。圓形孔出口溫度隨時間延長變化較平緩。

孔道內(nèi)空氣換熱量隨時間變化如圖5所示。

圖5 孔道內(nèi)空氣換熱量隨時間變化比較

由圖5可以看出,通過孔向計算空間的散熱量時,開始基本不變,但在5 000 s左右時,散熱量開始急劇增加,而孔形和孔數(shù)均對此無太大影響。

2.4 蓄熱體平均溫度的變化

蓄熱體平均溫度變化如圖6所示。

由圖6可以看出,不論何種孔形和孔數(shù),蓄熱體平均溫度在開始時下降迅速,在5 000 s左右時溫度下降變緩,但有8個圓孔的蓄熱體,過了5 000 s后平均溫度幾乎保持不變。蓄熱體短時間平均溫度下降迅速對于供暖不利,如何使蓄熱體平均溫度均勻平緩地變化是室內(nèi)供暖需要研究的重要問題,也是本文作者后續(xù)工作的重點。此外,橢圓孔蓄熱體平均溫度開始下降較圓孔的慢,但過了5 000 s后,橢圓孔較圓孔下降得快,孔數(shù)越多這種現(xiàn)象越明顯。

圖6 蓄熱體平均溫度變化

3 結 論

(1) 在計算工況下即固體蓄熱體體積保持不變、蓄熱體總橫截面積一定時,橢圓孔道中心溫度明顯高于圓孔道中心線溫度,最大相差17%左右。在蓄熱體外(孔中心線的延長線)也有這種現(xiàn)象,但兩者的差別有所減小。相同孔形下,孔數(shù)越多,其孔中心溫度越高,對橢圓孔尤為明顯。

(2) 不論孔數(shù)多少,橢圓孔內(nèi)中心線速度均大于圓孔。相同孔數(shù)下,橢圓孔內(nèi)速度較圓孔內(nèi)速度要大30%左右。

(3) 不論何種孔形和孔數(shù),距地面約40 mm處,空氣速度開始增加,進入孔道后,速度迅速增加,到達一定值后,速度保持不變;橢圓孔在距蓄熱體出口25 mm左右、圓孔在距蓄熱體出口15 mm左右速度開始下降。同一種孔形,孔數(shù)越多,孔中心速度越小。

(4) 散熱開始時,橢圓孔出口溫度高于圓孔,但在5 000 s(約1.4 h)左右時,橢圓孔出口溫度開始低于圓孔,而在本文計算工況下,孔數(shù)對出口溫度影響不大。圓孔出口溫度隨時間的延長變化較為平緩。

(5) 通過孔向計算工況空間的散熱量時,開始基本不變,但在5 000 s左右時,散熱量開始急劇增加,孔形和孔數(shù)均對此無太大影響。散熱開始時,橢圓孔蓄熱體平均溫度下降較圓孔的蓄勢體平均溫度慢,但在5 000 s后,橢圓孔較圓孔下降得快,孔數(shù)越多這種現(xiàn)象越明顯。