徐靜文， 匡 蕘

(東南大學(xué) 江蘇省太陽能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210096)

在太陽能熱電站[1]、乏風(fēng)瓦斯發(fā)電系統(tǒng)[2-3]中，蓄熱體是最關(guān)鍵的傳熱部件。蓄熱體和氣體在流道內(nèi)完成熱交換后產(chǎn)生高溫?zé)煔?，高溫?zé)煔饫^續(xù)供給余熱發(fā)電鍋爐從而將熱能轉(zhuǎn)化成高品質(zhì)的電能[4]。蓄熱體的傳熱性能影響高溫?zé)煔獾漠a(chǎn)生效率和質(zhì)量，因此對(duì)蓄熱體傳熱性能進(jìn)行優(yōu)化，能夠帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

陶瓷蜂窩蓄熱體因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、使用成本低等特性而被廣泛應(yīng)用，但是仍存在某些局限。陶瓷蜂窩蓄熱體普遍使用縱掠結(jié)構(gòu)[5-6]，氣體在筆直的流道中受到的擾動(dòng)較弱，換熱較慢。若使用較大氣體流速會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱不充分，氣體在尚未充分加熱時(shí)就會(huì)被排出。陶瓷蜂窩蓄熱體常采用較小的蜂窩孔徑(1.5～4.0 mm)[7]，其內(nèi)部流道單一且狹窄，氣體在流道內(nèi)的流阻較大。在狹窄的流道中，氣體以較高的速度流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的壓降。為了在可承受的壓降范圍內(nèi)達(dá)到較好的傳熱效果，氣體的入口流速一般控制在0.2～2.6 m/s[8]。GOSIEWSKI K等[9]在使用3 mm孔徑的陶瓷蜂窩蓄熱體時(shí)，采用0.823 m/s的氣體流速，壓降已達(dá)近2 000 Pa，若繼續(xù)增大流速會(huì)使得壓降急劇增大而超出合理范疇。流速受限使得陶瓷蜂窩熱力氧化器在單位時(shí)間內(nèi)的氣體處理量不大。

綜上，陶瓷蜂窩蓄熱體在具有較高的經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，仍存在如下缺陷：

(1) 采用縱掠結(jié)構(gòu)，對(duì)氣體擾動(dòng)較弱,換熱較慢，限制了氣體的流速。

(2) 采用狹窄且單一的流道，導(dǎo)致壓降過大，限制了氣體的流速。

筆者針對(duì)上述兩項(xiàng)問題，提出了一種具有混合流道的玄武巖纖維束蓄熱體。纖維束器件群以橫掠的方式進(jìn)行安裝固定，混合流道中的次級(jí)流道負(fù)責(zé)與氣體進(jìn)行快速換熱，主流道負(fù)責(zé)將換熱完成的氣體快速排出。筆者通過數(shù)值模擬分析了纖維束排列方式、流道間距等對(duì)該蓄熱體傳熱性能的影響。

1 蓄熱體物理模型

1.1 蓄熱體材料

玄武巖材料屬于非晶體，在高溫下會(huì)熔融成玻璃態(tài)，易被拉絲成纖維。此外，玄武巖耐熱性能好，具有較高的比熱容和優(yōu)秀的力學(xué)性能[10]。因此，筆者選擇玄武巖材料作為制作蓄熱體中纖維束的原材料。

大量細(xì)小的玄武巖纖維絲可通過加捻的方式組合在一起構(gòu)成直徑為d的玄武巖纖維束。在蓄熱體中，玄武巖纖維束的兩端需要被固定，使其張緊。以纖維為基本單元的編織型器件是典型的低維度器件，每根纖維絲的尺度小，畢渥數(shù)低，其導(dǎo)熱熱阻可以忽略不計(jì)，熱量損失小。當(dāng)氣體流經(jīng)纖維束表面時(shí)，大量纖維束對(duì)氣體進(jìn)行切割、擾動(dòng)，從而達(dá)到較好的傳熱效果。

1.2 蓄熱體結(jié)構(gòu)

玄武巖纖維束以叉排或者順排的方式排成的纖維束器件群見圖1。每個(gè)纖維束器件群以叉排的排列方式進(jìn)行排列，構(gòu)成了玄武巖纖維束蓄熱體(見圖2)。

圖1 玄武巖纖維束器件群結(jié)構(gòu)立體圖

圖2 玄武巖纖維束蓄熱體結(jié)構(gòu)立體圖

為了同時(shí)兼顧減小流動(dòng)阻力與強(qiáng)化傳熱效果的目的，采用混合流道結(jié)構(gòu)。纖維束器件群的內(nèi)部由各個(gè)細(xì)小的纖維束劃分成大量小流道，構(gòu)成次級(jí)流道。次級(jí)流道的間隙小，其內(nèi)氣體能夠和玄武巖纖維進(jìn)行快速換熱，但次級(jí)流道內(nèi)流阻較大。因此，額外增設(shè)一個(gè)低流阻的主流道。纖維束器件群之間的間隙較大，構(gòu)成一個(gè)低流阻的主流道，可以用于快速排出次級(jí)流道內(nèi)已完成流固表面換熱的氣體。

1.3 蓄熱體二維模型

在模擬分析中，假設(shè)氣體受到的重力影響可以忽略不計(jì)。玄武巖纖維束蓄熱體結(jié)構(gòu)平面圖見圖3。其中，S1為相鄰兩個(gè)纖維束垂直于氣體流動(dòng)方向的距離，S2為相鄰兩個(gè)纖維束平行于氣體流動(dòng)方向的距離，S1和S2為待優(yōu)化參數(shù)。由于蓄熱室內(nèi)結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性和重復(fù)性，使用圖3(a)所示的截面進(jìn)行模擬分析和論證。

圖3 玄武巖纖維束蓄熱體結(jié)構(gòu)平面圖

在圖3(a)中，氣體自左向右流動(dòng)，30排纖維束器件群以叉排方式排列，每個(gè)纖維束器件群由19列纖維束組成。由于對(duì)稱性，只需使用一半上下兩層叉排排列的纖維束器件群進(jìn)行模擬分析和論證。圖3(b)給出了以叉排排列的纖維束構(gòu)成的纖維束器件群的半截面，圖3(c)給出了以順排排列的纖維束構(gòu)成的纖維束器件群的半截面。

兩個(gè)相鄰纖維束器件群在平行于氣體流動(dòng)方向的距離等于每個(gè)纖維束器件群的平行于氣體流動(dòng)方向的軸長，兩個(gè)相鄰纖維束器件群在垂直于氣體流動(dòng)方向的距離等于每個(gè)纖維束器件群的垂直于氣體流動(dòng)方向的軸長。

2 數(shù)值計(jì)算

玄武巖纖維向氣體的放熱過程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的傳熱過程。模擬過程中，選擇空氣作為受熱流體，玄武巖纖維的初始溫度為1 030 K，空氣的初始溫度為298 K，蓄熱體入口處氣體的流速為2 m/s。在每個(gè)纖維束旁設(shè)置一條監(jiān)控線來測(cè)量次級(jí)流道中的氣體流速，在出口處設(shè)置一條監(jiān)控線來測(cè)量氣體的出口溫度。采用瞬態(tài)分析法對(duì)放熱過程進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算持續(xù)1 000 s?？諝夂托鋷r的物性參數(shù)見表1和表2，其中，t代表熱力學(xué)溫度，K。

表1 空氣物性參數(shù)

表2 玄武巖物性參數(shù)

模擬過程中，纖維束的直徑為3 mm，纖維束器件群的排列方式固定為叉排排列，每條流道內(nèi)，纖維束器件群的排數(shù)為30。在纖維束器件群中，纖維束之間的間距和纖維束的排列方式由模擬分析確定。若纖維束器件群內(nèi)纖維束叉排排列，每列纖維束數(shù)量分別為5、10、13、14、17、18、17、18、19、18、19、18、17、18、17、14、13、10、3；若纖維束器件群內(nèi)纖維束順排排列，每列纖維束數(shù)量分別為5、9、13、15、15、17、17、19、19、19、19、19、17、17、15、15、13、9、5。

蓄熱體的熱量傳遞給氣體，當(dāng)氣體溫度高于溫度閾值時(shí)，可認(rèn)為該高溫氣體可用于余熱鍋爐發(fā)電。此處定義有效放熱熱量為被加熱后溫度超過675 K的這部分氣體所接收到的來自蓄熱體的總熱量；定義有效放熱時(shí)間為蓄熱體排出氣體溫度高于675 K的總時(shí)間；定義平均有效放熱功率為有效放熱熱量和有效放熱時(shí)間的比值。在圖3(a)所示的二維模型的模擬過程中，能量及功率的計(jì)算都以0.5 m的纖維束進(jìn)行換算。定義次級(jí)流道中大于2 m/s流速占比為次級(jí)流道的監(jiān)控線上的平均流速大于2 m/s的監(jiān)控線數(shù)量占總監(jiān)控線數(shù)量的百分比。

3 結(jié)果與分析

3.1 纖維束排列方式對(duì)傳熱的影響

圖4為5種相鄰纖維束間距方案下的平均有效放熱功率和有效放熱時(shí)間，其中各方案的相鄰纖維束間距設(shè)置由表3給出。

圖4 不同方案的平均有效放熱功率和有效放熱時(shí)間

表3 不同方案相鄰纖維束間距設(shè)置

由圖4可以看出：纖維束器件群中纖維束的排列方式對(duì)平均有效放熱功率和有效放熱時(shí)間的影響較?。欢噜徖w維束間距變化對(duì)平均有效放熱功率和有效放熱時(shí)間有顯著影響。因此，在尋找具有最優(yōu)傳熱效果蓄熱體結(jié)構(gòu)參數(shù)配置時(shí)，可以將纖維束器件群中的纖維束固定為順排方式排列。

3.2 纖維束間距對(duì)傳熱影響

圖5為在固定纖維束器件群中的纖維束為順排排列，固定S1為7.2 mm，不同S2工況下的平均有效放熱功率和放熱時(shí)間的變化。由圖5可以看出：S2的變化對(duì)于平均有效放熱功率和有效放熱時(shí)間的影響較小(10%以內(nèi))。因此，可以在工程制作中允許的間距范圍內(nèi)，選擇較小的S2，以保證蓄熱體具有較小的體積。

圖5 不同S2工況下平均有效放熱功率和有效放熱時(shí)間

圖6為在固定纖維束為順排排列，固定S2為4.2 mm，不同S1工況下的平均有效放熱功率和放熱時(shí)間的變化。

由圖6可以看出：當(dāng)S1增大時(shí)，平均有效放熱功率顯著增大；平均有效放熱功率越大，有效放熱時(shí)間越短。這表明在具有相同熱量的蓄熱體和氣體進(jìn)行傳熱時(shí)，平均有效放熱功率越大，有效放熱時(shí)間也會(huì)隨之縮短，可以更快地完成放熱，傳熱效果越好。當(dāng)S1增大的同時(shí)，安裝相同數(shù)量纖維束的蓄熱體的體積也會(huì)隨之增大。因此，需要在體積允許的范圍內(nèi)，通過增大S1來獲得更好的傳熱效果。

圖6 不同S1工況下平均有效放熱功率和有效放熱時(shí)間

通過上述模擬結(jié)果可知，當(dāng)纖維束器件群中的纖維束以順排方式排列，S1取7.2 mm、S2取4.2 mm時(shí)，具有混合流道的纖維束蓄熱體可以獲得較好的傳熱效果。

3.3 次級(jí)流道氣體流速與傳熱效果的關(guān)系

圖7給出了不同工況下，平均有效放熱功率和次級(jí)流道中氣體流速占比，其中各方案的相鄰纖維束間距設(shè)置見表3。由圖7可以看出：次級(jí)流道中流速大于2 m/s的氣體占比越高，則平均有效放熱功率越大。這表明，次級(jí)流道的氣體流通狀態(tài)影響了傳熱的快慢，當(dāng)次級(jí)流道中氣體處于高流速的占比越小，次級(jí)流道越阻塞，越不利于強(qiáng)化傳熱。

圖7 不同方案的平均有效放熱功率和次級(jí)流道流速關(guān)系

3.4 蓄熱體性能比較

纖維束器件群中纖維束以順排排列，S1取7.2 mm、S2取4.2 mm，蓄熱體的總長度為2.36 m，總體積為0.156 m3。當(dāng)入口氣體流速為4 m/s時(shí)，單位長度蓄熱體的壓降為882 Pa。文獻(xiàn)[9]中的陶瓷蜂窩蓄熱體使用3 mm孔徑，蓄熱體總長度2 m，總體積為0.405 m3。當(dāng)入口氣體流速為0.823 m/s時(shí)，其單位長度蓄熱體的壓降已經(jīng)接近1 000 Pa。該玄武巖纖維束蓄熱體的有效傳熱效率為78.3%，而文獻(xiàn)[1]中的陶瓷蜂窩蓄熱體有效傳熱效率小于60%。因此，該玄武巖纖維束蓄熱體在保證較小的壓降和有效傳熱效率的同時(shí)，可以使用更大的氣體流速。

4 結(jié)語

通過對(duì)具有混合流道的玄武巖纖維束蓄熱體的傳熱性能進(jìn)行的模擬分析，可以得到以下結(jié)論：

(1) 在不同的間距方案中由排列方式的變化所帶來的有效放熱功率相差不大，但各有優(yōu)劣。因此，可在選定間距方案后再根據(jù)模擬結(jié)果選擇合適的排列方式。

(2) 具有混合流道的玄武巖纖維束蓄熱體的傳熱效果隨S2的增大而輕微增大，在實(shí)際應(yīng)用中可選取較小的S2，以保證較小的蓄熱體體積。

(3) 通過增大纖維束器件群的S1，可以獲得顯著增高的平均有效放熱功率，在體積允許的前提下，可選取較大的S1。

(4) 具有混合流道的玄武巖纖維束蓄熱體的次級(jí)流道中高流速氣體的占比和蓄熱體傳熱效果呈正相關(guān)。

(5) 具有混合流道的玄武巖纖維束蓄熱體相比于傳統(tǒng)陶瓷蜂窩蓄熱體，在保證有效傳熱和壓降的前提下，能使用較大的氣體流速，具有更高的有效傳熱效率。