基于固體電蓄熱系統(tǒng)的換熱特性研究

梁 爽，劉軼菡

（1.中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院，遼寧沈陽(yáng)110000；2.沈陽(yáng)理工大學(xué)，遼寧沈陽(yáng)110000）

近年來(lái)，由于霧霾頻發(fā)，各大城市及地方政府推廣“煤改電”采暖改造，固體電蓄熱裝置就是“煤改電”政策下的清潔供熱產(chǎn)物。固體電蓄熱在夜間低谷電時(shí)，通過(guò)電加熱將熱量?jī)?chǔ)存在固體介質(zhì)中，白天熱量以風(fēng)的形式將固體中儲(chǔ)存的熱量傳遞出來(lái)，再進(jìn)行風(fēng)水換熱，完成末端供暖。固體蓄熱系統(tǒng)完成清潔供暖的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是其能量的傳遞過(guò)程，即熱風(fēng)和水的換熱，而完成該換熱過(guò)程的裝置就是翅片管換熱器。在固體電蓄熱發(fā)展的近些年里，人們對(duì)固體電蓄熱換熱過(guò)程有了一定的研究，但對(duì)翅片管換熱器的設(shè)計(jì)及選型計(jì)算還沒(méi)有一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參考。本文針對(duì)固體電蓄熱系統(tǒng)，對(duì)其翅片管換熱器的換熱特性進(jìn)行研究，分析翅片管換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)固體電蓄熱系統(tǒng)的換熱特性的影響。

1 基于1MW電蓄熱系統(tǒng)能量計(jì)算分析

固體電蓄熱系統(tǒng)主要包括：固體蓄熱機(jī)組、翅片管換熱器、供回水水管、回風(fēng)通道、離心風(fēng)機(jī)以及電控柜等。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 固體電蓄熱系統(tǒng)

本文基于1 MW 固體蓄熱機(jī)組進(jìn)行換熱性能研究，設(shè)計(jì)蓄熱時(shí)長(zhǎng)8 小時(shí)（晚間谷電），供熱時(shí)長(zhǎng)16 小時(shí)，則每小時(shí)供熱量為500 kW。供暖用供水水溫60 ℃、回水水溫40 ℃，1 MW機(jī)組的供回水流量式：

式中：Q為電蓄熱機(jī)組熱功率，kW；ρ為平均水溫（50 ℃）下水的密度；cp為水（50 ℃）的比熱容；為出水溫度；為回水溫度，℃；η為機(jī)組熱效率（0.85）。

固體蓄熱機(jī)組的溫度利用范圍為150～700 ℃，固體機(jī)組中存儲(chǔ)的熱量以熱風(fēng)的形式傳遞，考慮到風(fēng)機(jī)溫度要求，通過(guò)風(fēng)機(jī)循環(huán)后的回風(fēng)溫度一般設(shè)定在120 ℃以下，本文設(shè)定回風(fēng)溫度90 ℃，固體蓄熱機(jī)組在白天供暖的過(guò)程中，出風(fēng)溫度呈下降趨勢(shì)，當(dāng)水端溫度要求一定的情況下，隨著出風(fēng)溫度的降低，熱風(fēng)流量會(huì)隨之加大。基于1 MW 機(jī)組的出風(fēng)溫度及需要熱風(fēng)流量的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 熱風(fēng)出風(fēng)溫度與流量關(guān)系

從圖2 可以看出，熱風(fēng)溫度從700 ℃降到300 ℃時(shí)，熱風(fēng)流量變化比較平緩，流量由4 450 m3/h 增加到9 424 m3/h；當(dāng)風(fēng)溫低于300 ℃時(shí)，隨著溫度降低，所需的熱風(fēng)流量將大幅度提高，當(dāng)出風(fēng)溫度降低到200 ℃時(shí)，熱風(fēng)流量將達(dá)到1.63萬(wàn)m3/h，150 ℃時(shí)，熱風(fēng)流量將達(dá)到2.82萬(wàn)m3/h。從風(fēng)機(jī)效率及換熱效率角度考慮，熱風(fēng)最低出風(fēng)溫度應(yīng)控制在280 ℃左右。

2 換熱系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

換熱系統(tǒng)主要包括翅片管換熱器、風(fēng)道、變頻風(fēng)機(jī)等，在進(jìn)行1 MW機(jī)組的換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，首先介紹一下翅片管換熱器結(jié)構(gòu)及基本參數(shù)，目前應(yīng)用于蓄熱裝置的翅片管換熱器生產(chǎn)沒(méi)有一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參考。

本文研究的是正三角排列的翅片管換熱器，因其特有的排列方式，其換熱效率比較高，但是對(duì)進(jìn)風(fēng)的潔凈度也有較高要求。正三角排列的換熱器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 正三角排列結(jié)構(gòu)

在對(duì)翅片管換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。帶有換熱器的熱能計(jì)算基本公式為

式中：K為傳熱系數(shù)，W（/m2·K）；A為傳熱面積，m2；ΔT為對(duì)數(shù)平均溫差。

在工程實(shí)際中，通常都是以式（2）為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，通過(guò)選定翅片管結(jié)構(gòu)來(lái)確定翅片管換熱器各項(xiàng)參數(shù)。

圖4 翅片管參數(shù)包括：基管直徑Db，翅片節(jié)距P，翅片厚度T，翅片外徑Df及基管厚度。

圖4 翅片管結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文選用1 MW 機(jī)組，設(shè)計(jì)出、回風(fēng)溫度700 ℃、90 ℃，熱風(fēng)流量4 450 m3/h；出、回水溫度60、40 ℃，流量19 m3/h，以及翅片管換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)（見(jiàn)表1），進(jìn)行換熱分析。

表1 翅片管換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 基于1MW機(jī)組換熱分析

3.1 對(duì)換熱器整體性能分析

經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整合，當(dāng) (Df/Db)=1.7-2.4 ，Db=12～41 mm 時(shí)，翅片管換熱器的換熱系數(shù)h設(shè)計(jì)計(jì)算公式如下：

式中：Gmax為流體在最窄截面處的質(zhì)量流速，kg/m2s；λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?K)；μ為流體的黏度系數(shù)，kg/(m?s)；Y為翅片間隙，m；Pr為流體的普朗特性，H為翅片管翅片高度，m。

式（3）中Gmax所指的最窄截面是相鄰兩翅片管間縫隙的截面，而最窄截面質(zhì)量流速Gmax的計(jì)算公式如下：

式中：Gf為空氣質(zhì)量流速，kg(m2?s)；P為翅片節(jié)距，m；Pt為翅片管管間節(jié)距，m；T為翅片厚度，m；

壓力降的計(jì)算公式：

整合式（2）～式（5），并經(jīng)相關(guān)系數(shù)修正后，結(jié)合空氣在150～700 ℃的物理參數(shù)，得到出風(fēng)溫度和翅片管換熱器換熱面積、壓力損失的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 出風(fēng)溫度和換熱面積及壓力損失關(guān)系曲線

從圖5 可以看出，所需的翅片管換熱器換熱面積隨著出風(fēng)溫度的降低而減小。但實(shí)際由于換熱器結(jié)構(gòu)的確定，換熱面積不能隨著出風(fēng)溫度的變化而改變，因此在進(jìn)行換熱面積計(jì)算時(shí)，應(yīng)該以最高出風(fēng)溫度為參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，這樣才能保證換熱系統(tǒng)能換熱充分，有較高的換熱效率。通過(guò)圖2 可知，由于出風(fēng)溫度下降，所需熱風(fēng)流量增加，在迎風(fēng)面積一定的情況下，熱風(fēng)流速增加，因此在換熱器內(nèi)壓力損失也增加。從圖5 曲線再一次得出出風(fēng)溫度低于300 ℃時(shí)，熱風(fēng)壓力急劇升高，從換熱器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及翅片管換熱器的工作壽命等方面考慮，熱風(fēng)最低出風(fēng)溫度應(yīng)控制在250～300 ℃。

3.2 翅片管換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)化分析

圖6 是以出風(fēng)溫度700 ℃以及根據(jù)表1 的翅片管參數(shù)設(shè)計(jì)出來(lái)的翅片管換熱器。經(jīng)計(jì)算1 MW 機(jī)組以表1參數(shù)計(jì)算所需換熱面積147 m2，由于翅片管換熱器結(jié)構(gòu)要求，經(jīng)翅化比10.12計(jì)算得實(shí)際換熱器面積151 m2。該換熱器迎風(fēng)面管排數(shù)N=12，管列數(shù)12，進(jìn)、出水管道直徑60 mm。

在換熱器面積確定以后，通過(guò)改變翅片管結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行換熱性能的分析，首先以迎風(fēng)面積為變量查看不同管間距的條件下壓力損失的情況如圖7 所示。可以看出，迎風(fēng)面積越大壓力損失越小，而管間距對(duì)壓力損失的影響也是不可忽略的，管間距由0.06 m 增加到0.08 m 時(shí)，壓力損失平均下降23.4%。當(dāng)以管間距參數(shù)由0.06 m 增加到0.08 m 計(jì)算得到的換熱面積增加17.9%。

圖6 換熱面積151 m2翅片管換熱器

圖7 迎風(fēng)面積和壓力損失關(guān)系曲線

圖8以翅片高度H為改變參數(shù)，分析翅片節(jié)距P在4～6 mm時(shí)對(duì)換熱面積的影響。當(dāng)翅片高度由10 mm增加到17.5 mm 時(shí)，換熱器面積將增加15.2%，但由于翅片高度增加，換熱器的翅化比將由6.4 升高到12.2，所需的換熱器體積將減小38%。

在相同翅片管參數(shù)（H=12.5 mm）下，翅片節(jié)距由4 mm 調(diào)整到6 mm 則所需的換熱面積將減小，但由于翅片節(jié)距增加，換熱器的翅化比將降低，所需的換熱器體積增加。

4 結(jié) 論

本文進(jìn)行了1 MW 固體電蓄熱系統(tǒng)的能量計(jì)算以及翅片管換熱器設(shè)計(jì)，并對(duì)其換熱系統(tǒng)完成換熱性能分析，得到以下結(jié)論：

（1）經(jīng)分析，在其他條件保持不變的條件下，增加翅片管換熱器迎風(fēng)面積或管間距，可以降低換熱器的壓力損失，但會(huì)加大換熱器換熱面積。當(dāng)管間距由60 mm增加到80 mm時(shí)，壓力損失下降23.4%，換熱面積將增加17.9%。

圖8 不同翅片高度下節(jié)距對(duì)換熱面積的影響

（2）增加翅片高度或減小翅片節(jié)距雖然使換熱面積增加，但由于提高了翅化比，因此氣換熱器體積將減小。當(dāng)翅片高度由10 mm 增加到17.5 mm 時(shí)，換熱器面積將增加15.2%，所需的換熱器體積將減小38%。

（3）經(jīng)換熱系統(tǒng)整體分析得到，為保證換熱效率以及換熱充分性，最低出風(fēng)溫度應(yīng)控制在250～300 ℃，在進(jìn)行換熱器換熱面積計(jì)算時(shí)，應(yīng)以固體電蓄熱機(jī)組中最高出風(fēng)溫度為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算；同時(shí)出風(fēng)溫度也直接決定系統(tǒng)的壓力損失，隨著出風(fēng)溫度降低，系統(tǒng)的壓力損失將增加。