基于TRNSYS平臺的PCM層儲能電爐蓄熱過程的數值模擬研究

張 浩,黃錦華,郁 丹

(浙江華云電力工程設計咨詢有限公司,浙江 杭州 310014)

蓄熱式儲能電爐產生于20世紀80年代,是一種環保型加熱電爐,與傳統加熱爐比具有預熱高、污染物排放量低等特點[1-3],目前蓄熱式儲能電爐在全世界因其環保節能而得到廣泛應用,進行儲能電爐蓄熱過程的數值模擬研究對電爐優化具有身份重要的意義[4]。

儲能電爐蓄熱過程的數值模擬研究可有效解決電能供需矛盾,為此盧昌燊等研究PCM參數對儲能式電爐蓄熱影響改善電爐蓄熱,但該方法采用多孔介質模型,模型數據較復雜[5];唐志偉等研究高溫相變蓄熱電鍋爐的數值模擬并對其結構進行優化處理,研究平板和鋸齒型兩種蓄熱板的蓄熱效果,未對更多的電爐蓄熱過程進行相關模擬[6]。

TRNSYS平臺是瞬時系統模擬程序平臺,專用于模塊分析應用,由若干個小模塊組成整個模擬系統,一個模塊代表一個功能的實現[7]。PCM層是TRNSYS平臺脈沖編碼調制層,用來實現聲音到數字的轉換。因此,提出基于TRNSYS平臺的PCM層儲能電爐蓄熱過程的數值模擬研究方法,依據TRNSYS平臺優勢,完成儲能電爐蓄熱過程數值模擬。

1 數值模擬下的蓄熱儲能電爐

1.1 儲能電爐物理模型建立

在蓄熱式儲能電爐中加入蓄熱耐火材料,使電能轉化為熱能方便存儲[8],其工作運行如圖1所示。

圖1 蓄熱式儲能電爐工作運行圖

圖1中蓄熱耐火材料是由耐火塊組成的蓄熱體,當電阻絲穿過蓄熱體會使蓄熱體溫度升高,升高到特定溫度就會停止加熱將熱量存儲[9]。當應用時,低氣溫進入蓄熱體中氣溫加熱得到可以使用的熱空氣。蓄熱式儲能電爐主要由蓄熱耐火材料組成,其特點是體積不易變形、儲熱密度大、導熱效果好、耐用結實[10]。

當蓄熱式儲能電爐在夜間工作時,電價處于低谷時期,將電加熱和風機循環打開,電加熱將風機冷風進行加熱,再將熱能傳送到蓄熱板進行儲熱,此時蓄熱板不能將所有熱能吸收,剩余少量熱能進入換熱器實現供暖,在進入換熱器過程中溫度會減少,此時需風機增壓才會繼續循環工作[11-12]。

當蓄熱式儲能電路放熱時,其過程如圖2所示。

圖2 蓄熱式儲能電爐放熱系統流程圖

結合圖2分析,當電爐在白天電價平穩與升高時,關閉加熱開關,打開循環風機,將換熱過的冷風進行增壓設置,后進入蓄熱板通道吸收所儲存的熱能,最后將熱能傳送給換熱器后形成的熱能傳遞給二次管道網循環水加熱實現供暖。在電爐放熱時溫度極高,為防止危險發生以及減少經濟損失和熱能損失,可將電爐所有面用保溫設備包裹起來進行保溫,也可加裝蛭石板使電爐處于絕熱狀態,有利于儲存能量[13]。

1.2 儲能電爐數學模型建立

1.2.1 假設條件

蓄熱式儲能電爐任意位置,流速恒定,氣溫分布均勻;恒定換熱系數,即換熱系數不隨溫度、位置、時間改變而變化;氣流參數和蓄熱物體恒定;蓄熱通道內氣流一樣[14]。

1.2.2 數學模型

1)氣體吸熱

蓄熱耐火材料加熱后,溫度一致,在蓄熱耐火材料中冷空氣受熱使能量增加,則空氣與蓄熱耐火材料之間轉換公式為

(1)

式中:pa為空氣密度,kg/m3;Ta為溫度,K;Cpa為空氣比定壓熱容,J/(kg·K);αa為空氣與蓄熱耐火材料對熱系數,W/(m·K);ua為空氣流速,m/s;Tcs為蓄熱耐火材料溫度,K;x為空氣溫度的變量,K。

2)蓄熱體放熱

冷空氣進入蓄熱耐火材料后釋放熱量。當放出熱量時,能量改變,蓄熱耐火材料放熱量由對流的熱量與自身熱量和組成,其表達公式為

(2)

式中:Cs為蓄熱耐火材料比熱容,J/(kg·K);Ms為質量,kg;λs為導熱系數;As為截面面積,m2;τ為蓄熱耐火材料溫度變量,K。

3)蓄熱率

當蓄熱式儲能電爐開始運行時,蓄熱管蓄熱所得到的熱量就是蓄熱量,實際蓄熱量與集熱量的比值用蓄熱率表示,比值越大證明蓄熱高,其計算公式如下:

(3)

式中:K為蓄熱率;Qa為蓄熱時間,h;Qb為集熱器總蓄熱量,kW。

4)蓄熱耗電比值

蓄熱耗電比值指單位蓄電量的耗電量比值,比值越大代表蓄電量越高,其計算公式如下:

(4)

式中:H為蓄熱耗電比;W為蓄熱時間蓄熱水泵耗電量,kW·h。

1.3 基于TRNSYS軟件的PCM層儲能電爐蓄熱分析

TRNSYS軟件是一種以定義模塊為基礎的仿真模擬平臺,如圖3所示。其具有模塊化結構,主體由一個主程序組成,多個功能性子程序對其進行配合,軟件的初始程序通過FORTRAN語言編寫完成,每個子程序都通過一個模塊在操作界面中被調用,同時實現特定的計算和輸入輸出功能。用戶在對特定的系統進行建模時,當標準模塊能夠反映模擬的實際需求時,首先需要調用最符合系統運行特性和功能的模塊,并根據被仿真設備的具體型號和要求,確定模塊各屬性參數的設定值。PCM層為其脈沖編碼調制層,軟件中模塊與模塊間數據相互傳送,將參數條件設置后會形成自身功能設置,不需要后期編程即可直接使用。

圖3 TRNSYS仿真模擬平臺

通過蓄熱式儲能電爐工作原理進行系統建模,基于TRNSYS軟件PCM層分析儲能電爐蓄熱,實現建模、整理數據、求解、分析處理于一體的儲能電爐蓄熱數值模擬操作[15]。TRNSYS軟件求解由三面構成:前處理、中運算求解、后處理。前處理是構建實體對象幾何模型,將網格進行劃分;中運算求解對參數與數據條件進行模擬計算的過程;后處理是繪制圖與表格將計算結果得以呈現,分析流程如圖4所示。

圖4 分析流程圖

設定氣體入口特定速度值與溫度是ua=3 m/s和Ta=180°,可以用湍流模型計算通道內的流體標準,將通道出口壓力條件設為P=0 Pa,蓄熱體特定初始溫度為Tcs=600 ℃,則與空氣接觸面可瞬間傳送熱量;可運用SIMPLE算法求解之間關系;將設置次數與差值帶入氣體方程計算求解,得到氣體在通道內氣體的溫度值,而固、氣體對流與固體內部傳熱的方程計算可得出區域溫度值,得出結果作為初始依據迭代運算,得出時間區域內蓄熱體與氣體溫度分布數值,最后輸出結果。

2 實驗分析

2.1 蓄熱率數值模擬

為驗證本文方法數值模擬研究的實用性,以具備直徑為250 mm、高度為180 mm蓄熱單元的某儲能電爐為實驗對象,該儲能電爐的儲能單元頂部、底部、外部、內部分別為絕熱蓋、電加熱器、保溫材料、形狀各異的銅片和相變材料。以該實驗對象的蓄熱為目標設立3因素2水平共6模擬組進行分析,影響蓄熱式儲能電爐溫度主要原因是電爐的體積,假設電爐體積范圍為20～30 m3,以此為依據,設定蓄熱時間在30～70 min,因此計算出蓄熱流量范圍在30～60 m3/h。

電爐蓄熱能力提升,則蓄熱時間得到減少,電量損耗亦會隨之減少,但也會增加蓄熱過程中熱量損失。而影響蓄熱率因素有很多,影響率占比從大到小分別是蓄熱流量>蓄熱溫度>蓄熱體積,分別用B,C,D表示,流量越小代表蓄熱量越高。綜上可得出各因素影響水平的表格分析,如表1所示。

表1 各因素水平表

根據表1所示,當蓄熱溫度23/13 ℃時表示蓄熱啟動溫度23 ℃,停止溫度13 ℃。模擬蓄熱率與因素水平的實驗,實驗中pi代表實驗中各因素在同等條件下指標之和,所以表2中P代表6項指標和;qi代表各因素在同等條件下指標的平均值。蓄熱率實驗結果對比分析如表2所示。

表2 蓄熱率實驗結果

因素影響水平分析結果表明,最佳水平因素搭配是B1,C1,D1,因為此時蓄熱率最高。增加電爐內管流量有利于提升管內流速并利于蓄熱,但弊端是會減少換熱時間,而管道出口溫度也會升高,降低進出口溫差會影響蓄熱能力,實驗結果表明電爐管內流量與溫度的增加,其蓄熱量就會減少。極差分析可得出各因素對蓄熱效果影響的規律,再通過實驗方差分析各因素對結果影響大小,蓄熱率實驗方差結果分析如表3所示。

表3 蓄熱率實驗方差分析

若某因素F>F0.05(2,2)=18時表明該因素對結果存在顯著影響;若F>F0.1(2,2)=8時,表明該因素對結果存在較為顯著影響;若F

2.2 管道內溫度數值模擬

蓄熱式儲能電爐管道內流體與PCM層接觸時間長短會影響電爐蓄熱溫度。如圖5所示為電爐與PCM層接觸溫度分布圖。

圖5 電爐蓄熱管道內溫度分布

如圖5所示,電爐分為上部、中部、下部,其溫度總體變化趨勢是蓄熱-平穩-蓄熱。在蓄熱初期即0～5 h 管內流體與PCM接觸最早且當時溫差大,管道下部升溫比中部、上部速度快;在蓄熱中期即5～15 h,PCM形態由固體變為液體,使管內流體上浮,溫度平穩;在蓄熱后期15～24 h隨著溫度升高,管道下部升溫速度會低于管道中部與上部。

假設蓄熱式儲能電爐內安裝2個蓄熱裝置,在2個蓄熱裝置上各選3個測試點,1、3、5測點在漸變螺距蓄熱裝置上,2、4、6測點在恒定螺距蓄熱裝置上,再分別求出平均溫度。如表4所示為6個螺距蓄熱裝置測點的3種流速參數,圖6為2個蓄熱裝置在管道入口溫度為75 ℃時三種流速的平均溫度曲線。

表4 蓄熱裝置3種流速參數 m/s

圖6 蓄熱管平均溫度

如圖6所示,根據模擬結果可知,同等螺距蓄熱裝置下流速越大,蓄熱時間越短;相同流速下,漸變螺距蓄熱裝置相較于恒定螺距蓄熱裝置的蓄熱時間更短。原因在于,當管道內流速增大時,管道壁換熱也會增加,流速的加大使管道升溫速度也會加快,縮短蓄熱時間。

2.3 相變蓄熱材料密度對融化時間、平均流速的影響

分析相變材料熱物理性質對相變過程的影響。當儲能電爐蓄熱時,相變材料存在明顯溫度差,加熱一定時間后,相變材料每層溫度逐步達到熔點并完成相變。當相變材料完全熔化后,各層溫度相同。

相變蓄熱材料的熱物理性質對相變熔化過程有一定的影響。假設三種相變蓄熱材料分別為矩形、T形、樹枝形相變蓄熱材料,其密度參數如表5所示,分析密度對相變過程影響如圖7所示。

表5 相變蓄熱材料密度參數 g/m3

圖7 密度對熔化時間影響

如圖7所示,結合表5密度參數可知,當密度增加,三種相變蓄熱材料熔化時間也會增加,液體體積分數達到1時,三種相變蓄熱材料熔化完成,趨于平穩變化狀態。

分析密度對平均流速影響,如圖8所示。分析圖8數值模擬結果可知,當密度較小時,相變蓄熱材料的平均流速大,自然對流作用較強,所以熔化時間較短。當密度逐漸增加時,相變材料的平均流速逐漸減小,自然對流作用逐漸減弱,相變材料完全熔化時間較長。

圖8 密度對平均流速的影響

3 結 論

本文設計基于TRNSYS平臺的PCM層儲能電爐蓄熱過程的數值模擬研究方法,利用蓄熱式儲能電爐工作流程建立氣體吸熱、放熱數學模型,結合RNSYS軟件分析PCM層儲能電爐蓄熱,將建模、整理數據、求解、分析處理于一體進行簡單操作,得出時間區域內蓄熱體與氣體溫度分布數值以及對電爐蓄熱的影響。實驗有效地驗證了本文數值模擬研究具備提升蓄熱實用性,加入相變蓄熱材料會增加蓄熱效果,并進一步推進了今后儲能電爐蓄熱的發展。