輻射傳熱對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備導(dǎo)熱性能的研究

劉宏文 連志榮 鄒恩義

（1.遼寧省大連生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧大連 116023；2.大連展鵬節(jié)能科技開(kāi)發(fā)有限公司，遼寧大連 116023；3.大連交通大學(xué)，遼寧大連 116023）

1 引言

目前，我國(guó)供暖面臨兩個(gè)主要問(wèn)題：一是供暖能耗大，我國(guó)城鎮(zhèn)建筑單位面積供暖能耗是同緯度發(fā)達(dá)國(guó)家的2～3 倍［1］；二是冬季燃煤供暖排放的氮氧化物和硫化物造成環(huán)境污染。如果電熱儲(chǔ)能采暖設(shè)備投入使用，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模和超大規(guī)模供熱能力，可以完全替代目前廣泛使用的燃煤、燃?xì)狻⑷加湾仩t，使用過(guò)程中沒(méi)有任何廢氣、廢水、廢渣產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物以及大量的粉塵零排放。

物體以電磁的形式向外發(fā)射能量的過(guò)程稱為熱輻射。輻射傳熱具有反射、折射和吸收的特性，能在均一介質(zhì)中直線傳播。電熱鍋爐就是利用輻射傳熱原理將電能轉(zhuǎn)化為熱能，使水加熱產(chǎn)生熱水或蒸汽（飽和蒸汽）的一種設(shè)備，其能量轉(zhuǎn)換是由裝在鍋殼內(nèi)的大功率電熱元件通電后完成的。蓄熱式電鍋爐就是在電熱鍋爐的基礎(chǔ)上加裝蓄熱水箱，組成一個(gè)熱能交換、儲(chǔ)存系統(tǒng)，通過(guò)強(qiáng)制循環(huán)或自然循環(huán)，使蓄熱水箱中的冷水逐漸變?yōu)闊崴瓿蔁崮軆?chǔ)存。利用夜間廉價(jià)的低谷電力資源，讓電鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行，將熱能儲(chǔ)存在熱水箱，供白天電網(wǎng)高峰負(fù)荷時(shí)使用［2］。

本研究的目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算各額定功率下的傳熱功率，考察傳熱功率對(duì)蓄熱水箱傳熱效率的影響。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

用額定功率為P 的電熱絲加熱一定質(zhì)量的水，用水泵將自來(lái)水泵入已設(shè)計(jì)好的管排中循環(huán)加熱，管排周圍是電熱絲。實(shí)驗(yàn)均在密閉絕熱的裝置內(nèi)進(jìn)行。在理想狀態(tài)下則有：

P=Q/T

Q=Cm（t2-t1）

式中，P 為傳熱功率，kW；Q 為熱量，kJ；T 為加熱時(shí)間，s；C 為水的比熱容，kJ·（kg·℃）-1；m 為循環(huán)水的總質(zhì)量，kg；（t2-t1）為水溫的變化，℃。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及材料

實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。裝置體下部用磚墊高，中間填絕熱保溫層，再用珍珠巖粉填平，以達(dá)到良好的保溫效果，避免與地面接觸換熱，造成熱量損失。實(shí)驗(yàn)材料為石英管45 根，電熱絲1 kW/根×45，水泵1臺(tái)，鐵管若干，導(dǎo)線若干。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

用水泵將水泵入管排中，形成水循環(huán)，分別在額定電功率為9，18，27，36，45 kW 的條件下加熱，使水溫升高，用溫度計(jì)測(cè)量水的溫度變化，在爐膛內(nèi)插入一支熱電偶觀察爐膛的溫度變化，分別在裝置的兩側(cè)放2 個(gè)溫度計(jì)，加熱溫度分別為t1，t2，用以校準(zhǔn)熱電偶的溫度。

3 結(jié)果與討論

3.1 電熱絲額定功率為9 kW 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 額定加熱功率為9 kW 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

加熱時(shí)間與水箱水溫及傳熱溫差關(guān)系見(jiàn)圖2。由圖2 得出，加熱10 min 左右，爐膛內(nèi)的溫度迅速升高，傳熱溫差迅速變大；到20 min 時(shí)傳熱溫差達(dá)到最大，水溫也迅速上升；到50 min 時(shí)，傳熱溫差基本不變，水溫穩(wěn)步提高；到90 min 時(shí)，水溫達(dá)到最高點(diǎn)。計(jì)算出傳熱功率為5.29 kW。

圖2 額定功率為9 kW 加熱時(shí)間與水箱水溫及傳熱溫差曲線

3.2 電熱絲額定功率為18 kW 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 額定加熱功率為18 kW 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

加熱時(shí)間與水箱水溫及傳熱溫差關(guān)系見(jiàn)圖3。由圖3 得出，加熱10 min 左右，傳熱溫差迅速增高，隨后傳熱溫差基本不變；爐膛內(nèi)水溫穩(wěn)步升高，到35 min 達(dá)到最高點(diǎn)。計(jì)算出傳熱功率為11.60 kW。

圖3 額定功率為18 kW 加熱時(shí)間與水箱水溫及傳熱溫差曲線

3.3 電熱絲額定功率為27 kW 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 額定加熱功率為27 kW 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

加熱時(shí)間與水箱水溫及傳熱溫差關(guān)系見(jiàn)圖4。計(jì)算出傳熱功率為18.55 kW。

圖4 額定功率為27 kW 加熱時(shí)間與水箱水溫及傳熱溫差曲線

3.4 電熱絲額定功率為36 kW 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

加熱時(shí)間與水箱水溫及傳熱溫差關(guān)系見(jiàn)圖5。計(jì)算出傳熱功率為23.65 kW。

圖5 額定功率為36 kW 加熱時(shí)間與水箱水溫及傳熱溫差曲線

3.5 電熱絲額定功率為45 kW 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 額定加熱功率為45 kW 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

加熱時(shí)間與水箱水溫及傳熱溫差關(guān)系見(jiàn)圖6。計(jì)算出傳熱功率為28.09 kW。

圖6 額定功率為45 kW 加熱時(shí)間與水箱水溫及傳熱溫差曲線

3.6 各額定功率下的傳熱功率及傳熱效率

各額定功率下的傳熱功率及傳熱效率見(jiàn)表6。

4 結(jié)論

（1）隨著額定功率的不斷增大，傳熱功率不斷提高。

（2）加熱爐的傳熱效率先增加后減小，傳熱效率在額定功率為27 kW 時(shí)達(dá)到峰值。