新型固體蓄熱電加熱鍋爐的方案研究

趙 雪，羅 勇，韓博遠(yuǎn)

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，隨之而來(lái)的是日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染，大量化石燃料的使用是環(huán)境污染的主要因素，因此備受關(guān)注。針對(duì)于減少化石燃料引起的環(huán)境污染，提高空氣的質(zhì)量，中國(guó)開(kāi)始在北方城市推廣“煤改電”工程。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國(guó)用電存在峰谷電負(fù)荷差值越來(lái)越大的現(xiàn)象，對(duì)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行非常不利。作為“煤改電”的推廣設(shè)備，固體蓄熱電加熱鍋爐充分利用谷值電，穩(wěn)定電網(wǎng)的運(yùn)行負(fù)荷并且減少化石燃料燃燒，對(duì)環(huán)境起到了保護(hù)作用[1]。但在運(yùn)行中電加熱絲時(shí)常燒毀的問(wèn)題在一定程度上制約了固體蓄熱電加熱鍋爐的推廣使用，實(shí)驗(yàn)和理論分析得出蓄熱體組內(nèi)部存在的溫差是導(dǎo)致電加熱絲燒毀的重要原因，因此，保證蓄熱體組內(nèi)部溫度分布相對(duì)均勻有利于防止電加熱絲的燒毀，對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。在此分析的基礎(chǔ)上，提出了采用空氣正反向交替流動(dòng)的技術(shù)方案，并進(jìn)行了詳細(xì)的模擬計(jì)算和分析。

1 固體蓄熱電加熱鍋爐結(jié)構(gòu)介紹及運(yùn)行原理

固體蓄熱電加熱鍋爐分為上下2層，每一層均設(shè)有前、后均風(fēng)室，上下層均風(fēng)室之間及前均風(fēng)室與送風(fēng)通道之間設(shè)置擋風(fēng)板將其隔開(kāi)。風(fēng)機(jī)送入的冷空氣經(jīng)上下通道到達(dá)后風(fēng)室后，再進(jìn)入換熱通道中換熱，再經(jīng)前風(fēng)室匯合后進(jìn)入換熱器進(jìn)行換熱，換熱完成后進(jìn)入循環(huán)風(fēng)機(jī)。

針對(duì)冬季供暖用蓄熱鍋爐而言，晚間低谷電期間固體蓄熱電加熱鍋爐進(jìn)行邊蓄熱邊放熱過(guò)程，電加熱絲通電升溫進(jìn)行放熱，一部分熱被空氣帶走通過(guò)汽水換熱器轉(zhuǎn)化給循環(huán)水系統(tǒng)，另一部分熱對(duì)蓄熱體進(jìn)行加熱并加以儲(chǔ)存。白天峰值電期間，固體蓄熱電加熱鍋爐進(jìn)行純放熱過(guò)程，空氣經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)的作用送入鍋爐換熱通道，將蓄熱體所儲(chǔ)存的熱量帶走，通過(guò)汽水換熱器轉(zhuǎn)化給循環(huán)水系統(tǒng)。固體蓄熱電加熱鍋爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 原有固體蓄熱電加熱鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖

2 鍋爐簡(jiǎn)化及模型建立

對(duì)原固體蓄熱電加熱鍋爐進(jìn)行以下簡(jiǎn)化處理[2]：

(1)將電加熱絲的輸入功率等價(jià)為換熱通道表面熱流密度。

(2)模擬過(guò)程選擇典型的供暖運(yùn)行工況(夜間低谷電時(shí)段進(jìn)行8 h的邊蓄熱邊放熱過(guò)程，日間非低谷電時(shí)段進(jìn)行16 h的純放熱過(guò)程)。

(3)鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，蓄熱體溫度以及建筑的熱負(fù)荷始終在變化，因此循環(huán)風(fēng)機(jī)配備變頻電機(jī)來(lái)滿足鍋爐的輸出功率要求，輸出功率恒定為輸入功率的1/3(蓄熱時(shí)間為8 h，放熱時(shí)間為24 h)。

(4)選取代表性的蓄熱單元進(jìn)行研究。對(duì)鍋爐運(yùn)行過(guò)程中蓄熱體內(nèi)部不同部位進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，蓄熱體水平方向(X方向)溫差較小，垂直方向(Z方向)和沿?fù)Q熱通道方向(Y方向)溫差較大，故選擇上層的中間蓄熱體組，且水平方向上居中的一組蓄熱單元作為數(shù)值模擬的三維計(jì)算模型。

(5)將熱風(fēng)循環(huán)的實(shí)際運(yùn)行方式轉(zhuǎn)化為開(kāi)式的計(jì)算模型，計(jì)算過(guò)程中空氣進(jìn)口溫度恒定為100 ℃。

綜上所述，建立固體蓄熱電加熱鍋爐簡(jiǎn)化模型，如圖2所示。

圖2 原有固體蓄熱電加熱鍋爐模型結(jié)構(gòu)示意圖

流體流動(dòng)模型選擇紊流模型中的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，其運(yùn)輸方程[3]

(1)

(2)

式中,Gk為由平均速度梯度引起湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為由浮力引起湍動(dòng)能k產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓縮湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張項(xiàng)；αε為與耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；αk為與湍動(dòng)能k對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；C1ε、C2ε、C3ε分別為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Sk和Sε為自定義原項(xiàng)。計(jì)算模型邊界條件如表1所示。

表1 計(jì)算模型邊界條件

3 運(yùn)行過(guò)程模擬結(jié)果與分析

分別對(duì)原空氣流動(dòng)方式和空氣正反向交替流動(dòng)方式進(jìn)行全周期的數(shù)值模擬，并對(duì)模擬結(jié)果從蓄熱體溫度和換熱通道內(nèi)壁溫度2方面來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 邊蓄熱邊放熱過(guò)程

X=0.115 m為蓄熱單元的對(duì)稱面，邊蓄熱邊放熱過(guò)程結(jié)束時(shí)(即8 h時(shí)刻)，原空氣流動(dòng)方式和空氣正反向交替流動(dòng)方式下蓄熱體對(duì)稱面的溫度云圖如圖3所示。

圖3 2種空氣流動(dòng)方式下邊蓄邊放過(guò)程蓄熱體X=0.115 m平面溫度云圖

在輸入功率、蓄熱體結(jié)構(gòu)、輸出功率不變的條件下，由圖3可以發(fā)現(xiàn)，原空氣流動(dòng)方式下蓄熱體最高溫度為854.64 ℃，最低溫度為357.26 ℃，空氣正反向交替流動(dòng)方式下蓄熱體最高溫度為767.68 ℃，最低溫度為471.69 ℃。顯然空氣流向改進(jìn)后蓄熱體最高溫度與最低溫度之間的溫差明顯減小，原空氣流動(dòng)方式下溫差為497.38 ℃，空氣正反向交替流動(dòng)方式下溫差為295.99 ℃。沿?fù)Q熱通道方向(Y軸)，中間部位溫度與兩端部位溫差明顯小于原有蓄熱鍋爐進(jìn)出口部位的溫差，即蓄熱體組沿?fù)Q熱通道方向的溫度一致性有了顯著提高。

選取垂直于換熱通道方向(Z軸)距后風(fēng)室300 mm的蓄熱體(以下稱進(jìn)口區(qū)域)、垂直于換熱通道方向(Z軸)距前風(fēng)室300 mm的蓄熱體(以下稱出口區(qū)域)和垂直于換熱通道方向(Z軸)，且沿?fù)Q熱通道方向(Y軸)正中間部位的蓄熱體(以下稱中間區(qū)域)共3個(gè)蓄熱體區(qū)域的平均溫度，進(jìn)行溫度分布分析。在邊蓄熱邊放熱過(guò)程，2種空氣流動(dòng)方式不同時(shí)刻不同區(qū)域蓄熱體平均溫度如圖4所示。

圖4 邊蓄邊放過(guò)程不同時(shí)刻不同區(qū)域2種空氣流動(dòng)方式下蓄熱體平均溫度的對(duì)比

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，原空氣流動(dòng)方式下，隨著鍋爐運(yùn)行時(shí)間的推進(jìn)，出口區(qū)域平均溫度最高，進(jìn)口區(qū)域平均溫度最低，且溫差越來(lái)越大，在8 h時(shí)刻溫差達(dá)到了255.67 ℃；空氣正反向交替流動(dòng)方式下，中間區(qū)域平均溫度最高，兩端區(qū)域平均溫度相差不大，在8 h時(shí)刻溫差降低為70.19 ℃。因此空氣流動(dòng)方式的改變較大地提高了蓄熱體組溫度沿?fù)Q熱通道方向分布的均勻性。

選取5號(hào)換熱通道作為代表性通道(自下而上進(jìn)行通道編號(hào)，換熱通道內(nèi)壁最高點(diǎn)溫度位于5號(hào)通道)，來(lái)研究分析2種空氣流動(dòng)方式下?lián)Q熱通道內(nèi)壁的平均溫度分布。將5號(hào)換熱通道沿Y軸正方向平均分成5段，靠近后風(fēng)室的區(qū)域記為第1段，依次為第2段至第5段，第5段靠近前風(fēng)室。取每一段內(nèi)壁的平均溫度進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。

圖5 邊蓄邊放過(guò)程不同時(shí)刻不同區(qū)域2種空氣流動(dòng)方式下?lián)Q熱通道內(nèi)壁平均溫度的對(duì)比

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著鍋爐運(yùn)行時(shí)間的推進(jìn)，在2種空氣流動(dòng)方式下，換熱通道內(nèi)壁溫度整體逐漸升高。原空氣流動(dòng)方式下，沿Y軸方向換熱通道內(nèi)壁平均溫度越來(lái)越高，內(nèi)壁第5段平均溫度最高為836.73 ℃，與內(nèi)壁第1段平均溫度的溫差在8 h時(shí)刻達(dá)到了249.1 ℃；空氣正反向交替流動(dòng)方式下，沿Y軸方向換熱通道內(nèi)壁平均溫度趨于一致，在8 h時(shí)刻內(nèi)壁第2段平均溫度最高為759.37 ℃，內(nèi)壁第5段平均溫度最低，溫差為74.01 ℃，有明顯減小，并且內(nèi)壁平均溫度最高值比原空氣流動(dòng)方式下減小77.36 ℃，因此空氣流動(dòng)方式的改變較大地提高了換熱通道內(nèi)壁溫度分布的均勻性，且降低了內(nèi)壁的最高溫度，利于電加熱絲的散熱，對(duì)電加熱絲起到了很好的保護(hù)作用。

3.2 純放熱過(guò)程

純放熱過(guò)程結(jié)束時(shí)(即24 h時(shí)刻)，原空氣流動(dòng)方式和空氣正反向交替流動(dòng)方式下蓄熱體對(duì)稱面的溫度云圖如圖6所示。

圖6 2種空氣流動(dòng)方式下純放熱過(guò)程蓄熱體X=0.115 m平面溫度云圖

在輸入功率、蓄熱體結(jié)構(gòu)以及輸出功率不變的條件下，由圖6可以發(fā)現(xiàn)，空氣流向改進(jìn)后蓄熱體最高溫度與最低溫度之間的溫差明顯減小，原空氣流動(dòng)方式下溫差為279.07 ℃，空氣正反向交替流動(dòng)方式下溫差為169.06 ℃?？諝庹聪蚪惶媪鲃?dòng)方式下，溫度最高部位的溫度比原流動(dòng)方式下溫度最高部位低82.1 ℃，顯然，蓄熱體組在沿?fù)Q熱通道方向(Y軸)上溫度分布的均勻性得到了顯著提高。

選取與邊蓄熱邊放熱過(guò)程溫度分析時(shí)相同的3個(gè)蓄熱體區(qū)域，進(jìn)行溫度分布分析。在純放熱過(guò)程，空氣正反向交替流動(dòng)方式與原空氣流動(dòng)方式下，不同時(shí)刻不同區(qū)域蓄熱體平均溫度如圖7所示。

圖7 純放熱過(guò)程不同時(shí)刻不同區(qū)域2種空氣流動(dòng)方式下蓄熱體平均溫度的對(duì)比

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，隨著純放熱過(guò)程的推進(jìn)，2種空氣流動(dòng)方式下蓄熱體溫度都逐漸降低。原空氣流動(dòng)方式下，仍然是出口區(qū)域平均溫度最高，進(jìn)口部位平均溫度最低，與邊蓄熱邊放熱過(guò)程結(jié)束時(shí)比較溫差有所下降，在24 h時(shí)刻溫差為173.56 ℃；空氣正反向交替流動(dòng)方式下，同樣是中間區(qū)域平均溫度最高，兩端區(qū)域平均溫度相近，在24 h時(shí)刻溫差達(dá)到了40.14 ℃。顯然空氣流動(dòng)方式的改變較大地提高了蓄熱體組溫度沿?fù)Q熱通道方向分布的均勻性。

同樣選取5號(hào)換熱通道作為代表性通道，內(nèi)壁平均溫度對(duì)比如圖8所示。

圖8 純放熱過(guò)程不同時(shí)刻不同區(qū)域2種空氣流動(dòng)方式下?lián)Q熱通道內(nèi)壁平均溫度的對(duì)比

由圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著純放熱過(guò)程的推進(jìn)，在2種空氣流動(dòng)方式下，換熱通道內(nèi)壁溫度整體都逐漸降低。原空氣流動(dòng)方式下，沿Y軸方向換熱通道內(nèi)壁平均溫度還是越來(lái)越高，24 h時(shí)刻內(nèi)壁第5段平均溫度最高為246.93 ℃，與內(nèi)壁第1段平均溫度的溫差為124.26 ℃；空氣正反向交替流動(dòng)方式下，沿Y軸方向換熱通道內(nèi)壁平均溫度趨于一致，在24 h時(shí)刻內(nèi)壁第2段溫度最高為198.08 ℃，內(nèi)壁第5段溫度最低，溫差為32.28 ℃，比原空氣流動(dòng)方式下降低91.98 ℃。

對(duì)2種空氣流動(dòng)方式的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行蓄熱完善度[4]分析，如表2所示，蓄熱完善度提高了10.55%。

表2 蓄熱完善度分析 %

4 新型固體蓄熱電加熱鍋爐的設(shè)計(jì)方案

基于研究空氣正反向交替流動(dòng)對(duì)蓄熱體組溫度分布的影響，對(duì)原有固體蓄熱電加熱鍋爐進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，新方案結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

圖9 新型固體蓄熱電加熱鍋爐方案的結(jié)構(gòu)示意圖

鍋爐采用3個(gè)蓄熱體組，每一組蓄熱體分為上下2層，每層垂直方向(Z軸)布置8條換熱通道，水平方向(X軸)布置6條換熱通道，共計(jì)6×16條換熱通道。鍋爐共有4個(gè)熱交換模塊，一臺(tái)汽水換熱器和一臺(tái)風(fēng)機(jī)為一組，呈上下分布。風(fēng)管上布置電動(dòng)風(fēng)閥用來(lái)改變空氣的流向，實(shí)現(xiàn)空氣正反向交替流動(dòng)。

新型固體蓄熱電加熱鍋爐的方案原理圖如圖10所示。

圖10 新型固體蓄熱電加熱鍋爐方案的原理圖

新方案主要是采用電動(dòng)風(fēng)閥進(jìn)行空氣流向的改變，1～4號(hào)電動(dòng)風(fēng)閥布置在主管道上，起切斷作用。當(dāng)鍋爐開(kāi)始運(yùn)行，空氣進(jìn)行正向循環(huán)時(shí)，打開(kāi)電動(dòng)風(fēng)閥1和4，關(guān)閉電動(dòng)風(fēng)閥2和3；當(dāng)空氣進(jìn)行逆向循環(huán)時(shí)，打開(kāi)電動(dòng)風(fēng)閥2和3，關(guān)閉電動(dòng)風(fēng)閥1和4。在鍋爐上下層的風(fēng)管之間均布置電動(dòng)風(fēng)閥，起調(diào)節(jié)作用，用來(lái)調(diào)節(jié)送入上下層鍋爐的空氣流量均勻相等。

5 結(jié)論

針對(duì)固體蓄熱電加熱鍋爐運(yùn)行中電加熱絲時(shí)常燒毀的問(wèn)題，分析原因?yàn)樾顭狍w組內(nèi)部存在溫差，因此提出采用空氣正反向交替流動(dòng)的方式來(lái)提高蓄熱體組溫度分布的均勻性。采用原空氣流動(dòng)方式和空氣正反向交替流動(dòng)方式分別進(jìn)行邊蓄熱邊放熱過(guò)程和純放熱過(guò)程的數(shù)值模擬，分析對(duì)比模擬結(jié)果，表明采用空氣正反向交替流動(dòng)方式，有效地提高了蓄熱體組沿?fù)Q熱通道方向(Y軸)溫度分布的均勻程度，并且蓄熱完善度提高了10.55%?；诖丝諝饬鲃?dòng)方式，提出了新型固體蓄熱電加熱鍋爐的設(shè)計(jì)方案。