采用感應(yīng)加熱的固體電熱儲能裝置多物理場

摘要

固體電熱儲能裝置是新能源消納的有效手段，目前固體電熱儲能裝置大多數(shù)都采用電阻式加熱，其加熱時間長、加熱溫度不均勻、加熱電阻絲使用壽命短、易老化等缺點仍無法解決。為了更有效地提高固體電熱儲能裝置儲熱能力，本工作搭建了一套采用感應(yīng)加熱的固體電熱儲能裝置，利用感應(yīng)加熱速度快、無污染的特點，將感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用在固體電熱儲能裝置中，并利用COMSOL進(jìn)行模擬計算，研究了不同電流頻率對電磁場與溫度場的影響以及流體流速對蓄熱體溫度均溫性的影響。結(jié)果表明，固體電熱儲能裝置利用鑄鐵作為儲熱材料并采用感應(yīng)加熱，具有良好的蓄熱特性，同時加熱速度以及蓄熱體溫度相較于電阻式固體電熱儲能裝置具有較大提升，在加熱初始階段，其溫升速率最高可以達(dá)到8.5℃/min，加熱階段結(jié)束時，蓄熱體整體溫度在900℃；當(dāng)風(fēng)速為0.05m/s時，蓄熱體內(nèi)部溫度分布均勻性最佳。在未來電力市場中具備靈活快速的響應(yīng)能力。研究結(jié)果對感應(yīng)加熱技術(shù)研究以及固體電熱儲能裝置開發(fā)具有一定參考價值。關(guān)鍵詞

感應(yīng)加熱；電熱儲能裝置；多物理場耦合；溫度場均溫性隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，大力發(fā)展綠色、低碳的可再生能源技術(shù)成為了廣泛共識，如何充分利用這類清潔能源成為各位學(xué)者關(guān)注的焦點。固體電熱儲能裝置不僅可以消納富余的電能，還可以通過電加熱的方法以熱能形式輸出儲存在儲熱介質(zhì)中用于供熱，利于優(yōu)化電網(wǎng)負(fù)荷曲線，實現(xiàn)削峰填谷，利用低谷電蓄熱供暖技術(shù)對于改善電網(wǎng)峰谷差擴(kuò)大的弊端以及減少環(huán)境污染具有重要意義。同時隨著我國電力市場建設(shè)逐步成形，未來負(fù)荷側(cè)資源需要具備靈活快速的響應(yīng)能力，相比傳統(tǒng)電阻式儲熱裝置，采用電磁感應(yīng)加熱的固體電熱儲能裝置更具優(yōu)勢。國內(nèi)外對電熱儲能裝置進(jìn)行了大量研究，利用流固耦合傳熱模型將難以確定的熱流邊界轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)部邊界，對固體電蓄熱裝置溫度場及應(yīng)力場分布進(jìn)行分析。采用流固耦合的方法對固體蓄熱結(jié)構(gòu)傳熱機理進(jìn)行分析，從通道結(jié)構(gòu)、孔隙率及進(jìn)口空氣流速等方面對蓄熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并采用優(yōu)化后蓄熱結(jié)構(gòu)參數(shù)搭建實驗平臺進(jìn)行蓄熱結(jié)構(gòu)性能測試。利用TRNSYS軟件對房屋建筑的周圍環(huán)境以及氣候進(jìn)行分析、對小型電磁采暖裝置進(jìn)行探究并且進(jìn)行模擬分析，模擬結(jié)果顯示，相比于傳統(tǒng)的電磁采暖系統(tǒng)，能夠節(jié)約25%～30%的能量損耗。以熔鹽電磁感應(yīng)加熱器為研究對象，利用數(shù)值模擬方法研究不同加熱條件下感應(yīng)加熱器壁面以及熔鹽內(nèi)部磁場和溫度場的分布特點，并得到線圈電流、電流頻率、熔鹽流速和加熱器材料對磁場和溫度場的影響規(guī)律。目前，電熱儲能裝置主要采用電阻式加熱，雖然這種方式被廣泛使用，但其加熱時間長、加熱溫度不均勻、加熱電阻絲使用壽命短、易老化等缺點仍無法解決。針對以上問題，本工作根據(jù)已有的固體電熱儲能裝置的基本原理以及實際基礎(chǔ)，將電磁感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用在固體電熱儲能裝置中，并在某企業(yè)搭建一套采用感應(yīng)加熱的新型電熱儲能實驗裝置，同時利用COMSOL模擬其蓄熱過程。實驗結(jié)果表明采用感應(yīng)加熱可以提高加熱速度且均溫性更好，在加熱階段通過改變流場流速可以改善蓄熱體溫度分布，從而提升系統(tǒng)效率，為感應(yīng)加熱電熱儲能裝置的研究與開發(fā)提供一定的理論依據(jù)。1裝置工作原理本工作研究的電熱儲能裝置可用于新能源消納以及居民供暖等領(lǐng)域。裝置主要由蓄熱體、感應(yīng)加熱線圈、感應(yīng)加熱電源、換熱器、循環(huán)風(fēng)機等組成，其換熱方式與電阻式電熱儲能裝置類似：蓄熱時，利用低谷電通過感應(yīng)加熱線圈將電磁能轉(zhuǎn)換為熱能儲存在蓄熱體中；釋放時，低溫氣體通過循環(huán)風(fēng)機在換熱通道與蓄熱體表面發(fā)生接觸，蓄熱體內(nèi)儲存的熱量通過對流換熱的方式將低溫氣體加熱，被加熱的低溫氣體再通過換熱器將熱量轉(zhuǎn)移給熱用戶。與傳統(tǒng)電阻式電熱儲能裝置不同，本工作提出的固體電熱儲能裝置利用鑄鐵為儲熱介質(zhì)，其優(yōu)勢是可一體化成型，能夠有效降低生產(chǎn)成本。裝置工作原理如圖1所示。圖1

感應(yīng)加熱固體蓄熱裝置工作原理法拉第電磁感應(yīng)定律指出：當(dāng)通過閉合回路的磁通量發(fā)生變化時，在導(dǎo)體內(nèi)部就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e，計算公式為：(1)式中，N為線圈匝數(shù)，其大小與穿過回路的磁通量隨時間變化率成正比。當(dāng)線圈通過交流電流時，線圈周圍會產(chǎn)生交變磁場，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流——渦流。渦流大小取決于磁場強度，其在緊靠線圈附近最強，并隨距離的平方而減小。由于趨膚效應(yīng)的影響，電流僅通過導(dǎo)體的表面層，表面層深度與導(dǎo)體性質(zhì)和電流頻率有關(guān)，通常將這一表面層的深度或厚度稱為穿透深度。穿透深度為Δ，由式(2)確定：(2)式中，f為交變電流頻率；μr為相對磁導(dǎo)率；ρ為導(dǎo)體的電阻率。由式(2)可以看出，磁導(dǎo)率越大時，穿透深度越小，這會使得材料表面電阻更大，產(chǎn)生的渦流也更大，鐵磁材料的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于非鐵磁材料，這也是蓄熱體材料選擇時需考慮的因素之一。選擇磁導(dǎo)率相對較大的鐵磁材料可以產(chǎn)生更大的渦流損耗，使加熱效率得到了提升。2數(shù)學(xué)模型與建模2.1幾何模型蓄熱體整體為一個圓柱體，半徑為0.75m，高為1.5m，總體積為2.5m3，材料為鑄鐵材料。在其中心處共開設(shè)7個圓柱形風(fēng)道，其中中心處為主風(fēng)道，在主風(fēng)道四周按圓周排列著一定數(shù)量與主風(fēng)道大小相同輔助風(fēng)道以提高傳熱效果。電熱儲能裝置整體結(jié)構(gòu)與實驗裝置如圖2所示。其中感應(yīng)加熱線圈按一定距離均勻套在蓄熱體上，外殼上下設(shè)置兩個風(fēng)道，與蓄熱體散熱通道對應(yīng)分別用作進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)。圖2

電熱儲能裝置整體結(jié)構(gòu)與實驗裝置2.2電磁場控制方程麥克斯韋方程組是電磁場理論的基礎(chǔ)，可以用其描述普遍存在的電磁場現(xiàn)象，對電磁場問題的研究最終都可以通過對方程組求解進(jìn)行實現(xiàn)。麥克斯韋方程組如下：(3)式中，ρ為體電荷密度；D為電通密度；H為體電荷密度；J為傳導(dǎo)電流密度；E為電場強度；B為磁感應(yīng)強度。場量之間介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系為：(4)式中，ε為空間介電常數(shù)；μ為磁導(dǎo)率；σ為導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率。2.3流固耦合傳熱控制方程整個裝置共存在兩種傳熱模式，即蓄熱體內(nèi)部熱傳導(dǎo)與放熱時蓄熱體與空氣的流固耦合對流傳熱。通過分析可知換熱氣體在通道內(nèi)為湍流流動，故采用經(jīng)典k-ε湍流模型對模型求解，邊界層流動采用壁面函數(shù)法處理，固體域與流體域控制方程如下：（1）流體域控制方程質(zhì)量守恒方程：(5)動量守恒方程：(6)能量守恒方程：(7)式中，ρf為流體密度；v為流體時均速度；v'為脈動速度；h為流體焓；p為流體的靜壓；μf為湍流黏度。（2）固體區(qū)域傳熱控制方程：(8)式中，ρs為固體密度；t為時間；λ為熱導(dǎo)率；c為比熱容；Ts為固體溫度；Φ為固體內(nèi)部體積熱源。（3）固體與流體邊界條件(9)式中，qs、qf分別為流固交界面上固體熱通量與流體熱通量；λs、λf為固體熱導(dǎo)率與流體熱導(dǎo)率；Ts、Tf分別為固體溫度與流體溫度；n為流固交界面法向量。2.4裝置效率計算加熱過程中，蓄熱體被加熱過程中吸收的熱功率Ps為儲存在蓄熱體內(nèi)熱量Qs與加熱時間t之比：(10)式中，cs為鑄鐵比熱容；m為鑄鐵質(zhì)量；?Ts為鑄鐵溫升。電源功率Pw計算公式為：(11)式中，U為三相電源電壓有效值；I為三相電源電流有效值；cosφ為電源功率因數(shù)，取0.85。電熱儲能裝置熱轉(zhuǎn)換效率η為：(12)3仿真與討論本工作僅研究裝置蓄熱過程，為確定模型的蓄熱特性，對模型進(jìn)行合理簡化：（1）由于鑄鐵材料磁導(dǎo)率明顯高于空氣，故本工作不考慮漏磁及漏熱情況；（2）蓄熱體材料為各向同性均勻介質(zhì)；（3）整個裝置在設(shè)計時結(jié)構(gòu)對稱，故模擬裝置的四分之一結(jié)構(gòu)即得到整個蓄熱裝置溫度分布，同時為縮短計算時間同時確保計算精度，網(wǎng)格數(shù)量為30萬。裝置網(wǎng)格如圖3所示。圖3

蓄熱裝置網(wǎng)格線圈參數(shù)與蓄熱體材料主要物理指標(biāo)見表1、表2。表1

線圈參數(shù)表2

鑄鐵材料主要物理指標(biāo)3.1模型初始條件與電磁場及溫度場分析為驗證模型正確性，選取模型初始條件為線圈頻率為10kHz，電流為100A時，3個線圈匝數(shù)均為65，并選取如圖2(b)所示3處安裝溫度傳感器記錄溫度數(shù)據(jù)，并與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。裝置體表面磁感應(yīng)強度與感應(yīng)電流密度分布如圖4所示。同時感應(yīng)加熱過程中蓄熱體受到集膚效應(yīng)和電流透入深度的影響，感應(yīng)電流密度主要集中在集膚深度范圍內(nèi)，且隨蓄熱體表面的距離增加而逐漸減小，因此感應(yīng)電流密度最大值出現(xiàn)在蓄熱體表面。圖4

蓄熱體表面磁感應(yīng)強度與電流密度分布云圖蓄熱體在加熱過程中不同時間段(7200s、14400s、18000s以及21600s)溫度切面云圖(z=0.75m)如圖5所示。可以看出，溫度主要集中在感應(yīng)電流密度最大處附近，可將其視為加熱源。模擬數(shù)據(jù)與某企業(yè)實驗裝置的觀測點溫度變化如圖6所示。隨著蓄熱過程的進(jìn)行，初始時間段觀測點溫度率先升高，在3600s時溫度達(dá)到300℃左右，隨后觀測點溫升速率趨于穩(wěn)定，通過熱傳導(dǎo)溫度向蓄熱體內(nèi)部傳遞，最高溫度為1020℃，3個觀測點溫度相差大約20℃。加熱階段結(jié)束時，蓄熱體整體溫度在900℃左右，具有良好的儲熱性能。圖5

蓄熱裝置加熱過程溫度分布(z=0.75m)圖6

觀測點溫度變化曲線圖7為不同加熱方式下的蓄熱體溫升速率曲線，可以看出在初始加熱階段1h內(nèi)，感應(yīng)加熱的溫升速率明顯高于電阻式加熱，其溫升速率最大值為8.5℃/min，隨后趨于穩(wěn)定；在加熱4h左右后，兩種加熱方式的溫升速率基本相同。因此，在未來電力市場中，感應(yīng)加熱具有快速響應(yīng)電網(wǎng)的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)與電網(wǎng)的實時互動。各觀測點實驗溫度與計算溫度上升速率變化不大，溫度變化趨勢也基本一致。計算數(shù)值與實驗數(shù)值的誤差主要來自于傳感器的誤差。圖7

感應(yīng)加熱與電阻式加熱溫升速率曲線3.2線圈頻率對電磁場分布影響圖8為線圈電流為100A，頻率為5kHz、15kHz時蓄熱體表面磁感應(yīng)強度和感應(yīng)電流密度分布，不同電流頻率下蓄熱體表面磁感應(yīng)強度與感應(yīng)電流密度最大值見表3。對比圖4可知，保持線圈電流不變只改變電流頻率時，僅會影響磁感應(yīng)強度及感應(yīng)電流密度在蓄熱體表面的最大值，并不會影響蓄熱體表面的磁場分布。圖8

5kHz與15kHz磁感應(yīng)強度與感應(yīng)電流密度分布云圖表3

不同電流頻率下蓄熱體表面磁感應(yīng)強度與感應(yīng)電流密度最大值根據(jù)式(2)計算可得透入深度約為5cm，當(dāng)線圈電流為100A，頻率分別為5kHz、10kHz和15kHz時，感應(yīng)電流密度和磁感應(yīng)強度在穿透深度的變化曲線如圖9所示。從圖9可看出，由于集膚效應(yīng)的影響，蓄熱體表面磁感應(yīng)強度與感應(yīng)電流密度均隨電源頻率的增大而減小，同時隨透入深度的增加而逐漸減小，最終都趨向于零。圖9

不同電流頻率下磁感應(yīng)強度與感應(yīng)電流密度隨趨膚深度變化曲線3.3線圈電流頻率對溫度場分布影響當(dāng)線圈電流為100A，電流頻率分別為5kHz、10kHz、15kHz時，觀測點溫度變化如圖10所示。從圖可看出，電源頻率升高，各觀測點最高溫度均有一定提升。根據(jù)圖4、圖8的感應(yīng)電流密度可知，感應(yīng)電流密度越大，蓄熱體局部溫度越高，當(dāng)電流頻率為5kHz時，觀測點溫度分別為990℃、1030℃、1020℃；電流頻率為10kHz時，觀測點溫度分別為1015℃、1066℃、1030℃；電流頻率為15kHz時，觀測點溫度分別為1040℃、1075℃、1065℃，3個觀測點溫度均有一定升高。根據(jù)2.4小節(jié)可計算出蓄熱體吸收熱功率與裝置熱轉(zhuǎn)換效率，經(jīng)計算可得，電源功率為55kW，電流頻率為5kHz、10kHz、15kHz時，蓄熱體吸收熱功率分別為44.3kW、46.7kW、48.6kW，裝置熱轉(zhuǎn)換效率分別為80.5%、84.9%、88.3%，均在80%～90%之間，不同電流頻率下蓄熱體吸收熱功率與裝置熱轉(zhuǎn)換效率如圖11所示。圖10

不同電流頻率下觀測點溫度變化曲線圖11

不同電流頻率下蓄熱體吸收熱功率與裝置熱轉(zhuǎn)換效率3.4流體流速對溫度場分布影響當(dāng)電流為100A，電流頻率為10kHz時，圖12為加熱階段結(jié)束后，蓄熱體切面溫度分布云圖，由圖12(a)可知，入口風(fēng)速為0時，熱量主要集中在蓄熱體表面附近，熱傳遞效果并不明顯，在加熱時間達(dá)到4h后，在蓄熱裝置入口通入一定風(fēng)速，能對傳熱效果有所改善。可以看出在加熱階段施加一定流速可以改善蓄熱體內(nèi)部溫度分布，對傳熱效果有所改善。同時入口風(fēng)速不宜過大，否則蓄熱體可能由于風(fēng)速過高導(dǎo)致蓄熱效果不佳，從而影響放熱效果。圖12

加熱6h時，蓄熱體切面溫度分布(z=0.75m)流體流速分別為0m/s、0.01m/s、0.05m/s、0.10m/s時，蓄熱裝置出口溫度變化曲線如圖13所示。由圖可知，裝置出口溫度隨流體流速增大而增大，加熱6h后蓄熱裝置出口溫度分別660℃、673℃、726℃、792℃。結(jié)合圖12可以看出，當(dāng)流體流速為0.02m/s時，蓄熱體最高溫度升高40℃，整體溫度分布較無風(fēng)速時無明顯變化；當(dāng)流體流速為0.10m/s時，蓄熱體最高溫度為1040℃，最低溫度為603℃，相較于流體流速為0.05m/s時，熱量散失較大；當(dāng)流體流速為0.05m/s時，蓄熱體最高溫度為1040℃，最低溫度為657℃，整體溫度達(dá)到750℃以上，同時具有良好的均溫性。圖13

不同入口風(fēng)速下蓄熱裝置出口溫度變化曲線4結(jié)論本工作以某企業(yè)搭建采用感應(yīng)加熱的電熱儲能實驗裝置為基礎(chǔ)，通過流固耦合的方式搭建其數(shù)學(xué)模型并模擬其工作狀態(tài)，研究不同條件對其儲熱性能的影響，對其蓄熱效果進(jìn)行評估，得