固体蓄热电锅炉研究

固体蓄热电锅炉研究

陈鹏1罗勇2

（1.石家庄铁道大学河北省石家庄050043；2.石家庄铁道大学河北省石家庄050043）

摘要：详细介绍了固体蓄热电锅炉的研究意义，研究了固体蓄热电锅炉的测试手段，理论分析出锅炉各换热风道循环风进口风速与蓄热体温降间的关系，为锅炉冷态流速测试代替热态温度测试提供了理论依据。

关键词：固体蓄热电锅炉；研究意义；测试手段

1前言

随着国家治理雾霾、煤改电供暖政策的推进，煤改电供暖设备的代表产品之一——固体蓄热电锅炉迎来了极大的市场需求。深入了解固体蓄热电锅炉的研究意义，掌握锅炉自身的结构特点，通过理论分析得到锅炉换热风道循环风进口风速与换热风道温降的关系，为锅炉冷态流速测试代替热态温度测试提供理论依据，对固体蓄热电锅炉的发展大有裨益。

2固体蓄热电锅炉研究意义

面对日益严峻的能源与环境形势，国家相继出台政策大力扶持煤改电与煤改气工程。相比煤改气工程，煤改电工程作为解决能源与环境突出问题的核心方案之一，有着以下五方面的明显优势：

1.电具有清洁性。火电已相对清洁；煤改电有利减排大气污染物。

2.电具有可靠性。保投资效益；保运行效率；保能源安全。

3.电具有充足性。经济新常态下电力生产递增，为以电为供暖热源的方式提供了充足的能源；经济新常态下，调结构、压产能，使得民生用电电力充足。

4.电具有便利性。电网遍布；施工简单方便，多为分散式系统或小型系统。

5.电具有经济性。电直热设备与蓄能系统供暖，节省运行费用，有利于电网削峰填谷，发挥投资效益；居住建筑、公共建筑愈加节能；分户计量和温控技术，有利于节能和节费。

另一方面，发电负荷和用电负荷的不平衡是全球性的难题。对此，我国已经制定政策，用经济手段推动电力“削峰填谷”，采用低谷电蓄热技术在发达国家被广泛应用，是解决以上矛盾的重要措施。目前阶段煤改电工程，主要包括水蓄热装置和固体蓄热装置，而水蓄热装置以水为介质，由于受到水的饱和温度的限制，蓄热温度不能过高，从而造成水箱体积较大，占地面积多，增加了投资成本，因此给实际工程带来了诸多不便。然而，固体蓄热装置，能够解决水蓄热装置存在的问题。虽然，一般固体材料的比热只有水的（1/3～1/4），但由于固体蓄热材料的密度为水的2.5倍左右，蓄热温度可达800～1000℃以上，使得固体蓄热材料的蓄热能力比同体积的水的蓄热能力大5倍左右。固体蓄热装置，体积小，投资小，不仅克服了传统锅炉的缺点，而且兼具环保、高效、节能、安全等多项优势[1]。

综上所述，固体蓄热电锅炉的研究对于推进煤改电工程、推动电力“削峰填谷”具有重要意义。

3固体蓄热电锅炉的结构特点

固体蓄热电锅炉的典型结构如图1所示，锅炉利用低谷电加热穿插在换热风道中的电加热丝，加热周期中蓄热体吸收电加热丝释放的热量并暂时贮存起来，放热周期通过二次换热释放出来，供用户使用。电源接通后，穿插在换热风道的电加热丝开始发热，把热量传给蓄热体，当温度达到预定数值后，经温度测量器把信号传给控制装置，使电源断开，蓄热体将得到的热量贮存起来。加热周期结束后，在锅炉放热周期中，需将循环风机的频率逐渐提高，增大各换热风道循环风的进口流速便可以满足换热器对循环风的温度要求。

图1固体蓄热锅炉结构原理

4冷态流速测试代替热态温度测试的可行性分析

电加热丝的结构形式的不同是众多固体蓄热电锅炉的主要区别。传统的固体蓄热锅炉多采用立式电加热丝的结构形式以满足送风均匀和换热均匀，但由此带来了锅炉体积大、检修不便等问题。尤其是当电加热丝故障或定期检修时，需要将电加热丝取出。由于采用立式加热管，锅炉房高度需要至少为锅炉实际高度的二倍，才能顺利取出电加热丝。但实际的锅炉房高度常常难以满足固体蓄热电锅炉的使用要求，由此大大限制了锅炉的实用性和使用的广泛性。将传统的立式电加热丝更改为水平式，虽然解决了占用体积和检修方面的问题，但带来了各换热风道进口风速不均匀的问题，，造成锅炉放热周期出现蓄热体温降不一致的现象，影响锅炉蓄热体数量的确定。在设备设计计算中，若采用各个换热风道中温度较高的作为蓄热体数量确定的依据，计算得到的蓄热体数量将会大于设备正常所需的蓄热体数量，蓄热体不能得到充分利用；若采用各个换热风道中温度较低的作为蓄热体数量确定的依据，计算所得到的蓄热体数量将会小于设备存储相应热量所需的蓄热体数量，对于温度较高的换热风道严重时甚至会损坏加热管。因此，如何实现蓄热体组温降的一致性进而合理确定蓄热体数量，显得尤为重要。

目前，实现蓄热体组温降的一致性的测试手段主要是锅炉热态温度的测试。在进行锅炉热态温度测量时需要将热电偶均匀地布满整个蓄热体组以便测量各个换热风道所对应蓄热体的温降情况，这就需要将蓄热砖、保温材料等做打孔处理，并预埋数量众多的测量点，这使得锅炉热态温度的测量实验难度增大。由于实验中热电偶最终测量位置的不确定，锅炉热态温度的测量实验往往偏差很大，获得的测点温度往往并非实验预期的测点温度，以此为依据进行的锅炉改进结果也往往差强人意[2]。

与锅炉热态温度的测量实验相比，锅炉冷态的流速测量不仅简单易操作而且干扰因素少、准确度高。实际测量中只需将锅炉拆卸，便可以通过实验测量获得锅炉蓄热体组各换热风道对应的冷态流速数值。在锅炉改进过程中如果能用冷态的流速测量替代热态温度的测量，这将对锅炉技术的发展将大有裨益。对固体蓄热电锅炉而言，循环风通过换热风道带走的热量为：

（1）

式中，——循环风通过换热风道带走的热量；

——循环风的比热容；

——循环风的质量流量；

——循环风在换热风道出口处的温度；

——循环风在换热风道进口处的温度；

另外，循环风与蓄热体的对流换热量为：

（2）

其中，——循环风与蓄热体之间的对流换热量；

——对流换热系数；

——对流换热面积；

——蓄热体风道的内表面温度；

由式（1）可得：

（3）

由式（2）可得：

（4）

联立式（3）（4），可得

（5）

而对流换热系数的公式为[3]

（6）

由于蓄热锅炉换热风道具有相同的几何参数和表面特征，各换热风道的进口风速、密度相等，蓄热过程结束时蓄热体通道内表面温度也相等，因此均相等，显然存在如下关系：

（7）

而对于换热风道周围的蓄热体而言

（8）

其中，——蓄热体放热过程释放的热量；

——蓄热体的比热容；

——组成风道的蓄热体的质量；

——组成风道蓄热体放热过程的温降；

由式（7）、式（8）可得

（9）

由式（9）可知，由于换热风道蓄热体温降仅与换热风道的进口风速有关。这为锅炉冷态流速测试代替热态温度测试提供了理论依据。

4结论

1.固体蓄热电锅炉以消耗电能为主对于解决能源与环境问题、推动电力“削峰填谷”、推进煤改电工程具有重要意义。

2.固体蓄热电锅炉各换热风道的蓄热体温降仅与循环风的进口流速有关，可以用冷态流速测试代替热态温度测试。

参考文献：

[1]王邦鲲.我国能源消费产生的环境问题研究[D].吉林大学，2010.

[2]张培亭，黄怡珉.电热固体蓄热装置蓄热过程的实验研究[J].应用能源技术，2004，（06）：31-34.

[3]王厚华.传热学[M]，2015：165.