固态电制热储热传热匹配特性及热控制方法
发布时间：2021-07-07 08:40
固态电制热储热系统是一种新兴电力系统大容量调峰技术,研究电热元件与储热体间的传热匹配特性和热控制方法,对提升电储热系统的可靠性和强化传热具有重要意义。该文通过建立传热速率平衡方程,利用数值模拟的方法对电储热系统各设计参数与传热匹配的交互特性进行分析,并利用级贡献率、毕渥数和傅里叶数等传热匹配性能评价指标对传热匹配效果进行量化比较。结果表明,储热单元温度与加热功率线性正相关,与孔占比和循环风速指数型负相关,降低加热功率、提高孔占比和循环风速能改善储热体均热性,提高孔占比能,增加储热深度。经实验证明,通过多参数协同优化设计和前馈补偿控制,可以实现较好的传热匹配效果,为固态电制热储热系统的优化和热控制提供了方法。
【文章来源】：电工技术学报. 2020,35(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
固态电制热储热系统结构示意图Fig.1Structureofsolid-stateelectricheatingthermalstoragesystem，.热损
2442电工技术学报2020年6月时长。当Bi≤0.1时，可以忽略储热体内阻，认为储热体内各点温度接近均匀。当Fo≥0.24时，储热体温度场分布仅受边界条件和物性的影响，与时间无关。2数值模拟模型2.1问题描述本文通过Fluent软件对固态电制热储热系统进行仿真。由于储热体内电热元件均匀分布，各电热元件周围传热特性相同，本文将电热元件及周围的空气和储热体视作储热单元。由于电热元件螺距远小于风道长度，为简化网格，本文将螺旋状电热元件假设为圆管。图3为储热单元结构及网格划分，表1、表2为储热单元的关键参数。由于本文主要目的为探索固态电制热储热传热匹配设计方法，为简化分析，对高温固态系统储热单元进行如下假设：①风道内气体流动为非稳态、不可压缩流动；②气体黏性扩散忽略不计；③材料热物性参数恒定，不随温度发生变化。图3储热单元结构及网格划分Fig.3Thermalstorageunitstructureandmeshgeneration表1储热单元关键几何参数Tab.1Thermalstorageunitgeometricalparameter孔占比(%)单元截面尺寸/(mm×mm)风道截面尺寸/(mm×mm)元件外径/mm元件内径/mm长度/mm11240×16080×5415250×160110×5418260×160140×543027100021270×160170×5424280×160200×54表2储热单元关键热物性参数Tab.2Thermalstorageunitthermophysicalparameter参数储热体电热元件密度/(kg/m3)29007100比热容/[J/(kg·K)]960460导热系数/[W/(m·K)]313发射率0.80.7耐受温度/K—1373储热温度范围/K[1023,1123]—2.2数学模型根据质量守恒、动量守恒、能量守恒定理，风道内流动与传热过程三维
量；xj在j方向的位移分量；ijp为表面静压；ig为流体在i方向的体积作用力；if为作用在流体上的反方向阻力；Si为源项；H为显焓。2.3初始及边界条件初始条件：储热单元和空气起始温度为573K。边界条件：入口边界采用速度入口边界条件，出口采用自由出流边界条件，储热单元四周壁面采用第二类传热边界条件。3模拟结果与讨论3.1加热功率的影响在储热单元孔占比为11%，循环风速为0m/s的条件下，电热元件与储热体温度在不同加热功率下的升温曲线如图4和图5所示。可以看出，随着加热功率增加，电热元件温度和储热体温度值基本呈线性变化趋势增长，其线性函数斜率分别为248.6K/kW和260.2K/kW，储热体温度变化量更大。图4不同加热功率下电热元件温度曲线Fig.4Electricheatingwiretemperaturecurveatdifferentelectricheatingpowers
【参考文献】：
期刊论文
[1]四种热电厂电热解耦改造方案的运行灵活性剖析[J]. 章艳,吕泉,李杨,张娜,王海霞,孙辉. 电力系统自动化. 2020(02)
[2]基于风电消纳能力态势划分的源荷储系统分阶段优化策略[J]. 葛维春,张艳军,高超,高凯,刘鑫蕊,马国超. 电力系统自动化. 2019(15)
[3]冷热电联供系统多元储能及孤岛运行优化调度方法[J]. 陈柏翰,冯伟,孙凯,张承慧,孙波. 电工技术学报. 2019(15)
[4]基于绕组温度约束的永磁同步电机裂比优化方法（英文）[J]. 张新彤,张成明,李立毅,曹继伟,王凯思源. 电工技术学报. 2019(09)
[5]计及条件风险价值的含储热光热电站与风电电力系统经济调度[J]. 车泉辉,娄素华,吴耀武,罗谦,刘宝林. 电工技术学报. 2019(10)
[6]蓄热单元尺寸对融化传热增强作用的数值研究[J]. 胡志培,孙志高,李安桂. 工程热物理学报. 2018(07)
[7]储热消纳弃风的市场竞价策略算法[J]. 程中林,杨莉,江全元,葛延峰. 电力系统保护与控制. 2018(10)
[8]综合冷却效率多参数影响分析[J]. 李明飞,李雪英,任静,蒋洪德. 工程热物理学报. 2017(12)
[9]不同数值方法在自扇冷永磁同步电机三维热分析中的应用[J]. 佟文明,孙静阳,舒圣浪,朱高嘉. 电工技术学报. 2017(S1)
[10]高温填充床蓄热过程中流固传热温差分析[J]. 杨小平,杨晓西,左远志,徐勇军,杨敏林,陈佰满. 工程热物理学报. 2015(04)
本文编号：3269316
【文章来源】：电工技术学报. 2020,35(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
固态电制热储热系统结构示意图Fig.1Structureofsolid-stateelectricheatingthermalstoragesystem，.热损
2442电工技术学报2020年6月时长。当Bi≤0.1时，可以忽略储热体内阻，认为储热体内各点温度接近均匀。当Fo≥0.24时，储热体温度场分布仅受边界条件和物性的影响，与时间无关。2数值模拟模型2.1问题描述本文通过Fluent软件对固态电制热储热系统进行仿真。由于储热体内电热元件均匀分布，各电热元件周围传热特性相同，本文将电热元件及周围的空气和储热体视作储热单元。由于电热元件螺距远小于风道长度，为简化网格，本文将螺旋状电热元件假设为圆管。图3为储热单元结构及网格划分，表1、表2为储热单元的关键参数。由于本文主要目的为探索固态电制热储热传热匹配设计方法，为简化分析，对高温固态系统储热单元进行如下假设：①风道内气体流动为非稳态、不可压缩流动；②气体黏性扩散忽略不计；③材料热物性参数恒定，不随温度发生变化。图3储热单元结构及网格划分Fig.3Thermalstorageunitstructureandmeshgeneration表1储热单元关键几何参数Tab.1Thermalstorageunitgeometricalparameter孔占比(%)单元截面尺寸/(mm×mm)风道截面尺寸/(mm×mm)元件外径/mm元件内径/mm长度/mm11240×16080×5415250×160110×5418260×160140×543027100021270×160170×5424280×160200×54表2储热单元关键热物性参数Tab.2Thermalstorageunitthermophysicalparameter参数储热体电热元件密度/(kg/m3)29007100比热容/[J/(kg·K)]960460导热系数/[W/(m·K)]313发射率0.80.7耐受温度/K—1373储热温度范围/K[1023,1123]—2.2数学模型根据质量守恒、动量守恒、能量守恒定理，风道内流动与传热过程三维
量；xj在j方向的位移分量；ijp为表面静压；ig为流体在i方向的体积作用力；if为作用在流体上的反方向阻力；Si为源项；H为显焓。2.3初始及边界条件初始条件：储热单元和空气起始温度为573K。边界条件：入口边界采用速度入口边界条件，出口采用自由出流边界条件，储热单元四周壁面采用第二类传热边界条件。3模拟结果与讨论3.1加热功率的影响在储热单元孔占比为11%，循环风速为0m/s的条件下，电热元件与储热体温度在不同加热功率下的升温曲线如图4和图5所示。可以看出，随着加热功率增加，电热元件温度和储热体温度值基本呈线性变化趋势增长，其线性函数斜率分别为248.6K/kW和260.2K/kW，储热体温度变化量更大。图4不同加热功率下电热元件温度曲线Fig.4Electricheatingwiretemperaturecurveatdifferentelectricheatingpowers
【参考文献】：
期刊论文
[1]四种热电厂电热解耦改造方案的运行灵活性剖析[J]. 章艳,吕泉,李杨,张娜,王海霞,孙辉. 电力系统自动化. 2020(02)
[2]基于风电消纳能力态势划分的源荷储系统分阶段优化策略[J]. 葛维春,张艳军,高超,高凯,刘鑫蕊,马国超. 电力系统自动化. 2019(15)
[3]冷热电联供系统多元储能及孤岛运行优化调度方法[J]. 陈柏翰,冯伟,孙凯,张承慧,孙波. 电工技术学报. 2019(15)
[4]基于绕组温度约束的永磁同步电机裂比优化方法（英文）[J]. 张新彤,张成明,李立毅,曹继伟,王凯思源. 电工技术学报. 2019(09)
[5]计及条件风险价值的含储热光热电站与风电电力系统经济调度[J]. 车泉辉,娄素华,吴耀武,罗谦,刘宝林. 电工技术学报. 2019(10)
[6]蓄热单元尺寸对融化传热增强作用的数值研究[J]. 胡志培,孙志高,李安桂. 工程热物理学报. 2018(07)
[7]储热消纳弃风的市场竞价策略算法[J]. 程中林,杨莉,江全元,葛延峰. 电力系统保护与控制. 2018(10)
[8]综合冷却效率多参数影响分析[J]. 李明飞,李雪英,任静,蒋洪德. 工程热物理学报. 2017(12)
[9]不同数值方法在自扇冷永磁同步电机三维热分析中的应用[J]. 佟文明,孙静阳,舒圣浪,朱高嘉. 电工技术学报. 2017(S1)
[10]高温填充床蓄热过程中流固传热温差分析[J]. 杨小平,杨晓西,左远志,徐勇军,杨敏林,陈佰满. 工程热物理学报. 2015(04)
本文编号：3269316
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