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辽宁石油化工大学本科生毕业设计（论文）用纸

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电加热与固体蓄热系统的热计算与实验研究

HaichuanZhao1,NingYan1,*,ZuoxiaXing1,LeiChen1andLibingJiang2

摘要

固体电热蓄热系统（EHSTSSs）广泛应用于清洁区供热，可灵活调节热电联产（CHP）单元，它们是利用可再生能源的一种有效方式。本文针对EHSTSS的热设计计算和实验验证，研究了一种EHSTSS的热计算和传热特性。首先，提出了一种EHSTSS的热计算方法，研究了EHSTSS中加热系统、蓄热系统、换热系统、扇式循环系统等关键参数的计算流程和计算方法。然后，分析了EHSTSS中的蓄热系统（TSS）的瞬时传热特性，并利用FLUENT15软件对ESS的传热过程进行了模拟。TSS蓄热释放过程中温度的均匀分布验证了EHSTSS良好的传热特性。最后，建立了一个EHSTSS测试验证平台，并对该EHSTSS的历史运行数据进行了分析。在加热和放热过程中，每个测温点的最高温度标准差分别为28.3℃和59℃，验证了EHSTSS热计算的正确性。

关键词：固体合理蓄热；热计算；流体-固体耦合；传热特性；实验研究

1介绍

近年来，我国对可再生能源的利用发展迅速。然而，可再生发电的废弃现象是严重的，特别是在冬季供暖期[1]。在中国的北部地区，热电联产装置在冬季被用于集中供暖。根据“热量决定功率”的原则，热电联产机组的输出功率受到热负荷的很大限制[2]。这已成为冬季可再生能源消费的主要原因之一。解耦的热电联产单元可以实现通过添加大量的电加热和蓄热单元热电联产单元，这可以积极提高热电联产单元的调整能力和可再生电网的消费能力[3,4]。此外，传统的城市和工厂热能供热的燃煤锅炉供热系统也可以被固体电热蓄热系统（EHSTSS）所取代，已成为控制空气污染的有效途径之一。在冷却、加热、动力相结合的多能系统中，储能系统也可以作为储能系统和热能供应系统[5]。它可以提高多能系统中热能供应的多样性。在各种蓄热系统中，感热因其技术应用简单、成本低而相对受欢迎[6]。对感热蓄热加热系统的研究主要包括EHSTSS锅炉和电极锅炉。与电极锅炉相比，EHSTSS在蓄热密度、安全性、覆盖面积和电热响应速度等方面具有一定的优势，这已成为近年来的一个研究热点。EHSTSS的热计算和传热特性分析是连接设备设计和制造的关键环节。与传统燃煤锅炉的热计算类似，EHSTSS的热计算主要是在额定参数已知的情况下计算设备的关键参数[7]。

热能储存（TES）是自20世纪70年代初以来正在研究的一项技术[8]。目前，对EHSTSS的研究主要集中在蓄热介质、系统的传热特性和系统的结构优化等方面。然而，Zhu等人[9]对EHSTSS的热计算的关注较少，Gasia等人[10]分析了考虑和不考虑辐射传热的热能储存温度变化，提出了一种传热增强技术。从上述文献中的传热过程和传热特性的增强出发，分析了换热器的热力学性能。但只分析了单一部件的热力学性能，并没有研究换热器热参数的计算方法和工艺。Mousavi等人[11]研究了内部蓄热系统中相变材料的熔化过程，分析了传热流体的入口温度、流速等不同运行参数的影响，但没有对蓄热模块进行设计计算和传热性能分析。Fadl等人[12]提出了一种潜热热能储存系统。通过实验研究，评价了该系统对转移流体入口温度和体积流量的影响。但缺乏换热器参数热设计计算过程，整个系统的优化参数曲线不是很明显。在蓄热系统（TSS）的设计方面，现有的研究主要集中在TSS各部分的热计算上，如单独的换热器、储热模块等。Raczka等人[13]和Fujii等人[14]分别介绍了烟气/废水换热器和间接换热器的设计和计算方法。杜等[15]还报道了一种蓄热装置的设计方法。然而，上述研究缺乏从完整系统和进一步系统验证的角度来看对储热设备的热设计计算。需要以整个系统为研究对象，对EHSTSS进行热设计计算和系统验证。

因此，本文提出了一种系统的EHSTSS热计算方法。根据系统的结构特点，系统的热计算主要计算加热元件、TSS、扇式循环系统和换热系统的参数。同时，分析了TSS中传热的流-固耦合特性。在蓄热和放热条件下，对温度分布进行了数值模拟。为了验证热计算的正确性，推导了EHSTSS的实验相关性。

本文的两个主要贡献总结如下：

1. 提出了一种专门为EHSTSS设计的热计算方法。

2. 从案例设计、仿真分析和实验验证三个方面系统验证了EHSTSS的合理性和正确性。

3. 多角度、系统的验证结果可为储能系统的优化设计提供依据。

本文的其余部分组织如下：第二部分介绍了电加热蓄热系统的热计算方法和工艺，第三部分分析了TSS的传热特性，第四部分实验验证方法以及第五部分论文总结。

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