（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：对固体蓄热电锅炉的结构特点进行了介绍，利用CFD软件建立了三种固体蓄热电锅炉的相关模型，采用反映各换热风道进口风量均匀性的CU值对不同数学模型下各换热风道进口风量的均匀性分别进行评价，证明了锅炉冷态流速测试手段存在偏差。
关键词：固体蓄热电锅炉 数值模拟 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。然而，固体蓄热电锅炉需要将锅炉拆卸才能进行冷态流速的测试，这使得冷态流速的测试结果与锅炉实际运行时的气流组织状态存在偏差。利用CFD软件建立固体蓄热电锅炉的相关模型，对固体蓄热电锅炉的冷态流速测试手段进行分析，对固体蓄热电锅炉的发展大有裨益。
2 固体蓄热电锅炉的结构特点
固体蓄热电锅炉，又可称为固体蓄热式电热锅炉或固体蓄热式电加热锅炉。这是一种新型的蓄能装置，该设备利用低谷电加热穿插在蓄热体耐火砖孔道中的电加热丝，蓄热体吸收电加热丝释放的热量并暂时贮存起来，在需要的时候通过二次换热释放出来，供用户使用。该装置是由外壳、换热器、循环风机、保温材料、电加热丝、电源、温度测量器、控制装置及电机组成。其特征是：蓄热装置是由蓄热砖而成，形成若干个水平换热风道。装置的工作过程是：当电源接通后，穿插在换热风道中的电加热丝开始发热，把热量传给由蓄热砖，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，保温材料把蓄热体所得到的热量贮存起来，当需要热量时，开启循环风机，使空气通过换热风道，空气温度得到提高，然后再被抽到循环风机中循环流动。与此同时，热空气通过换热装置把热量传给换热装置中的循环水，供用热对象使用，其水温的控制是通过调节风机驱动电机的转速来实现的[1]。固体蓄热电锅炉的典型结构如图1所示。
图1固体蓄热锅炉结构原理
针对某一确定型号的固体蓄热电锅炉而言，各换热风道进口风量是否均匀对设备运行至关重要。当锅炉各换热风道进口风量不均匀时，在锅炉放热周期就会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，固体蓄热电锅炉研究的重点往往是实现各换热风道进口风量均匀进而合理确定蓄热体数量。
3 数值模拟方法
目前，固体蓄热电锅炉换热风道进口风速的测量依靠锅炉的冷态流速测试。对锅炉进行冷态流速测试时，需要将锅炉拆卸，测量均风箱处各换热风道的对应风速计算得到锅炉各换热风道的进口风量，对锅炉的气流组织进行评价。由于冷态流速测试中将锅炉拆卸，锅炉实际运行中的各换热风道进口风量与测试结果会产生差异影响锅炉气流组织评价的准确性[2]。因此，笔者采用利用CFD软件对锅炉进行了数值模拟，摒弃因锅炉拆卸对评价结果的影响。
首先在GAMIT软件中建立模型。锅炉循环风机的模型建立是整个固体蓄热电锅炉模型建立的核心。循环风机内部构造复杂、叶片形式特殊，GANMBIT软件中简单的点、线、面、体创建方法不能建立实际循环风机模型，为此笔者对锅炉的循环风机做了可行性简化。离心风机模型从结构上讲主要是有三部分组成：叶轮、蜗壳、以及集风器，所以最初就可以将模型分为三个部分进行分别处理。集风器和换热器相连，出口半径保持不变，不在做扩径处理。蜗壳可在GANMBIT中建立模型，不再做简化处理。叶片的叶片角130°，叶片统一设置为Wall-1；叶片旋转经过的区域设置为Fluid-1，其他循环风流经区域为Fluid-2，以便后续Fluent计算时设置循环风机转速。Fluid-1与Fluid-2间设置边界条件interface-1和interface-2，作为流体数据传输界面。在Gambit中应以锅炉循环风机中心为坐标原点绘制三维数学模型，为Wall-1、Fluid-1在Fluent中的转速设置打下良好基础。
为了探究锅炉拆卸对测试结果的影响，笔者建立了三种数学模型，分别是：
（1）锅炉循环风机、左侧配风箱和均风室的数学模型；
（2）锅炉循环风机、左侧配风箱、均风室、换热风道和右侧均风室的数学模型；
（3）锅炉循环风机、左侧配风箱、均风室、换热风道、右侧均风室和换热器的数学模型，即锅炉整机的数学模型。
为方便后文讨论，将三种数学模型分别命名为模型Ⅰ、模型Ⅱ和模型Ⅲ。
在模型Ⅲ建立中考虑到锅炉换热器内部结构复杂，采用FAN边界条件处理。FAN边界条件可设置对流经此界面流体施加的阻力，在Fluent计算时设置与锅炉换热器大致相同的阻力，进行简化，对锅炉内部速度场的分布影响不大，本文中取1000Pa。
图2 锅炉三种数学模型气流组织均匀性的CU值评价结果
如图2所示为锅炉三种数学模型气流组织均匀性的CU值评价结果。模型Ⅰ与模型Ⅱ和模型Ⅲ的CU值差异体现了锅炉冷态流速测试的偏差，随着锅炉模型的完善，锅炉的气流组织被进一步改变，锅炉冷态流速测量的结果并不能准确的说明锅炉实际运行过程中的气流组织的优良程度。
5结论
1.利用CDF软件对锅炉建立数学模型，可根据需要得到不同工况下的气流组织分布，为固体蓄热电锅炉的设计及优化提供模拟数据以供参考，为锅炉研究提供了极大便利。
2.固体蓄热电锅炉的冷态流速测试存在偏差，不能反应锅炉实际运行时的气流组织状态。
参考文献：
[1]陈新进，王庆顺，孙伟.基于Fluent的蓄热体传热过程的数值模拟[J].机械工程师，2015（04）：71-73.
[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.
论文作者:陈鹏1,罗勇2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/5
标签：蓄热论文; 锅炉论文; 电锅炉论文; 固体论文; 风道论文; 流速论文; 风机论文; 《电力设备》2018年第21期论文;