[发明专利]一种基于传热速率平衡的固态蓄热加热特性匹配设计方法

权利要求书

1.一种基于传热速率平衡的固态蓄热加热特性匹配设计方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

1)获取高温固态蓄热装置结构数据材料数据和运行条件参数；

2)设定电热元件加热功率、预期温升速率等目标参数，建立高温蓄热材料与电阻加热元件间传热速率平衡模型：

式中：P为电热元件的加热功率；J为热功当量；λ_s为固体导热系数；T_s为固体表面温度；s为固体受热表面积；A_e为电阻丝表面积；h_es为电阻丝与蓄热体的辐射换热系数；T_e为电阻丝温度；A_s为砖孔表面积；h_sa为蓄热体与空气间的对流换热系数；T_a为空气温度；v_a为空气流速；ρ_A为空气流入换热器的面密度；m_a为蓄热体内空气的质量；c_a为空气的热容量；t为时间；m_e为电阻丝的质量；c_e为电阻丝的热容量；n为流-固交界面法向量；

3)根据传热速率平衡模型，计算蓄热体与空气间的对流换热速率Φ_as，并以此设计蓄热体风道的回程数目、占孔比、面积、长度及空气进口流量；

4)利用ANSYS有限元分析软件建立高温蓄热材料与电阻加热元件间的传热模型：

5)确定空气与蓄热体表面传热耦合边界条件：

在流固交界面上满足能量连续性条件，将上述三种传热的能量方程进行耦合：

式中：T_e,ε和σ分别为电阻丝温度、黑度和斯忒藩-玻尔兹曼常数；T_a和h_a分别为空气温度和表面传热系数；T_s和λ_s分别为固体表面温度和导热系数；q_e，q_a和q_s分别为流-固交界面上流体侧的辐射热流密度、对流热流密度和固体侧的导热热流密度；n为流-固交界面法向量；

6)利用ANSYS传热模型分析电阻丝与蓄热体间传热温度场变化情况，判断电阻丝表面温度是否在运行温度区间，当不处于运行温度区间时，改变入口风速，降低电阻丝表面温度或升高电阻丝表面温度；

7)得出满足蓄热体风道设计结构和各运行温度区间的空气进口流速参数，使电热元件与储热装置的结构、性能相匹配，从而实现整个结构的优化。

2.根据权利要求1所述的一种基于传热速率平衡的固态蓄热加热特性匹配设计方法，其特征在于：4)中根据下列公式，利用ANSYS有限元分析软件建立高温蓄热材料与电阻加热元件间的传热模型：

(1)、电阻丝对蓄热体辐射传热：

式中：I为辐射强度；a为吸收系数；σ_s为散射系数；n₀为折射系数；T_e为当地温度；ω为相位函数；Ω为空间立体角；s为固体受热表面积；

(2)、电阻丝对蓄热体对流换热：

(3)式中：c_pa为空气比热；ρ_a为空气密度；T_a为空气温度；λ_a为空气导热系数；υ_a为气流速度矢量；φ为气流粘性耗散；p为流体静压；t为时间；

(3)、蓄热体固体导热：

式中：c_ps为固体比热；ρ_s为固体密度；T_s为固体温度；λ_s为固体导热系数；t为时间。