[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

摘要

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，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）建立高温蓄热材料与电阻加热元件间传热速率平衡模型：3）根据传热速率平衡模型，4)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：6）判断电阻丝表面温度是否在运行温度区间。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。（1）其温度变化率为恒值，依此可对传热平衡式进行计算。（2）蓄热材料与电阻丝之间的匹配。（3）避免高温脆性导致的电热元件寿命缩短。

主权项

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；λs为固体导热系数；Ts为固体表面温度；s为固体受热表面积；Ae为电阻丝表面积；hes为电阻丝与蓄热体的辐射换热系数；Te为电阻丝温度；As为砖孔表面积；hsa为蓄热体与空气间的对流换热系数；Ta为空气温度；va为空气流速；ρA为空气流入换热器的面密度；ma为蓄热体内空气的质量；ca为空气的热容量；t为时间；me为电阻丝的质量；ce为电阻丝的热容量；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Φas，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：Te＝Ta+Ts式中：Te,ε和σ分别为辐射温度、黑度和斯忒藩‑玻尔兹曼常数；Ta和ha分别为流体温度和表面传热系数；Ts和λs分别为固体温度和导热系数；qe，qa和qs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。