新型相變蓄熱式電加熱裝置蓄熱性能優化研究

鄭煒博,孫 東,李云飛,李 煒,王曉東,馬立輝,董偉佳,王新偉

(1.勝利油田技術檢測中心, 山東 東營 257000;2.中國石油大學(華東) 新能源學院, 山東 青島 266580)

0 引言

隨著我國對石油需求的日益增加,更加有效的開采、儲運原油成為石油領域的關注焦點,其中包括原油降黏的加熱方式?，F階段加熱方式主要分為2種,一是燃氣或燃油鍋爐加熱,二是電加熱[1]。但是,燃氣或燃油加熱爐不僅加熱造價高、效率低,而且尾氣排放量高,對資源和環境造成極大浪費和不可逆的污染,因此電加熱成為主流的加熱方式[2]。另外,為緩解城市供電不足等問題,我國出臺了“谷峰電價”,即用電高峰的白天電價較高,而在用電低峰的夜間電價較低[3]。因而,夜間儲能、白天用能的功能方式逐漸進入工業領域。

相變材料是一種在溫度不變的情況下而改變物質狀態并能提供潛熱的物質,因其具有在一定溫度范圍內改變其物理狀態從而吸收或釋放大量潛熱的能力而被廣泛應用于儲能技術中[4-5]。Wang等[6]用三水合醋酸鈉基復合材料測試了潛熱儲層,用于可變加熱系統。顯熱用于短期蓄熱,潛熱用于長期蓄熱。結果表明,相變材料在66%的測試循環中保持穩定過冷。與傳統供暖系統相比,蓄熱效果明顯提高。然而,大多數相變蓄熱材料的導熱系數都非常低,因此需要強化傳熱以滿足工業生產要求。目前強化相變材料傳熱的方法有增加肋片、在相變材料中添加金屬、將相變蓄熱材料灌注在金屬多孔層中等。Agyenim等[7]發現縱向翅片的系統傳熱效果最好。Zhang等[8]發現泡沫金屬復合相變材料在強化傳熱方面比單一相變材料更有效。Huang等[9]發現,與單一相變材料相比,泡沫鎳復合相變材料和泡沫銅復合相變材料的導熱系數分別提高了1.8倍和7.51倍。

以上研究針對相變材料性能,未涉及相變儲能與其他能源互補的效果。然而,相關研究表明多能互補可有效降低能源消耗,提高能源利用率。因此,結合原油加熱降黏法、谷電和復合相變材料技術,將熱儲能和電能高效結合,設計并研制了一種新型相變蓄熱式電加熱裝置,并對該裝置的蓄熱性能進行了模擬和優化,為原油降黏工藝的設計和運行提供了新思路。

1 裝置介紹與模型建立

1.1 裝置介紹

所設計的相變蓄熱式電加熱裝置如圖1所示。該裝置主要由蓄熱爐體外殼、換熱盤管、電加熱棒以及復合相變材料組成。其中,罐體長約4 m,截面為圓形,內徑為1.55 m。爐體被一塊分割板從中間分成上、下兩部分,每部分內設有2根8里程的盤管和多根電加熱棒,盤管總長約29 m。相變復合材料分布在殼內的加熱盤管與加熱棒之間。

圖1 相變蓄熱式電加熱裝置示意圖

該裝置殼體與內部盤管所用材料為碳鋼,相變材料選用十二水硫酸鋁銨(NH4Al(SO4)2·12H2O)并添加不同孔隙率的泡沫金屬鎳,此復合相變材料既可以防止原油在降黏時結焦,又具有較好的穩定性、高導熱性和循環使用性。所用的材料物性參數見表1。

表1 材料物性參數

在23∶00—7∶00時間段內,該裝置上、下部分均進行蓄熱過程,但上半部分在蓄熱的同時進行放熱,因此,在此時間段內,上半部分管內存在工質流動現象;在7∶00—15∶00時間段內,該裝置上、下部分均停止蓄熱過程,上半部分相變材料進行熱量釋放來加熱管內工質,下半部分進行熱量儲存;在15∶00—23∶00時間段內,該裝置上半部分所蓄熱量已經不能滿足管內工質出口溫度要求,因此,將工質轉入下半部分盤管內加熱,上半部分不在進行使用,如此循環往復對原油進行加熱降黏。重點對該裝置在23∶00—7∶00時間段內裝置的蓄熱性能進行討論。

1.2 物理模型

根據該裝置在23∶00—7∶00時間段內的運行情況,利用CFD方法,針對裝置上、下2部分蓄熱性能分別進行數值模擬分析,并根據結果進行結構優化。

上、下部分物理模型如圖1(b)和圖1(c)所示,其中盤管內為傳熱流體區域,殼內盤管與加熱棒之間的間隙為相變材料區域。

為了準確而簡便地研究該裝置的蓄熱性能,根據文獻[10-13],作出如下假設：① 管內工質油水混合物為不可壓縮流體;② 蓄熱材料為各向同性,化學性質穩定,忽略相變過程中過冷和析出現象;③ 盤管入口工質流動充分發展;④ 忽略裝置外殼的熱量散失;⑤ 泡沫金屬鎳呈立體骨架式分布。

1.3 數學模型

1.3.1傳熱流體區域數學模型

傳熱流體區域采用流動換熱的三大控制方程,即質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。

質量守恒方程如下：

(1)

動量守恒方程如下：

(2)

(3)

(4)

能量守恒方程如下：

(5)

式(1)—(5)中,τ為時間;ρf為傳熱流體的密度;cf為傳熱流體的比熱;Tf為傳熱流體的溫度;P為壓強;νx、νy、νz為傳熱流體在x、y、z方向的速度;kf為傳熱流體的導熱系數;μf為傳熱流體的動力黏度。

1.3.2相變材料區域數學模型

根據ANSYS Fluent所提供的融化凝固模型,相變材料區域采用以孔隙率-焓法為基礎的三大控制方程。

連續性方程如下：

(6)

式中：τ為時間;ρpcm為相變材料密度;Vx、Vy、Vz為x、y、z方向流體的流速。

動量方程如下：

(9)

(10)

式(7)—(10)中,gx、gy、gz為x、y、z方向上的重力加速度分量;P為壓強;μpcm為相變材料的動力黏度;Si為動量修正項;Amush為固液模糊區常數;ε為極小數;νp為牽連速度。

能量方程如下：

(11)

Hpcm=h+ΔH

(12)

(13)

ΔH=βL

(14)

(15)

式(11)—(15)中,T為相變材料的溫度;Hpcm為相變材料的焓值;Se為能量方程源項;kpcm為相變材料的熱傳導系數;href為參考焓值;Tref為參考溫度;cpcm為相變材料的比熱容;L由潛熱性能表查得;β為液相率;TS為相變材料的完全凝固溫度;TL為相變材料的完全熔化溫度。

1.4 參數設置

在進行非穩態計算中,選擇求解模型為能量方程、k-ε湍流模型和融化凝固模型,選擇求解器為基于壓力求解器,算法采用PISO算法。邊界條件中,蓄熱外殼為絕熱壁面,盤管與換熱流體、盤管與相變材料均為耦合界面,傳熱流體區域入口為速度入口,出口為自由流出。

2 計算結果分析

2.1 蓄熱性能分析

蓄熱過程中,加入孔隙率為0.8的泡沫金屬鎳制成相變復合材料,并將蓄熱過程分為上半部分和下半部分,蓄熱時間為23∶00—7∶00。

2.1.1上半部分蓄熱性能分析

上半部分爐內設有12根加熱棒,其功率均為500 kW/m3,其中4根均勻布置在爐壁與盤管之間,4根布置在盤管之間,4根布置在盤管與分割板之間,上半部分爐內加熱棒布置方式見圖2(a)。

圖2 爐內加熱棒布置方式示意圖

蓄放熱8 h后,上半部分盤管內工質出口溫度曲線如圖3,盤管內及相變復合材料液相分布和爐內溫度分布如圖4所示。

圖3 上半部分盤管內工質出口溫度曲線

圖4 不同時間上半部分盤管內及相變復合材料液相分布[(a)—(c)]與爐內溫度分布云圖[(d)—(f)]

由圖3可知,上半部分盤管內工質出口溫度滿足溫升條件。由圖4可知,隨著蓄熱時間推移,8 h后上半部分爐內相變復合材料基本融化為液體,且相變復合材料的整體溫度達到403 K,即放熱過程中相變材料的初始溫度,所以該裝置滿足生產要求。但是,仍有靠近爐壁的少部分材料未完全融化。另外,雖然相變復合材料的溫度已滿足生產要求,但是溫度分布不均勻,內部與外圍溫度相差較大。因此,該裝置上半部分雖可行,但有待改進。

2.1.2下半部分蓄熱性能分析

下半部分爐內加熱棒布置方式與上半部分相似,設有12根加熱棒,其功率均為1 000 kW/m3,下半部分爐內加熱棒布置方式見圖2(b)。

蓄熱8 h后,下半部分爐內相變復合材料液相分布和爐內溫度分布如圖5所示。由圖5可知, 8 h后下半部分爐內近壁面相變復合材料基本融化成液體,且此時爐內相變復合材料整體溫度已達403 K,但少部分近壁面處相變復合材料出現未完全融化現象。因此,該裝置下半部分有待改進。

根據2.1.1小節和2.1.2小節數值模擬結果,出現相變復合材料未完全融化和蓄熱后爐內溫度分布不均勻的現象,原因可能是,首先,爐內加熱棒分布不均勻可能導致靠近外壁側的相變復合材料未完全融化且溫度較低。其次,在23∶00—7∶00時間段內,上半部分在進行相變復合材料蓄熱的同時進行放熱,而下半部分在該時間段內只進行蓄熱,因而上半部分需要更大功率的加熱棒以達到蓄放熱溫度要求。

因此,可根據加熱棒位置方式和加熱棒功率進行相應的爐內結構調整以優化裝置蓄熱性能在,使該裝置滿足市場需求。

2.2 結構優化分析

該裝置在蓄熱過程中,首先,加熱棒附近的相變復合材料溫度受到加熱棒的加熱而溫度升高,并開始融化,隨著時間的推移,在具有高導熱性的泡沫金屬催化下,熱量加速向外擴散,直至爐內相變復合材料全部變為液態,此時蓄熱過程結束。對于蓄熱過程來說,電加熱棒的功率和布置方式關系到加熱是否均勻,相變材料溫度是否可以均勻上升,因此,在2.1小節模擬結果的基礎上,對爐內加熱棒位置和加熱棒功率進行優化調整,并對優化后的模型進行數值模擬分析。

2.2.1上半部分優化分析

為保證上半部分在進行蓄放熱的過程中相變復合材料和盤管內工質出口溫度滿足設計條件,改用功率為2 800 kW/m3的加熱棒加熱,并將加熱棒數量增至18根。對于加熱棒位置,也做出相應調整,其中6根均勻布置在爐壁與盤管之間,6根布置在盤管之間,6根布置在盤管與分割板之間,優化后上半部分爐內加熱棒布置方式如圖6(a)所示。

圖6 優化后爐內加熱棒布置

蓄放熱8 h后,上半部分盤管內工質出口溫度曲線如圖7,盤管內及相變復合材料液相分布和爐內溫度分布如圖8所示。

圖7 優化后上半部分盤管內工質出口溫度曲線

由圖7可知,優化后上半部內工質出口溫度與優化前略有差別,但滿足溫升條件。同時,由圖8可知,蓄放熱8 h后,優化后上半部分爐內相變復合材料完全融化,且整體溫度達到403 K。因此,該優化方案合理。

2.2.2下半部分優化分析

為避免下半部分相變復合材料融化不完全現象,將下半部分加熱棒數量增至18根,布置方式與上半部分相似。同時,將加熱棒13和加熱棒18的功率調整為500 kW/m3,其余加熱棒功率調整為900 kW/m3。優化后下半部分爐內加熱棒布置如圖6(b)所示。

蓄熱8 h后,下半部分爐內相變復合材料液相分布和爐內溫度分布如圖8所示。

由圖8可知,蓄熱過程進行6.5 h后,下半部分爐內相變復合材料完全融化,溫度分布較為均勻,且此時相變復合材料整體溫度已達403 K。與優化前相比,利用此加熱功率和加熱布置方式,不僅可以保證蓄熱過程結束后爐內相變復合材料完全融化且溫度滿足生產要求,而且可以減少下半部分蓄熱時間,即可以在運行6.5 h后完成蓄熱。

綜上所述,在對該裝置進行優化后,由于裝置內加熱棒布置更加均勻合理,所以相變復合材料不僅在蓄熱過程中的固液轉變比較均勻,而且各個區域的溫度上升比較均勻。同時,由于電加熱棒數量的增加和單根電加熱棒功率的減小,避免了蓄熱過程結束后相變復合材料出現局部極高溫的情況,從而高效利用能量。

2.3 放熱性能分析

2.3.1入口流量對放熱性能的影響

為了研究工質進口流量對放熱過程的影響,選取相變材料初始溫度為403 K,孔隙率為0.8,入口流速分別為0.2、0.3、0.4、0.5 m/s,換算成流量分別為1.413、2.120、2.826、3.533 m3/h,得到不同流量下出口溫度變化如圖9所示。

如圖9所示,在8 h的放熱過程中,不同流量有不同的出口溫度,隨著流量的不斷增加,8 h后出口溫度不斷減小,這是因為每次增加流量,所消耗的熱量不斷增加,損耗更多的熱量來加熱更多的工質。由于初始相變材料的溫度較高,為403 K,而管內工質入口溫度僅為313 K,此時管內工質與管外相變材料的溫差很大,換熱量因此很大,所以出口溫度此時很高,隨著放熱過程的持續,管外的相變材料溫度不斷降低,這時管內工質和管外相變材料的溫差變小,導致兩者的換熱量減少,因此管出口的工質溫度降低。

隨著放熱過程的不斷進行,液態相變材料逐漸減少,固態相變材料不斷增加,到最后基本都變為固態。由于管附近的相變材料離管內流動工質更近,因此首先進行放熱,導致這部分相變材料首先進行相變過程。在整個放熱過程中,相變材料溫度不斷減小,在到達相變溫度前,通過顯熱蓄能來放熱供給管內工質升溫,在到達相變溫度后,溫度保持不變,通過相變材料潛熱蓄熱來進行放熱供給管內工質升溫。在初始的放熱過程中,液態相變材料比例基本不變,此時利用的熱量基本為相變材料通過降低溫度得到的顯熱能量。約2.5 h后,絕大部分的相變材料進行固液相態轉變,所消耗的能量絕大部分是相變材料進行相變時所釋放的潛熱,通過這些潛熱來加熱管內工質,使工質在8 h后出口溫度仍然能保持一個較高的溫度。

2.3.2孔隙率對放熱性能的影響

由于大部分相變材料的導熱系數較低,導致在放熱過程中熱量傳遞不均勻,工質流動至出口溫度較低。而大量金屬材料的導熱系數很高,因此,在相變材料中加入高孔隙率的泡沫金屬來形成復合相變材料,在相變潛熱和密度都變化不大的情況下,可以使其等效導熱系數迅速提高。為了研究復合相變材料中泡沫金屬孔隙率對放熱過程的影響,選取相變材料初始溫度為403 K,進口流速為2.120 m3/h,孔隙率分別為1.0、0.9、0.8、0.7,觀察不同孔隙率對放熱過程的影響,得到不同孔隙率下出口溫度變化如圖10所示。

當孔隙率為1.0時,管內工質出口溫度為318 K;當孔隙率為0.9時,管內工質出口溫度為324 K;當孔隙率為0.8時,管內工質出口溫度為325 K;當孔隙率為0.7時,管內工質出口溫度為325 K.。孔隙率為1.0時,為不添加泡沫金屬的情況,可以看出,在同樣的工質入口流量下,不添加泡沫金屬的相變材料進行放熱,放熱不均勻,很大一部分熱量并沒有取出,導致管內工質流動到出口時溫度較低,僅為318 K,相較于入口僅僅增加了5 K,這是不滿足設計要求的。而加入泡沫金屬后,形成復合相變材料,其內的熱量可以更加均勻的傳遞,在一部分相變材料的熱量消耗后,附近的相變材料會通過復合相變材料的高導熱性進行熱量傳遞,從而使溫度相對均勻的降低。由圖可以看到,分別添加孔隙率為0.9、0.8、0.7的泡沫金屬,工質出口的溫度能夠達到324 K,也就是提高了11 K,滿足設計要求。

3 結論

1)蓄熱過程中,靠近電加熱棒的相變材料先熔化,熱量借助導熱系數高的泡沫金屬向周圍相變材料擴散。熔融趨勢呈放射狀。

2)雖然相變材料存儲大量熱量,但是存在釋放熱量分布不均勻的現象。隨著泡沫鎳的加入,泡沫金屬的孔隙率降低,相變材料內部溫度更加均勻,而且相變材料內部溫度隨泡沫金屬孔隙率的降低而降低。

3)放熱過程中,隨著工質進口流量的增加,出口溫度不斷降低。

4)電加熱棒分布越均勻,相變材料溫升越均勻。增加電加熱棒的數量,并降低單個電加熱棒的功率,可以避免相變材料的局部高溫,從而降低能耗。