固体蓄热部件抗热震性研究及电暖装置运行模拟

作     者：宋佩耕 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张兴梅

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081404[工学-供热、供燃气、通风及空调工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：固体蓄热部件 抗热震性 固体蓄热电暖装置 高低温冲击 数值模拟 

摘      要：近年来,清洁能源发电产业的迅速发展,为固体蓄热电采暖技术的发展提供了肥沃的土壤。但目前存在的因固体蓄热部件抗热震性较差而直接导致的固体蓄热电暖装置抗热震性较差,正常使用寿命较短的问题,大大限制了固体蓄热电暖装置的推广应用。本课题针对以上问题,首先建立了一套适用于固体蓄热部件的抗热震性实验系统及分析方法,并以市面常见固体蓄热部件作为实验样本对实验系统进行可行性验证实验,实验结果表明:随着高低温冲击次数增多,固体蓄热部件导热率总体减少36.7%,比热容总体减少54.1%,充分说明本课题所设计的抗热震性实验系统的可行性,且随着受高低温冲击次数增多,固体蓄热部件的导热率和比热容发生衰减时,均是先有一个快速衰减期进行热物性性能的快速衰减,然后趋于平稳,进入平稳期,直至固体蓄热部件出现表面破损,其热物性参数基本保持不变。然后结合固体蓄热材料的相关研究资料,选取Mg O为主体材料,FeO和Zr O为添加材料,在1650℃高温下烧制新型固体蓄热部件,并利用本文所设计的固体蓄热部件抗热震性实验系统进行实验研究及分析,实验结果表明:随着FeO添加质量百分比的增加,固体蓄热部件抗热震性性能先逐渐提升,当Mg O质量百分比:FeO质量百分比=9:1时,固体蓄热部件抗热震性性能最佳,FeO添加质量百分比继续增加,则会导致固体蓄热部件抗热震性性能下降;向Mg O质量百分比:FeO质量百分比=9:1的原材料中添加Zr O能够进一步有效提升固体蓄热部件的抗热震性性能,且随Zr O添加质量百分比增加,固体蓄热部件抗热震性性能逐渐提升,当Zr O添加质量百分比达4%后,再继续添加Zr O,固体蓄热部件抗热震性性能基本不变;最终得到材料最佳配比为Mg O质量百分比:FeO质量百分比:Zr O质量百分比=86.4:9.6:4。为了研究抗热震性性能优化固体蓄热部件投入使用后,对其所在固体蓄热电暖装置抗热震性性能的影响情况,本课题完成了固体蓄热电暖装置抗热震模拟实验设计,通过装置使用寿命变化情况来表现装置抗热震性性能,根据固体蓄热电采暖技术的数值模拟理论基础,建立了固体蓄热电暖装置的数值模型,并通过对固体蓄热电暖装置进行实验测试与模拟结果进行对比分析的方式发现:因电暖装置其他部件材料在实际应用时,材料特性也会受温度变化而产生一定变化,故模拟结果与实验测试结果存在一定偏差,但经分析比较发现,模拟与实验结果最大偏差不超过10%,符合模拟精度要求。最后在已建立数值模型的基础上进行固体蓄热电暖装置的抗热震模拟研究,模拟结果表明:抗热震性性能优化固体蓄热部件所在固体蓄热电暖装置在运行过程中,随连续运行时间增加,装置各处温度变化程度远小于市面常见固体蓄热电暖装置连续运行相同时间时的温度变化程度;且以国家标准JG/T 236-2008中关于固体蓄热电暖装置的相关规范对本文装置进行运行工况判定分析发现:抗热震性性能优化固体蓄热部件所在固体蓄热电暖装置的正常运行寿命至少是市面常见固体蓄热电暖装置的5倍,充分体现了抗热震性性能优化固体蓄热部件对其所在电暖装置抗热震性性能提升效果显著。本课题构建完成了一个适用于固体蓄热部件的抗热震性实验分析系统,对固体蓄热部件的抗热震性能作出了优化研究,并且验证了抗热震性性能优化固体部件对固体蓄电暖装置抗热震性性能的改善情况,有效解决了固体蓄热部件抗热震性较差的问题,促进了固体蓄热电暖装置的推广应用。