热电锅炉、蓄热器的应用前景

热电锅炉、蓄热器的应用前景

1热电锅炉是研究重大的产业课题热能联产设备和蓄热装置用于利用能耗生产蒸汽和热水。和所有的电气设备一样,电热锅炉和蓄热器也具有结构简单、轻巧、洁净无污染、自动化程度高等特点。与化石燃料锅炉相比,还具有基本投资少、占地面积小、操作方便、热效率高、调峰灵活等优点。国外早已广泛使用电热锅炉。在国内,由于受到工艺水平及电价的限制,还未能得到推广。近年来,随着公众对净化环境的要求日益强烈,人们开始寻找对环境不造成污染、运行费用也不十分昂贵的热能转换形式,于是电热锅炉就又成为人们进行研究的重要课题。与此同时,为了缓和常规能源紧缺的矛盾,各国都在新建核电站。由于核电站通常是在某一基本负荷下稳定运行的,当供电处于低谷时,特别是在夜间,必须依靠用户本身来实现能量平衡,因此,只能采用电热锅炉和电热蓄热器的联合循环系统,保障核电设备的安全运行。此外,我国的水力资源十分丰富,遍布西南山区的小水电站不说,目前我国正在兴建长江三峡和黄河小浪底水电站,为了充分利用水电资源,也必须配备一定容量的电热设备进行高峰和低谷期的能量平衡。随着我国的经济飞速发展,人民物质生活水平的提高,我国电网的高峰期与低谷期已十分明显,国家已制订出以时间段来收取电费的政策,鼓励企业和市民尽可能多地使用夜间电能。北京地区也已有人设想积聚夜间电能的热量用于冬季昼夜的采暖。因此,电热蓄热器也开始成为能源工作者的研究热点。由此说明,电热锅炉、电热蓄热器及其它电气设备必定会有一个广阔的应用前景。2加热设备的类型电热锅炉品种很多,其分类一般按电热元件的形式划分为电阻式和电极式两种。2.1管形热电元件的使用寿命、功率、投运量电阻式电热锅炉采用高阻抗管形电热元件。接通电源后,管形电热元件产生高热使水成为热水或蒸汽(见图1)。管形电热元件由金属外壳、电热丝和氧化镁三者组成,氧化镁作为绝缘体和导热介质充填在金属管壁和电热丝之间。因此,电热元件的使用寿命、电热锅炉的热效率与氧化镁的质量、制造时的充实程度密切相关。该锅炉的优点是水中不带电,使用较为安全,对水质也不造成污染。但是,管形电热元件的功率是固定的。锅炉容量的增大必须依靠增加管形电热元件的数量来实现,并按实际投运数量来调节锅炉的负荷。因此,这类锅炉的容量受到了电热元件结构布置的限制。2.2锅炉蒸汽的作用电极式电热锅炉的工作原理是以水作为介质,利用水的高热阻特性,直接将电能转换成热能,在这一转换过程中能量几乎没有损失(见图2)。在电极式电热锅炉中,一般都装有套筒,将整个筒体分隔为内外两个空间,其目的有二个:其一,在电极加热水时会产生微量的电解氧,设置套筒可以防止氧气对外壳筒壁的腐蚀;其二,可以起到负荷的自调节作用。当用汽量少时,锅炉内蒸汽量增大,水位降低,电极插入深度变浅,电通量减小,产汽速度放慢,反之,则增加。当然,如果没有附加热源的话,它只能生产热水和饱和蒸汽,而不可能生产过热蒸汽。如果需要焓值更高的过热蒸汽,在锅炉内部采取一些加热措施就可以很容易地做到这一点。2.3电极式锅炉的电击穿问题上述电极式锅炉的使用电压一般低于660伏,为了减少变压过程中的能量损耗,使电锅炉更为经济地运行,可以采用图3所示的结构形式,此时,电极布置的形式发生了根本的变化。我们知道,尽管水的阻抗很大,但在高电压下仍有被击穿的可能。因此,插入的方式已经不能适应要求,只能改为水帘式布置。此时,电极布置在汽空间(通常认为蒸汽是绝缘介质),利用循环泵和喷嘴将水喷射在电极上,在两个电极之间形成水柱,实现能量转换。因此,只有在两个电极之间的水柱中存在着高压电流,一旦离开这一区域,水就不再带电,也就不会发生电击穿现象。电极式锅炉的运行是十分安全的,锅炉也不会发生干烧现象。因为一旦锅炉断水,电极间的通路被切断,电功率为零,锅炉自动停止运行,这与化石燃料锅炉相比是完全不同的。3计算的设计3.1l/h热电锅炉能耗计算电能与热能之间有着严格的转换关系,即:1kW=860kcal/h电热锅炉的热损失极小,只需考虑其散热损失(一般不超过2%),根据用户所需供热量(或供汽量)就可十分方便地计算出锅炉所需的耗电量,选择适量的管形电热元件,经适当布置便可完成。3.2设计计算方法的比较电极式电热锅炉的电极布置形式很多,一般可以分为五种(见图4)。电极布置形式不同,其设计计算方法也是不一样的。图中b、c、d、e的布置方法,在计算时可以看作两块平板之间的导电换热,其计算方法多见于有关书籍中。而a布置形式的计算较为复杂。目前,国内外电极式电热锅炉的电极布置采用a的较多,因此,本文将简略介绍这种布置方式的计算方法:(1)dq当锅炉的设计参数确定后,即可按下式确定锅炉所需的输入热量。Q=i′′+φibh−(1+φ)i′ηDQ=i″+φibh-(1+φ)i′ηD式中i″——额定工作压力下的饱和蒸汽焓,kJ/kg(kcal/kg)i′——给水焓,kJ/kg(kcal/kg)ibh——饱和水焓,kJ/kg(kcal/kg)↣φ——排污率,%D——额定蒸发量,kg/h(t/h)η——锅炉热效率,通常取为98%(2)m点的电功率及其分布采用三根圆棒对称布置于筒体内,这在小型电极式锅炉中最为常见,运行也较为成熟。三根电极插入水中,通电后形成三个独立的电场,如果不考虑电极间的相互影响,则每个电极产生的电力线均呈放射形,其方向垂直于表面指向无穷远处。由于在交流电场中工作,电流矢量的大小和方向是在不断变化的,在整个容器中的每一点都受到三个独立电场的作用,把这三个电场的矢量迭加起来即为这一点的总电场,它的大小与这一点对三个电极的距离、时间等因素密切相关。如果把这个系统置于直角坐标中(见图5),则任一点(图中M点)的电场强度与这一点的位置坐标及时间构成了如下函数关系:E⃗M=f(x,y,t)E→Μ=f(x,y,t)(1)由物理学理论可以得到M点的电功率为:N=γE⃗E⃗=γE2(2)Ν=γE→E→=γE2(2)式中γ——电导率E⃗—E→——电场强度即:某一点的功率等于电导率和该点的电场强度平方的乘积。在整个圆平面内积分,乘以电极的插入深度,即可获得电锅炉所消耗的功率:N总=h·γ·∫x2x1x1x2∫y2y1y1y2∫1/50001/50E2dxdydz(3)利用上式求取电功率的关键是找出每一点的场强与所处位置的关系,即该点的电势。为此,作了如下假设:①每个电极表面的电荷密度分布均匀,不受另外两个电极的影响;②水的电导率处处相等;③电极可看作无限长的带电圆柱体。三电极的布置位置为:A电极(0‚3√b),B(b,0),C(−b,0)(0‚3b),B(b,0),C(-b,0)。M点为圆内任一点,其位置为(x,y),与三电极的相对位置为:RA=x2+(y−3√b)2−−−−−−−−−−−−−√RA=x2+(y-3b)2;RB=(x−b)2+y2−−−−−−−−−−√RB=(x-b)2+y2;RA=(x+b)2+y2−−−−−−−−−−√(4)RA=(x+b)2+y2(4)各电极在M(x,y)点形成的电场为:E¯¯¯N=E¯¯¯A+E¯¯¯B+E¯¯¯C=λA2πεγ2R¯¯¯A+λB2πεγ2R¯¯¯B+λC2πεγ2R¯¯¯C(5)E¯Ν=E¯A+E¯B+E¯C=λA2πεγ2R¯A+λB2πεγ2R¯B+λC2πεγ2R¯C(5)λA、λB、λC分别为各电极的带电量。将公式(5)代入式(3),经数学演变,可得相应的电功率计算公式。由于该计算公式比较繁复,本文不再列举。4热电锅炉和热电蓄热器的应用前景我国幅员辽阔,水力资源极其丰富,应该配备足量的电热设备用以工矿企业和居民生活,从而达到保护其它生态资源、改善生态环境,从这一意义上讲,电热