一种单罐多层填充床蓄热器设计方法与流程

本发明涉及热能存储技术，具体涉及一种单罐多层填充床蓄热器设计方法。

背景技术：

近年来，化石能源消费量随着社会经济的快速发展而急剧增长。同时，化石燃料的大量燃烧带来了日益严重的环境问题，并对公众健康和社会经济发展造成了不利影响。因此，加快发展清洁的可再生能源成为了人类面临的重要课题。太阳能是地球上最丰富、清洁并可广泛获取的可再生能源。高效利用太阳能可有效改善我国能源结构，促进社会经济和环境的和谐发展。太阳能热发电技术是前景广阔的太阳能利用技术，而蓄热装置是该系统的重要组成部分。在白天光照不足和夜间的时候，系统可使用蓄热装置所储存的热能来维持连续稳定运行。因此针对蓄热技术开发方面的研究也成为国际前沿的研究热点，我国也对此投入了相关政策支持。例如，在国家发改委、国家能源局于2016年4月下发的《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》中，“先进储能技术创新”被列为15个重点任务之一，该重点任务要求对太阳能光热高效利用高温储热技术进行重点研究。

单罐填充床蓄热器结构简单，并可使用价格低廉的固体填料代替昂贵的熔盐等传热工质来进行蓄热。因此，单罐填充床蓄热器在工业应用领域尤其是太阳能热发电领域获得了越来越多的关注。现有研究表明单罐填充床蓄热器中存在斜温层影响蓄热性能的问题。例如，在蓄热器放热过程中，蓄热器内传热工质中将出现由下至上温度急剧降低的分层区域，即斜温层。当斜温层顶部到达蓄热器出口时，出口工质温度将开始下降，而当出口温度下降到可保证发电系统正常运行的临界值以下时，蓄热器将停止放热。但此时蓄热器内残留的斜温层中仍有大量热能未能释放，因而斜温层使得有效蓄热量减少，蓄热效率降低，直接影响了蓄热器的蓄热性能。那么如何减小斜温层对蓄热性能的不利影响就成为了一个重要的研究方向。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对斜温层影响蓄热性能的问题，提出了一种既可合理控制成本、提高蓄热量，又可保持较高蓄热效率的单罐多层填充床蓄热器设计方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)确定蓄热器的设计目标参数：最小有效蓄热量Q_min、最小蓄热效率η_min；

2)优选单罐多层填充床蓄热器的填料：

首先，根据实际情况提出多种备选填料；然后，分别构建使用各备选填料的单罐单层填充床蓄热器的流动传热数值计算模型，基于构建的模型，对各蓄热器放热过程进行模拟计算分析各填料的蓄热性能；

然后，对填料进行优选分类：以价格与效率为优选指标，优选出综合性能较好的填料，称之为“基础填料”；以有效蓄热量为优选指标，选出有效蓄热量较高的填料，称之为“蓄热量提高填料”；以蓄热效率为优选指标，选出蓄热效率较高的填料，称之为“调节填料”；

最后，根据工程实际，将优选出的A种(A≥1)基础填料、B种(B≥1)蓄热量提高填料与C种(C≥1)调节填料作为多层结构的三类填充填料，该三类填料按A种、B种和C种在蓄热器中由下至上依次填充，在每类填料中，将所优选出的填料按填料颗粒当量直径从小到大，由下至上依次填充；

3)初步设计单罐多层填充床蓄热器的结构参数：根据最小有效蓄热量Q_min与最小蓄热效率η_min设计要求，计算蓄热器理想蓄热量，根据理想蓄热量、填充床径高比、三类填料填充比例以及各填料的物性参数，初步计算获得单罐多层填充床蓄热器的结构参数，其结构参数包括：填充床高度、填充床直径、各填料的填充厚度；

4)根据蓄热效率调整各填料的填充厚度比例：对由步骤3)所设计的单罐多层填充床蓄热器进行放热过程模拟计算，获得其蓄热效率η_m，若η_m≥η_min，则该设计结果满足设计要求，那么接着进行步骤5)，若η_m<η_min，则该设计结果不满足设计要求，保持蓄热器高度不变，将底层基础填料的填充厚度增加至原来的1.02倍，顶层调节填料的填充厚度增加至原来的1.10倍，并相应缩减中层蓄热量提高填料的厚度，重复步骤4)，直至蓄热效率符合设计要求后进行步骤5)；

5)最后，对由步骤4)所确定的单罐多层填充床蓄热器进行放热过程模拟计算，获得其有效蓄热量Q_flow，若Q_flow≥Q_min，则设计完成，若Q_flow<Q_min，则根据最小有效蓄热量Q_min的设计要求，将蓄热器直径调整为原设计直径的(Q_min/Q_flow)^0.5倍，重复步骤5)，直至Q_flow满足设计要求完成蓄热器的设计。

所述步骤3)初步设计单罐多层填充床蓄热器的结构参数包括以下步骤：

3-1)根据最小有效蓄热量Q_min与最小蓄热效率η_min的设计要求以及所选三类填料的物性参数，采用式(1)计算蓄热器的理想蓄热量Q_i；

3-2)根据径高比推荐值或设计要求，采用式(2)计算蓄热器高度H与直径D；

3-3)根据所计算的罐体总高度与填充厚度比例值，采用式(3)分别计算各种填料的填充厚度：

H_a,i＝h_a,iH，H_b,i＝h_b,iH，H_c,i＝h_c,iH (3)

式中，下标f，s分别表示传热工质(fluid)与固体填料(solid)；下标a，b，c分别表示基础填料、蓄热量提高填料和调节填料；下标i表示每一类填料中的第i种填料；Q为蓄热量，J；ρ为密度，kg.m^-3；c_p为定压比热容，J.kg^-1.K^-1；T₂为高温传热工质设计温度，℃；T₁为低温传热工质设计温度，℃；h为填料填充比例；ε为填料孔隙率；r为蓄热器径高比值；H为蓄热器总高度，m；D为蓄热器直径，m；A、B、C分别表示基础填料的种数、蓄热量提高填料的种数、调节填料的种数；H_a、H_b、H_c为三类填料填充高度，m；h_a、h_b、h_c为三类填料填充比例。

本发明的单罐多层填充床蓄热器的关键设计对象和参数包括：填料的优选、各填料的填充次序以及填充厚度优化设计、蓄热器高度H和直径D设计。

本发明的单罐多层填充床蓄热器的工作过程为：在充热过程中，温度为T₂的高温传热工质从上部流道流入，经过工质分配器进入到填充床区域。在填充床区域内，高温工质加热固体填料，将热能传递给填料并储存起来，被冷却后的低温工质则由下部流道流出。充热过程结束时，蓄热器中充满了温度为T₂的传热工质与固体填料；在放热过程中，温度为T₁的低温传热工质从下部流道流入，经过工质分配器后进入填充床区域。在填充床区域内，储存于高温填料中的热能传递给低温工质，被加热后的低温工质则从上部流道流出并带走热能。

本发明控制斜温层厚度扩展的作用原理为：(1)传热工质在充、放热过程中，其斜温层高温界面位置H(T_crit,h)与低温界面位置H(T_crit,l)的移动速度不同，且与填料的种类有关；(2)H(T_crit,h)与H(T_crit,l)的移动速度差造成了传热工质斜温层的出现以及扩展；(3)通过优化设计各填料的填充次序与填充厚度可调控填充床中H(T_crit,h)与H(T_crit,l)的移动速度差，从而实现对斜温层厚度扩展的控制。

本发明的设计方法主要包括三个要点：(1)填料的选择与填充次序的确定(2)蓄热器结构参数的设计计算(3)根据设计要求对蓄热器结构的调整。

三类填料按上述要求依次填充的原因为：(1)在每类填料中，采用填料颗粒直径从小到大由下至上依次填充的方法，一定程度上可防止上层填料颗粒受重力影响而掺混到下层填料孔隙中的情况出现；(2)将蓄热效率高、斜温层厚度扩展慢的调节填料放于顶层，蓄热量提高填料置于中层，能使中层蓄热密度大的蓄热量提高填料所储存的大量热能充分释放，从而有效提高蓄热效率；(3)在中层添加蓄热量提高填料可增大蓄热量，同时由于斜温层在蓄热量提高填料中的移动速度将小于其在基础填料中的移动速度，因而可达到在放热过程中减缓斜温层厚度扩展的目的。控制斜温层厚度扩展的具体过程为斜温层高温界面位置H(T_crit,h)进入蓄热量提高填料后，其移动速度减慢，而仍在基础填料中的低温界面位置H(T_crit,l)的移动速度不变，此时H(T_crit,h)与H(T_crit,l)的速度差将减小，斜温层厚度L_tc扩展速率将减缓。

设计过程中的参数定义、参数推荐值以及相关参数计算式：

(1)斜温层温度(T_tc,℃)范围：

式中，T_crit,h与T_crit,l分别表示斜温层高、低温界面的传热工质温度，℃；T₂与T₁为高、低温传热工质设计温度，℃。

(2)斜温层厚度(L_tc,m)：

式中，T_out表示传热工质出口处温度,℃；H(T)表示处于温度T的传热工质的高度位置，m。

(3)有效放热时间(t_d,h)为出口传热工质温度从开始放热到其降低到可保证发电系统正常运行的临界温度T_cr之间的放热时间。

(4)理想蓄热量(Q_i,J)：

式中，Q为蓄热量，J；ρ为密度，kg.m^-3；c_p为定压比热容，J.kg^-1.K^-1；h为填料填充比例；ε为填料孔隙率；下标f、s分别表示传热工质(fluid)与固体填料(solid)，a、b、c分别表示基础填料、蓄热量提高填料、调节填料，A、B、C分别表示基础填料的种类数目、蓄热量提高填料的种类数目、调节填料的种类数目。

(5)有效蓄热量(Q_flow,J)：

式中，q_f为传热工质质量流量，kg.s^-1。

(6)蓄热效率(η_m)：

η_m＝Q_flow/Q_i×100％ (8)

(7)填充床径高比D/H初始推荐值为0.6。

(8)三类填料的填充厚度初始推荐比例分别为h_a＝0.6、h_b＝0.2、h_c＝0.2。

(9)蓄热器高度H、直径D与各填料的填充厚度H_a,i、H_b,i、H_c,i的初步设计计算式：

H_a,i＝h_a,iH，H_b,i＝h_b,iH，H_c,i＝h_c,iH (3)

本发明的优点如下：

(1)将优选的三类填料按照基础填料、蓄热量提高填料、调节填料由下至上依次放置，并根据设计要求优化填料间的比例关系，以此实现对斜温层厚度的控制，从而达到提高蓄热性能(蓄热量、蓄热效率)的目的。

(2)本发明所设计的单罐多层填充床蓄热器，使用价格相对低廉的固体填料作为主要储热材料，与传统的只使用价格相对高昂的液体传热工质为储热材料的蓄热器相比，可极大地减少工质的用量，从而有效降低投资成本。

(3)本发明所设计的单罐多层填充床蓄热器适用性广，既可用于太阳能热发电站中的蓄热系统，又可用于工业余热回收系统中，还可用于其他间歇式热能利用场合。

(4)本发明所设计的单罐多层填充床蓄热器储热温度范围广，通过合理选择传热工质可实现对各种温度范围内热能的存储。如，在低温储热系统中传热工质可以选择水；在中温储热系统中可以选择导热油、空气等；在高温储热系统中可以选择熔盐、金属流体等。

附图说明

图1为单罐多层填充床蓄热器结构示意图；

图2为单罐填充床蓄热器填充床计算区域示意图；

图3为单罐多层填充床蓄热器设计方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图3，以单罐三层填充床蓄热器的设计过程为例说明其具体设计方法：

1)确定待设计的单罐填充床蓄热器的最小有效蓄热量Q_min、最低蓄热效率η_min；

2)建立单罐填充床蓄热器的物理模型

本发明所涉及的单罐填充床蓄热器三层结构为如图1所示，由进出口流道1、2、工质分配器3、罐壁4与多层填充床5组成。填充床由三种固体多孔填料依次分层放置组成。蓄热器高为H，直径为D。蓄热器壁面外铺设厚为d_i硅酸铝纤维棉作为保温材料，保温性能良好，壁面可视为绝热壁面。在放热过程中，初始时刻蓄热器中充满了温度为T₂的传热工质与固体填料。在放热过程中，温度为T₁的低温传热工质从下部流道流入，经过工质分配器后进入填充床区域。在填充床区域内，储存于高温填料中的热能传递给低温工质，低温工质被加热，同时高温工质从上部流道流出并带走热能。

步骤2中根据工程实际条件以及运行工况，已知参数为：T₁、T₂、d_i。未知参数为：H、D。

3)建立单罐填充床蓄热器的二维、瞬态、轴对称多孔介质内流动传热数值模型

针对以上物理模型，选取如图2所示的填充床区域为数值模型计算区域。为简化计算进行如下假设：(1)蓄热器内无周向流动和传热；(2)固体填料视为连续、均匀的多孔介质，工质在填充床区域是层流流动；(3)固体填料视为常物性。基于以上假设，建立了单罐填充床蓄热器的二维轴对称、瞬态、非热平衡流动传热模型。模型控制方程、边界条件与初始条件如下。

3-1)控制方程

液相传热工质连续方程：

液相传热工质动量方程：

液相传热工质能量方程：

固相填料能量方程：

体对流换热系数：

固相填料与液相传热工质有效导热系数：

k_all,eff＝k_f(k_s/k_f)^m+0.15k_fPrRe_p

m＝0.28-0.757logε-0.057log(k_s/k_f)

Re＝ud/ν,Pr＝ν/a

式中，下标f与s分别表示传热工质与固体填料，下标eff表示有效值，下标p表示无量纲参数；Re与Pr的特征尺度是填料颗粒当量直径d_p；ε为填料孔隙率，本例中假设三层填料的孔隙率相等；ρ为密度，kg.m^-3；c_p为定压比热容，J.kg^-1.K^-1；k为导热系数，W.m^-1.K^-1；为工质表观速度，m.s^-1；h_V为传热工质与固体填料的体对流换热系数，W.m^-3.K^-1；ν为液体粘度，m².s^-1；a为热扩散系数，m².s^-1。

3-2)边界条件及初始条件

边界条件：入口为均匀速度与温度边界条件；出口为充分发展边界条件；蓄热器中心线为对称边界条件；蓄热器壁面为绝热边界条件；进出口壁面截面为绝热边界条件；熔盐与壁面为无滑移边界条件。

初始条件：在放热初始时刻罐体内填料与传热工质温度相同且为T₂，处于热平衡状态。

4)优选出单罐三层填充床蓄热器的填料

4-1)对使用备选填料的单罐单层填充床蓄热器进行放热过程模拟计算

设定待确定蓄热器高度为H，直径为D，在固定进口流速u_in下，对使用备选填料的单层填充床蓄热器放热过程进行模拟计算，并计算各蓄热器的蓄热性能，包括：有效蓄热量Q_flow、单层蓄热器蓄热效率η_s、传热工质斜温层的高、低温界面(H(T_crit,h)、H(T_crit,l))的移动速度、斜温层厚度(L_tc)的发展。

4-2)根据蓄热性能标准筛选出符合要求的填料

该三层填充床蓄热器填料基本要求：蓄热效率η_s≥η₁、ρ_sc_ps≥M₁

4-3)将符合要求的填料进行分类

根据对备选填料的蓄热性能分析，将填料分为三类：

a基础填料：η₁≤η_s≤η₂、M₁≤ρ_sc_ps<M₂且工程常用、价格便宜(如石英岩)；

b蓄热量提高填料：η_s≥η₁、ρ_sc_ps≥M₂；

c调节填料：η_s>η₂、M₁≤ρ_sc_ps≤M₂且斜温层厚度扩展慢。

本实施例中，取η₁＝80％、η₂＝90％、M₁＝2000kJ.m^-3.K^-1、M₂＝4000kJ.m^-3.K^-1。

4-4)优选出单罐三层填充床蓄热器的填料

根据η_s最高、ρ_sc_ps最大、价格最低三个指标在三类填料中分别选出最优填料，优选出的三种填料作为三层填充床蓄热器的三种填料。

步骤4中已知参数为：各种填料物性及几何参数，假设的H、D以及工程实际工况进口流速u_in。需通过计算得到的参数为：Q_flow、η_s、L_tc(t)与H(T_crit,h)、H(T_crit,l)的移动速度。

5)初步确定三层填充床蓄热器的结构参数

根据最小有效蓄热量Q_min、最低蓄热效率η_min以及所选填料的物性参数，可按下式估算出所需的理想蓄热量大小。

径高比值取D/H＝0.6；填充厚度比例值分别取h_a＝0.6，h_b＝0.2，h_c＝0.2。

根据上述推荐值，按下式计算出蓄热器高度H与直径D。

根据H与h_a、h_b与h_c，按下式计算出三种填料的填充厚度。

步骤5中需通过计算获得三层填充床蓄热器的初步设计参数，分别为蓄热器高度H和直径D，三种填料的填充厚度H_a、H_b与H_c。

6)对三层填充床蓄热器放热过程进行模拟计算并分析其蓄热性能

采用步骤3所建立的计算模型，模拟该三层填充床蓄热器的放热过程，其中各填料区域的固相物性参数按该填料的具体参数进行计算。记录每隔时间步长Δt时罐体中传热工质温度场以及出口工质温度T_out。放热过程模拟结束后，根据数据获得个时刻的H(T_crit,h)、H(T_crit,l)、L_tc以及T_out值，同时计算该三层填充床蓄热器的有效蓄热量Q_flow和蓄热效率η_m。

η_m＝Q_flow/Q_i×100％

式中，q_f为传热工质质量流量，kg.s^-1。

7)判断三层填充床蓄热器的蓄热效率η_m是否符合要求

7-1)若η_m≥η_min，则该三层填充床蓄热器蓄热效率较高于最低蓄热效率，满足设计要求，进行步骤8)。

7-2)若η_m<η_min，则该三层填充床蓄热器蓄热效率低于最低蓄热效率，不满足设计要求。那么接着采用增加底层基础填料与顶层调节填料的填充厚度，减小中层蓄热量提高填料填充厚度的方法，来控制斜温层的厚度扩展，以此达到增大蓄热效率的目的。三种填料的填充厚度改变方法参下式。重复步骤6)与7)，直至蓄热效率满足设计要求，随后接着进行步骤8)的计算。

H′_a＝1.02H_a，H′_b＝H-H′_a-H′_c，H′_c＝1.10H_c

8)判断三层填充床蓄热器的蓄热量Q_flow是否符合要求

根据步骤7)所设计的三层填充床蓄热器的有效蓄热量Q_flow，判断该三层填充床蓄热器是否满足设计要求。

8-1)若Q_flow≥Q_min，则该三层填充床蓄热器的有效蓄热量大于最小有效蓄热量，即满足设计要求，至此设计结束。

8-2)若Q_flow<Q_min，则该三层填充床蓄热器的有效蓄热量小于最小有效蓄热量，即不满足设计要求。那接着采用D'＝D·(Q_min/Q_flow)^0.5增加蓄热器直径至D′来增大蓄热体积，以此达到增加蓄热量的目的。重复步骤8，直至满足蓄热量要求为止，从而完成蓄热器设计。