一种单罐多层填充床蓄热器设计方法与流程

技术特征：

1.一种单罐多层填充床蓄热器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

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。

2.根据权利要求1所述的单罐多层填充床蓄热器设计方法，其特征在于：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：

2-1)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；

$\begin{array}{c}{Q}_i=Q_f+Q_s\\ Q_f=\frac{1}{4}{\mathrm{\&pi;D}}^{2}H(T_2-T_1)c_{p,f}{\mathrm{\&rho;}}_f(\underset{i=1}{\overset{A}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&epsiv;}}_{a,i}{h}_{a,i}+\underset{i=1}{\overset{B}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&epsiv;}}_{b,i}{h}_{b,i}+\underset{i=1}{\overset{C}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&epsiv;}}_{c,i}{h}_{c,i})\\ Q_s=\frac{1}{4}{\mathrm{\&pi;D}}^{2}H(T_2-T_1)\&lsqb;\underset{i=1}{\overset{A}{\&Sigma;}}(1-{\mathrm{\&epsiv;}}_{a,i})h_{a,i}{c}_{p,sa,i}{\mathrm{\&rho;}}_{sa,i}\\ +\underset{i=1}{\overset{B}{\&Sigma;}}(1-{\mathrm{\&epsiv;}}_{b,i})h_{b,i}{c}_{p,sb,i}{\mathrm{\&rho;}}_{sb,i}+\underset{i=1}{\overset{C}{\&Sigma;}}(1-{\mathrm{\&epsiv;}}_{c,i})h_{c,i}{c}_{p,sc,i}{\mathrm{\&rho;}}_{sc,i}\&rsqb;\end{array}---\left(1\right)$

2-2)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；

$\begin{array}{c}H={\left(\frac{Q}{r^2{\mathrm{\&eta;}}_{\min }K}\right)}^{\frac{1}{3}},D=r{\left(\frac{Q_i}{r^2{\mathrm{\&eta;}}_{\min }K}\right)}^{\frac{1}{3}}\\ K=\frac{1}{4}\mathrm{\&pi;}(T_2-T_1)\&lsqb;c_{p,f}{\mathrm{\&rho;}}_f(\underset{i=1}{\overset{A}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&epsiv;}}_{a,i}{h}_{a,i}+\underset{i=1}{\overset{B}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&epsiv;}}_{b,i}{h}_{b,i}+\underset{i=1}{\overset{C}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&epsiv;}}_{c,i}{h}_{c,i})\\ +\left(\underset{i=1}{\overset{A}{\&Sigma;}}\right(1-{\mathrm{\&epsiv;}}_{a,i})h_{a,i}{c}_{p,sa,i}{\mathrm{\&rho;}}_{sa,i}+\underset{i=1}{\overset{B}{\&Sigma;}}(1-{\mathrm{\&epsiv;}}_{b,i})h_{b,i}{c}_{p,sb,i}{\mathrm{\&rho;}}_{sb,i}+\underset{i=1}{\overset{C}{\&Sigma;}}(1-{\mathrm{\&epsiv;}}_{c,i}\left)h_{c,i}{c}_{p,sc,i}{\mathrm{\&rho;}}_{sc,i}\right)\&rsqb;\end{array}---\left(2\right)$

2-3)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。