华北电力大学：新型太阳能混合蓄热罐的放热特性

　　针对单罐系统的放热效率普遍较低，在单罐的基础上进行改进，增加一个壳管式相变换热器，构成单罐混合蓄热罐。建立了单罐混合蓄热罐的数值模型，将数值模拟结果与实验结果进行对比，研究了相同情况下混合蓄热罐与常规斜温层蓄热罐在放热特性方面的差异，并探究入口熔融盐速度和石英石颗粒直径的变化对蓄热罐放热特性产生的影响。结果表明，在入口熔融盐速度uin=2.0×10–4m/s下，混合蓄热罐的放热性能比常规斜温层蓄热罐更优；随着入口熔盐速度的增加，蓄热罐的总放热时间、有效放热时间以及放热效率均下降，并且混合蓄热罐中不同速度与放热效率有一定的比例关系；相对于常规斜温层蓄热罐，石英石颗粒直径的变化对混合蓄热罐放热性能的影响很小。

　　在太阳能热发电蓄热系统中有两种较为普遍的设计方案，即双罐蓄热系统和单罐斜温层蓄热系统。与双罐蓄热系统相比，单罐斜温层蓄热系统仅使用一个蓄热罐且可以使用价格相对低廉的填充材料，因此单罐斜温层蓄热系统大概可以节约35%的初投资成本。2001年，美国Sandia国家实验室建造了一个蓄热容积为2.3MWh的单罐斜温层蓄热系统，首次对斜温层蓄热这一概念进行了评估，成功证明了熔融盐填充床斜温层蓄热系统的可行性，在此成功实验的基础上国内外的许多专家学者开展了一系列有关斜温层蓄热系统的研究工作。

　　尹辉斌等构建填充床熔融盐斜温层混合蓄热系统，通过实验来研究蓄热过程中熔融盐的流动与传热特性。杨小平等通过局部非热平衡模型下的能量方程对单罐斜温层蓄热罐展开数值模拟研究。ANGELINI等建立了填充床熔融盐斜温层蓄热系统的二维数值模型，使用该模型得到的结果与双罐蓄热系统进行效率比较，并讨论罐体形状因子对蓄放热效率的影响。HOFFMANN等提出了两个填充床斜温层蓄热罐的一维数值模型，并使用MATLAB进行求解。YANG等提出一个包括换热流体和填充材料的斜温层蓄热综合模型，来探究边界条件对斜温层蓄热特性的影响，并主要研究罐体壁面在不同热边界条件下放热效率和斜温层的变化特性。

　　XU等提出了一个填充床熔融盐斜温层蓄热系统的两相、二维、瞬态换热流动模型，并重点研究了蓄热系统在待命模式下壁面结构、环境空气流速对斜温层膨胀特性的影响。左远志等提出了一种结构较为新颖的斜温层混合蓄热系统，并一定程度证明了该混合蓄热系统的可行性。ZANGANEH等提出了一种由相变蓄热和斜温层蓄热两部分组成的新型蓄热系统，并使用一维动态换热模型对该系统进行模拟研究。左远志等提出的单罐混合蓄热罐的中段为斜温层显热蓄热，上段为高温壳管式相变换热器，下段为低温壳管式相变换热器，但在单罐上下侧增加两个壳管式相变换热器，无疑增加了蓄热罐的投资成本，甚至可能超过相同设计工况下双罐蓄热系统的投资成本。

　　针对上述研究所存在的问题，本文提出另外一种改良后的单罐混合蓄热罐，仅在常规斜温层单罐蓄热罐的上段增加一个壳管式相变换热器，增加该相变换热器的主要目的是增加蓄热罐的放热效率；同时，相变换热器的增加也可以在一定程度上增加蓄热罐的蓄热量。

　　1.1  物理模型

图1  填充床熔融盐斜温层混合蓄热罐工作原理示意图

图2  计算模型简化示意图

　　1.2  数学模型

　　1.3  数值计算方法及边界条件

　　1.4  模型正确性验证

图3  放热过程中出口温度随时间变化与文献[10]对比图

　　2.1  混合蓄热罐与常规斜温层蓄热罐放热特性对比

图4  放热过程中蓄热罐中心轴线处熔融盐温度分布

　　2.2  不同入口速度对放热特性的影响

　　2.2.1  入口速度对出口熔融盐温度的影响

图5  放热过程中出口熔融盐温度随时间变化曲线

图6  放热过程中相变蓄热段PCM液相率随时间变化曲线

 

图7  常规蓄热罐和混合蓄热罐不同入口速度下的放热效率

图8  不同入口速度下混合蓄热罐的总放热时间与有效放热时间

　　2.3  填充床石英石颗粒直径对放热特性的影响

　　2.3.1  石英石颗粒直径对蓄热罐出口熔融盐温度的影响

图9  放热过程中常规斜温层蓄热罐出口熔融盐温度

图10  放热过程中混合蓄热罐出口熔融盐温度

图11  不同颗粒直径下蓄热罐的放热效率

　　（1）在入口熔融盐速度为uin=2.0×10–4m/s下，对比相同条件下的常规斜温层蓄热罐与混合蓄热罐的放热特性可以得出，混合蓄热罐的放热时间更长、有效放热量更大、性能更佳。

　　（2）随着入口熔盐速度的增加，常规蓄热罐和混合蓄热罐的放热效率都在逐渐降低，但混合蓄热罐放热效率的下降速度更快，且混合蓄热罐与常规蓄热罐在相同入口速度下的放热效率差值在不断缩小。

　　（3）当入口熔盐速度为4.72×10–4m/s时，混合蓄热罐和常规蓄热罐的放热效率相等。即在本数值模型中，若选择的入口熔盐速度小于4.72×10–4m/s，则采用混合蓄热罐可以较好的优化蓄热罐的放热性能；若选择的入口熔盐速度大于4.72×10–4m/s，无论从经济性还是放热性能角度，都应选择常规斜温层蓄热罐。因此，在选择带有相变换热器的混合蓄热罐时，应选择一个合理的入口工质流速。

　　（4）随着入口熔盐速度的增加，蓄热罐的总放热时间和有效放热时间都在快速下降，并且有效放热时间占据总放热时间的比例急速下降，由入口速度为1.0×10–4m/s时的时间占比87.50%骤减到入口速度为6.0×10–4m/s时的时间占比57.59%。这也是造成蓄热罐放热效率快速下降的主要因素之一。

　　（5）填充床中石英石颗粒直径的改变对常规斜温层蓄热罐的放热性能产生较大影响，而对混合蓄热罐放热性能的影响则很小。

　　本文对太阳能混合蓄热罐放热特性的数值模拟研究，为蓄热罐的性能优化与实验研究提供了一定的参考依据，并对太阳能热发电蓄热系统的设计与发展具有一定指导意义。