一种单罐多层填充床蓄热器设计方法技术

本发明专利技术涉及一种单罐多层填充床蓄热器设计方法。首先，确定设计目标参数，即最小有效蓄热量与最小蓄热效率。随后，分别分析使用各备选填料的单层填充床蓄热器的蓄热性能(蓄热量、蓄热效率)，并对填料进行优选与分类。接着，根据所选填料的类别与颗粒直径，设计其在多层蓄热器中的填充位置。随后，根据设计目标参数及填料物性，初步设计多层蓄热器结构参数。然后，分析上述多层蓄热器蓄热效率，并根据最小蓄热效率设计要求调整各填料的填充比例。接着，分析调整后的多层蓄热器的有效蓄热量，并根据最小有效蓄热量设计要求调整蓄热器直径，从而完成单罐多层填充床蓄热器的设计。本方法可迅速有效地进行蓄热器设计，并可达到提高蓄热性能的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种单罐多层填充床蓄热器设计方法
本专利技术涉及热能存储技术，具体涉及一种单罐多层填充床蓄热器设计方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用的技术方案是：1)确定蓄热器的设计目标参数：最小有效蓄热量Qmin、最小蓄热效率ηmin；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Qmin与最小蓄热效率ηmin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ηm，若ηm≥ηmin，则该设计结果满足设计要求，那么接着进行步骤5)，若ηm<ηmin，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Qflow，若Qflow≥Qmin，则设计完成，若Qflow<Qmin，则根据最小有效蓄热量Qmin的设计要求，将蓄热器直径调整为原设计直径的(Qmin/Qflow)0.5倍，重复步骤5)，直至Qflow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Qmin与最小蓄热效率ηmin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Qi；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：Ha,i＝ha,iH，Hb,i＝hb,iH，Hc,i＝hc,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；cp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；Ha、Hb、Hc为三类填料填充高度，m；ha、hb、hc为三类填料填充比例。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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(Tcrit,h)与低温界面位置H(Tcrit,l)的移动速度不同，且与填料的种类有关；(2)H(Tcrit,h)与H(Tcrit,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(Tcrit,h)与H(Tcrit,l)的移动速度差，从而实现对斜温层厚度扩展的控制。本专利技术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，能使中层蓄热密度本文档来自技高网...

【技术保护点】
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

【技术特征摘要】
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Qmin、最小蓄热效率ηmin；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Qmin与最小蓄热效率ηmin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ηm，若ηm≥ηmin，则该设计结果满足设计要求，那么接着进行步骤5)，若ηm<ηmin，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Qflow，若Qflow≥Qmin，则设计完成，若Qflow<Qmin，则根据最小有效蓄热量Qmin的设计要求，将蓄热器直径调整为原设计直径的(Qmin/Qflow)0.5倍，重复步骤5)，直至Qflow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Qmin与最小蓄热效...

【专利技术属性】
技术研发人员：何雅玲，李梦杰，邱羽，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61