一种多层堆积球储热器的设计方法技术

一种多层堆积球储热器的设计方法，首先，根据使用温度范围、熔点、导热系数、比热容等条件，对储热材料进行筛选。然后，进行堆积球储热器的热力学计算：根据储热材料、换热流体、封装材料和罐体材料等物性参数建立传热流体和储热球之间的Dispersion‑Concentric传热模型，对储热器多次充热‑放热循环的热力学计算，获得多个循环周期内的充放热规律及任意位置、任意时刻的温度分布。最后，对储热器进行性能分析：计算各次循环中储热材料的储热量及放热量，以及充放热效率等评价指标，并对储热器的效果进行评价，最终完成储热器的设计。本发明专利技术可迅速有效地进行多层堆积球储热器结构与热性能设计，为储热器的制造提供指导，有效降低企业开发周期与成本。

A design method of multilayer stacked ball heat storage

【技术实现步骤摘要】
一种多层堆积球储热器的设计方法
本专利技术属于太阳能热能存储以及利用领域，具体涉及一种多层堆积球储热器的设计方法。
技术介绍
太阳能作为一种主要的可再生能源，具有丰富、清洁以及易获取等特点，有效利用太阳能是解决目前全球面临的能源危机的方法之一。而太阳能具有波动和不稳定的缺点，在聚光-集热-发电环节中增加储热环节，能够有效缓解太阳能的波动问题。储热设备能够在日照条件较好时对多余的热能进行存储，而在太阳辐射大幅度波动时维持较恒定的能量输出，在夜间或阴雨天向外供给能量，从而提高能源利用效率。堆积球储热器通过流体直接冲刷储热球从而传递热量的方式，大大增加了换热面积，是一种高效的储热设备。不仅如此，而且相比于双罐系统，节省了一个罐体，能够缩减成本、减少占地体积和系统的复杂性，因此堆积球储热器受到了广泛的关注，具有很高的应用价值。然而，堆积球储热器中可以选择的材料众多，既可以使用各种价格低廉的固体填料进行显热蓄热，也可以选择填充高储热密度的相变储热材料的堆积球。根据大量文献总结，涵盖低温至高温储热环境中可用作储热材料的各种材料多达一千多种，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多层堆积球储热器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：/n1)根据储热器设计参数要求选择使用温度范围、熔点、导热系数、比热容与之对应的一种或多种符合储热器设计参数要求的备选储热材料；/n2)确定储热器运行时的运行参数，确定备选的一种或多种换热流体、储热材料、封装材料、保温材料，确定备选的一套或多套储热器基本几何结构参数后，分别根据各层储热体的高度、粒径、孔隙率、储热材料物性建立多层储热体的物理模型和Dispersion-Concentric传热模型；/n储热器运行时的运行参数包括：/n

【技术特征摘要】
1.一种多层堆积球储热器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据储热器设计参数要求选择使用温度范围、熔点、导热系数、比热容与之对应的一种或多种符合储热器设计参数要求的备选储热材料；
2)确定储热器运行时的运行参数，确定备选的一种或多种换热流体、储热材料、封装材料、保温材料，确定备选的一套或多套储热器基本几何结构参数后，分别根据各层储热体的高度、粒径、孔隙率、储热材料物性建立多层储热体的物理模型和Dispersion-Concentric传热模型；
储热器运行时的运行参数包括：



储热材料的物性参数包括：






储热器基本几何结构参数包括：



3)求解换热流体与储热材料之间的传热过程：充放热过程均在出口温度达到阈值温度或运行时间达到阈值时间时结束计算，得到多个循环周期内的充放热规律及温度数据后，计算各次循环中储热材料的储热量及放热量，以及充放热效率评价指标；
4)根据储热材料、封装材料、罐体材料及保温材料的成本，计算储热器的总成本和平均储放热成本的评价指标；
5)判断各评价指标是否达到设计目标要求，若不满足要求，则重新选择各层储热材料或调整基本几何结构参数返回步骤2)继续计算，直至满足设计要求为止；
其中评价指标包括：





2.根据权利要求1所述的多层堆积球储热器的设计方法，其特征在于：所述步骤2)建立Dispersion-Concentric传热模型：
2-1)换热流体HTF绕流堆积球的换热系数hp可采用Wakao关联式计算，即式(1)，式中Dp是堆积球外径，kHSM为储热材料导热系数，Re和Pr分别为换热流体的雷诺数和普朗特数，该关联式当雷诺数在15至8500的范围内有效：



2-2)采用式(2)计算换热流体的截面换热系数hv，式中ε是孔隙率：



2-3)储热体通过储热器壁面和保温层与外界发生热交换，造成热损失，热损失热阻由三部分串联构成，即从换热流体到储热器壁面的对流热阻、储热器壁面的导热热阻和保温层的导热热阻，采用式(3)计算储热体的热损失系数Uw，式中hinner为换热流体与储热器罐体内壁面对流换热系数，rinner为堆积床半径，kc为储热器罐体材料的导热系数，rw为储热器罐体半径，kinsul为保温层导热系数，router为保温层外半径，



采用Beek关联式计算换热流体与储热器罐体内壁面对流换热系数hinner，如式(4)所示，式中kHTF是换热流体的导热系数：



2-4)采用Gonzo关联式求解换热流体的有效导热系数keff，如式(5)所示，式中φ＝1-ε，β＝(kHSM－kHTF)/(kHSM+2kHTF)：



采用式(6)计算热扩散率αax，式中ρHTF是换热流体的密度，cp,HTF是换热流体的比热容：
αax＝keff/(ερHTFcp,HTF)(6)
2-5)建立换热流体和堆积球之间的换热控制方程，如式(7)所示，式中THTF是换热流体的温度，t是时间，x是沿储热器轴向的距离，TS,Ro是储热球外表面的温度，Tenv是环境温度，v是换热流体的流速，在计算充热过程时v＝vin,c，在计算放热过程时v＝vin,d：



以及堆积球内部的换热控制方程，如式(8)所示，式中TS是储热球的温度，r是半径：



若堆积球内部填充的储热材料为相变材料，则其导热系数和比热容分别使用式(9)和式(10)进行计算：






对于堆积球，有边界条件：






对于换热流体，有边界条件：



THTF＝Tin,c,x＝H
对于堆积球和换热流体，有初始条件：
T＝Tinit,t＝0


3.根据权利要求1所述的多层堆积球储热器的设计方法，其特征在于：所述步骤3)求解换热流体与储热材料之间的传热过程的求解方法如下：
3-1)使用中心差分法对控制方程进行离散，获得其全隐形式，并使用TDMA方法循环迭代求解，其中对于换热流体，采取轴向一维离散的方式，对于同一高度的堆积球，采取径向离散的方法，同一高度上换热...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志笃，袁帆，
申请(专利权)人：李志笃，袁帆，
类型：发明
国别省市：陕西;61