高溫熔融鹽為熱流體的單罐蓄熱性能研究

高溫熔融鹽為熱流體的單罐蓄熱性能研究

隨著能源危機(jī)、溫室效應(yīng)等環(huán)境問題日益嚴(yán)重，新能源和可支配能源的開發(fā)已成為世界共同主題。由于其對環(huán)境沒有污染、溫室氣體和能源再生的優(yōu)點(diǎn)，太陽能熱發(fā)電逐漸成為一個潛力巨大的可支配能源技術(shù)。簡單的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)存在太陽能發(fā)電周期和用電需求周期不匹配,太陽輻射能流密度的突然變化導(dǎo)致的系統(tǒng)熱應(yīng)力的劇烈變化等問題.為了提高發(fā)電效率、減少發(fā)電成本、提高太陽能熱電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性,則需要對太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)增加蓄熱裝置,以使系統(tǒng)在沒有太陽輻射能量的時候能繼續(xù)滿足發(fā)電需要.單罐蓄熱系統(tǒng)是指作為蓄熱介質(zhì)的冷流體和熱流體都儲存在一個單罐中,在蓄熱或放熱過程中,冷流體和熱流體會相互接觸,在接觸區(qū)域形成一個溫度斜溫層.斜溫層以上流體保持高溫,斜溫層以下的流體保持低溫,隨著換熱過程的進(jìn)行,斜溫層會上下移動,最后流出蓄熱罐.為了縮短斜溫層的距離,防止冷熱流體對流混合,增加蓄熱量,一般會在罐內(nèi)填充石英巖或石英砂等材料來增加斜溫層的效應(yīng).單罐蓄熱系統(tǒng)的好處是投資費(fèi)用比雙罐蓄熱系統(tǒng)節(jié)省了約35%,但是由于冷熱流體的導(dǎo)熱和對流作用,真正實現(xiàn)溫度分層有一定困難.Pacheco等對熔鹽作為蓄熱介質(zhì)的單罐槽式太陽能發(fā)電站進(jìn)行了分析研究,對斜溫層系統(tǒng)進(jìn)行了理論模擬和實驗分析,結(jié)果表明熔鹽斜溫層單罐蓄熱系統(tǒng)是一個可行的蓄熱方法.YangZhen等也對熔鹽斜溫層的熱性能和放熱效率進(jìn)行了分析.Abdoly等對水作為蓄熱介質(zhì)的斜溫層蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行了理論和實驗研究.雖然很多學(xué)者對蓄熱罐填充介質(zhì)的材料和蓄熱效率等進(jìn)行了研究,但如何較全面地評價蓄熱系統(tǒng)性能的研究卻較少.本研究對熔鹽作為傳熱流體的斜溫層單罐蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行了計算分析,從不同角度對蓄熱系統(tǒng)的蓄熱性能進(jìn)行了定義和研究,對主要影響蓄熱系統(tǒng)性能的填充介質(zhì)的物性進(jìn)行了比較分析,為進(jìn)一步研究系統(tǒng)性能提供了理論計算基礎(chǔ)。1填充材料的選擇和控制方程高溫熔融鹽單罐蓄熱系統(tǒng)的數(shù)值計算模型如圖1所示.蓄熱罐的高為2m,直徑為1m,熔鹽和填充介質(zhì)的初始溫度為573K,高溫熔鹽進(jìn)口溫度為773K.熔鹽進(jìn)口速度為0.001m/s.蓄熱初始時刻,蓄熱罐中充滿了573K的低溫熔鹽和多孔填充介質(zhì),蓄熱過程開始后773K的高溫熔鹽從頂部進(jìn)入蓄熱罐,經(jīng)過與多孔填充介質(zhì)的換熱后,推動低溫熔鹽流出蓄熱罐.計算過程中考慮了熔鹽變物性參數(shù)的影響,熔鹽的物性參數(shù)如下所示:比熱為1510J/(kg·K),導(dǎo)熱系數(shù)為0.571W/(m·K),熔鹽的密度與溫度的關(guān)系為ρ=1938.0-0.732(T-200.0)(1)式中:ρ為密度,T為溫度.熔鹽的黏度與溫度的關(guān)系為μ=exp[-4.343-2.0143(lnT-5.011)](2)式中:μ為黏度.蓄熱罐中的填充介質(zhì)為陶瓷、鋁硅合金和砂石,主要是考慮3種材料的導(dǎo)熱系數(shù)、密度和熱容對蓄熱性能的影響規(guī)律,從而選擇合適的填充材料.填充材料形狀都為球形,保持相同的孔隙率.填充介質(zhì)的主要物性參數(shù)如表1所示,計算控制方程如下.連續(xù)性方程:?(ερ)?t+Δ?(ρu)=0(3)?(ερ)?t+Δ?(ρu)=0(3)式中:ε為孔隙率;t為時間;u為流體速度.由于流動屬于層流范圍,動量控制方程采用Darcy定律方程:ρ?u?t+ρ?(u?uε)=??(εp)?εμKu(4)ρ?u?t+ρ?(u?uε)=-?(εp)-εμΚu(4)式中:p為壓力,其中滲透率K可按照下式進(jìn)行計算:K=ε3d2s15(1?ε)2(5)Κ=ε3ds215(1-ε)2(5)式中:ds為填充顆粒直徑.能量方程:(ρcp)m?T?t+(ρcp)fu??T=?(ρcp)m?Τ?t+(ρcp)fu??Τ=?·[ue84aSymbollApm?T](6)式中:(ρcp)m=(1-ε)(ρcp)s+ε(ρcp)f;ue84aSymbollApm=(1-ε)·ue84aSymbollAps+εue84aSymbollApf;cp為比熱;ue84aSymbollAp為導(dǎo)熱系數(shù);下標(biāo)s表示填充材料;f表示傳熱流體;m表示平均值.文中采用Fluent6.2流體力學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計算,Gambit網(wǎng)格劃分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,邊界類型定義進(jìn)口邊界為VelocityInlet,出口邊界為Outflow,其它邊界為Wall,管內(nèi)流體為Fluid和多孔介質(zhì)區(qū)域.求解采用分離式求解器,層流模型、壓力-速度耦合為Simple算法,壓力、動量和能量采用二階迎風(fēng)格式.采用非穩(wěn)態(tài)迭代求解,總共蓄熱時間設(shè)定為40min.2評估蓄熱性能的方法2.1初始溫度tini在單罐蓄熱系統(tǒng)中,一般蓄熱進(jìn)口溫度和流量保持恒定值,出口溫度隨著時間而變化.蓄熱過程中,當(dāng)出口溫度與熔鹽初始溫度相同時,說明蓄熱罐的蓄熱能力最大,當(dāng)出口溫度與進(jìn)口溫度相同時,說明蓄熱罐已經(jīng)沒有蓄熱能力了.因此文中以熔鹽進(jìn)出口溫度差與進(jìn)口溫度和初始溫度差的比值的大小來定義蓄熱罐的蓄熱能力.η1(t)=Tin?Tout(t)Tin?Tini(7)η1(t)=Τin-Τout(t)Τin-Τini(7)式中:η1為蓄熱罐蓄熱效率;Tini為初始溫度;Tin、Tout為流體進(jìn)出口溫度.上式表明在初始時刻,出口溫度和初始溫度相同,其蓄熱能力為最大值1.隨著蓄熱時間的增加,當(dāng)出口溫度與進(jìn)口溫度相同時,蓄熱罐沒有繼續(xù)增加蓄熱量的能力,其蓄熱能力為0.Zurigat等定義斜溫層蓄熱器的蓄熱效率如下:ηZG=∫td0m˙cp|Tout?Tin|dtmstorecp|Tin?Tini|(8)ηΖG=∫0tdm˙cp|Τout-Τin|dtmstorecp|Τin-Τini|(8)式中:m˙m˙為質(zhì)量流量;mstore為罐體總質(zhì)量.從上面蓄熱效率的定義可知隨蓄熱時間增加,其蓄熱效率從0逐漸增加到1,反映了瞬時蓄熱量與最大蓄熱量隨時間增加而變化的規(guī)律.但其不能反映出蓄熱能力的變化情況,當(dāng)出口溫度與進(jìn)口溫度相同時,說明蓄熱罐已經(jīng)達(dá)到最大蓄熱能力,不能使蓄熱量繼續(xù)增加,但上式定義的蓄熱效率卻達(dá)到最大值1.2.2對蓄熱罐體熵控制ds單罐斜溫層蓄熱過程中,由于高溫流體、低溫流體和多孔介質(zhì)材料之間的導(dǎo)熱和對流換熱過程會使系統(tǒng)的熵增加,隨著蓄放熱過程時間的增加,其總的熵產(chǎn)值也隨著增加.假設(shè)蓄熱罐與周圍環(huán)境沒有熱損失,其系統(tǒng)的熵的變化滿足以下方程:ΔSstore=ΔSin-ΔSout+ΔSg(9)式中:ΔSstore、ΔSin、ΔSout、ΔSg、ΔSflow分別表示罐體,流體進(jìn)、出口,系統(tǒng)和流體熵產(chǎn).那么ΔSg=ΔSstore-ΔSflow.在蓄熱時間為t的蓄熱過程中,對熵流,ΔSflow(t)=∫t0m˙(t){sin(t)?sout(t)}dt(10)ΔSflow(t)=∫0tm˙(t){sin(t)-sout(t)}dt(10)ΔSflow(t)=∫t0cp,fuAρflnToutTindt(11)ΔSflow(t)=∫0tcp,fuAρflnΤoutΤindt(11)式中:sin、sout分別表示流體進(jìn)、出口單位流量的熵產(chǎn);A為罐體截面積.對蓄熱罐熵變,ΔSstore(t)=∫mstore00mstore[s(t)-s(0)]dm(12)ΔSstore(t)=∫l0m˙store{cp,fε+cp,s(1?ε)}ΔSstore(t)=∫0lm˙store{cp,fε+cp,s(1-ε)}·lnT(t)Tinidl(13)lnΤ(t)Τinidl(13)式中:m為質(zhì)量,l為長度;s為單位質(zhì)量熵產(chǎn).隨著蓄熱過程的進(jìn)行,系統(tǒng)總熵產(chǎn)逐漸增加,當(dāng)出口溫度與進(jìn)口溫度相同時,蓄熱系統(tǒng)沒有對流和導(dǎo)熱的換熱過程,其熵產(chǎn)達(dá)到最大值.2.3蓄熱有效性的確定在單罐斜溫層蓄熱系統(tǒng)中,由于冷熱流體的導(dǎo)熱和對流作用所形成的斜溫層會降低系統(tǒng)的有效蓄熱量.因此斜溫層的存在會影響蓄熱罐的蓄熱有效性,這里定義蓄熱有效性為η2(t)=1?δ(t)L(14)η2(t)=1-δ(t)L(14)式中:δ為斜溫層的厚度,L為蓄熱罐的總長度.由式(14)可知,在初始時刻,斜溫層的厚度為0,其蓄熱有效性為1,隨著時間的增加,雖然蓄熱罐進(jìn)出口的溫度沒有變化,但斜溫層厚度卻逐漸增加,蓄熱有效性逐漸下降.因為在蓄熱的最后階段,斜溫層有一部分已經(jīng)流出蓄熱罐,因此該公式要求蓄熱的時間內(nèi)能保證斜溫層是完整的.3結(jié)果和討論3.1蓄熱量t0cp蓄熱過程中,熔鹽進(jìn)出蓄熱罐的質(zhì)量流量保持定值,由于熔鹽的流動傳遞給蓄熱系統(tǒng)的熱量表示為:ΔQflow(t)=∫t0m˙(t){hin(t)?hout(t)}dt(15)ΔQflow(t)=∫0tm˙(t){hin(t)-hout(t)}dt(15)ΔQflow(t)=∫t0cp,fuAρf(Tin-Tout)dt(16)式中:ΔQ為蓄熱量;h為焓.因此熔鹽放出的熱量可以通過計算得到.對蓄熱罐體中的多孔介質(zhì)和流體進(jìn)行分析,其溫度由初始溫度升高到最終溫度,那么蓄熱罐吸熱的熱量為ΔQstore(t)=[cp,fεALρf+cp,s(1-ε)·ALρp,s]{Taverage(t)-Tinitial}(17)式中:Taverage、Tinitial分別為平均和初始溫度.因此蓄熱罐吸收的熱量可以通過數(shù)值模擬得到.根據(jù)熱量平衡原理,放出的熱量應(yīng)該等于吸收的熱量ΔQflow(t)=ΔQstore(t)(18)圖2為當(dāng)多孔介質(zhì)為陶瓷時,ΔQflow和ΔQstore隨著時間變化的規(guī)律圖.由圖可知,ΔQflow和ΔQstore基本保持一致,說明模擬計算過程中蓄熱罐的溫度分布規(guī)律基本是正確的,也驗證了模型的有效性.3.2多孔填充材料對蓄熱過程的影響圖3為當(dāng)多孔材料為陶瓷的時候,不同蓄熱時刻沿著高度方向的溫度分布.可以看出在不同的蓄熱時刻,高度方向上溫度都由773K過渡到573K,而且隨著蓄熱時間的增加,斜溫層逐漸向下移動,最后移出蓄熱罐,蓄熱罐被高溫流體充滿,完成蓄熱過程.同時可以看出斜溫層厚度逐漸增加,也就是溫度梯度逐漸減少.圖4為不同填充介質(zhì)的時候,其出口截面的溫度隨著時間的變化關(guān)系.由圖可知在蓄熱過程的大部分時間,出口截面的溫度都為573K.當(dāng)多孔材料為砂石的時候,其出口截面溫度首先上升,進(jìn)行到1600s時,溫度已經(jīng)達(dá)到了773K,完成了整個蓄熱過程.當(dāng)多孔材料為陶瓷時候,溫度分布規(guī)律與砂石類似,但完成蓄熱過程要增加約400s的時間.當(dāng)多孔材料為鋁硅合金時,蓄熱進(jìn)行到大約1000s左右,出口溫度由573K逐漸增加,但是到了2400s的時候,其溫度仍然沒有接近773K,說明其完成蓄熱過程需要更長的蓄熱時間.3.3多孔介質(zhì)中蓄熱量的影響蓄熱罐所能儲存的熱量是評價蓄熱罐蓄熱能力的一個重要指標(biāo).由圖5可知,蓄熱開始后的一段時間內(nèi),不同多孔材料的蓄熱量都相同.當(dāng)多孔介質(zhì)為砂石時,首先達(dá)到最大蓄熱量,但其值最小,這主要是因為砂石的單位體積熱容較小的原因.當(dāng)材料為陶瓷時,其最大蓄熱量要大于砂石的蓄熱量.當(dāng)多孔介質(zhì)為鋁硅合金時,最后階段的蓄熱量雖然沒有保持定值,但其蓄熱量要大于多孔介質(zhì)為陶瓷時候的蓄熱量,這主要是因為鋁硅合金的單位體積熱容較大.因此,單位體積熱容是決定最大蓄熱量的主要因素,但同時要考慮其所需要的時間.3.4口溫度的大小圖6為不同填充介質(zhì)時的蓄熱能力隨著時間的變化關(guān)系.由于蓄熱能力和出口溫度有關(guān),因此蓄熱能力從一方面反映了出口溫度的大小。從圖中可以看出,由于導(dǎo)熱系數(shù)和體積熱容的不同造成溫度梯度的不同,從而造成蓄熱能力的不同.在初始階段蓄熱能力都為1,導(dǎo)熱系數(shù)大的鋁硅合金的蓄熱能力首先開始下降,而且其下降斜率較小.導(dǎo)熱系數(shù)較小的陶瓷和砂石下降斜率相同,但熱容較小的砂石首先由1變?yōu)?,完成蓄熱過程.因此應(yīng)選擇導(dǎo)熱系數(shù)較小的材料作為填充材料.3.5不同填充介質(zhì)對總熵產(chǎn)的影響圖7為不同蓄熱介質(zhì)在不同蓄熱時刻的系統(tǒng)總熵產(chǎn)圖.由圖可知,熵產(chǎn)隨著時間的增加而增加,這主要是時間的增加使不可逆換熱過程持續(xù)進(jìn)行.當(dāng)填充介質(zhì)為陶瓷和砂石時候的熵產(chǎn)要明顯小于填充介質(zhì)為鋁硅合金時所產(chǎn)生的熵產(chǎn),這主要是因為鋁硅合金的導(dǎo)熱系數(shù)較大,從而使導(dǎo)熱傳熱傳播更深,熵產(chǎn)增大,不可逆性增大.陶瓷的熵產(chǎn)要高于砂石的熵產(chǎn),這主要是由于陶瓷的比熱容較大使傳熱持續(xù)的時間更長.可見蓄熱量大的介質(zhì),其系統(tǒng)的熵產(chǎn)也較大.3.6不同蓄熱介質(zhì)對熱有效性的影響圖8為基于斜溫層厚度定義的蓄熱有效性隨時間的變化關(guān)系.由圖可知,隨著時間增加,蓄熱有效性明顯降低,這主要是由于隨著蓄熱過程的進(jìn)行,斜溫層厚度逐漸增加的緣故.硅鋁合金的蓄熱有效性明顯低于其他介質(zhì),說明其斜溫層厚度非常大.當(dāng)蓄熱介質(zhì)為砂石的時候,其蓄熱有效性要略低于陶瓷的蓄熱有效性,說明在蓄熱過程中比熱容大的介質(zhì)的斜溫層厚度較小.4不同導(dǎo)熱系數(shù)時系統(tǒng)的蓄熱行為文中從