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(wèn)題日益嚴(yán)重，新能源和可支配能源的開(kāi)發(fā)已成為世界共同主題。由于其對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染、溫室氣體和能源再生的優(yōu)點(diǎn)，太陽(yáng)能熱發(fā)電逐漸成為一個(gè)潛力巨大的可支配能源技術(shù)。簡(jiǎn)單的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)存在太陽(yáng)能發(fā)電周期和用電需求周期不匹配,太陽(yáng)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(wèn)題.為了提高發(fā)電效率、減少發(fā)電成本、提高太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性,則需要對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)增加蓄熱裝置,以使系統(tǒng)在沒(méi)有太陽(yáng)輻射能量的時(shí)候能繼續(xù)滿(mǎn)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(chǔ)存在一個(gè)單罐中,在蓄熱或放熱過(guò)程中,冷流體和熱流體會(huì)相互接觸,在接觸區(qū)域形成一個(gè)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(guò)程的進(jìn)行,斜溫層會(huì)上下移動(dòng),最后流出蓄熱罐.為了縮短斜溫層的距離,防止冷熱流體對(duì)流混合,增加蓄熱量,一般會(huì)在罐內(nèi)填充石英巖或石英砂等材料來(lái)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(duì)流作用,真正實(shí)現(xiàn)溫度分層有一定困難.Pacheco等對(duì)熔鹽作為蓄熱介質(zhì)的單罐槽式太陽(yáng)能發(fā)電站進(jìn)行了分析研究,對(duì)斜溫層系統(tǒng)進(jìn)行了理論模擬和實(shí)驗(yàn)分析,結(jié)果表明熔鹽斜溫層單罐蓄熱系統(tǒng)是一個(gè)可行的蓄熱方法.YangZhen等也對(duì)熔鹽斜溫層的熱性能和放熱效率進(jìn)行了分析.Abdoly等對(duì)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(shí)驗(yàn)研究.雖然很多學(xué)者對(duì)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(píng)價(jià)蓄熱系統(tǒng)性能的研究卻較少.本研究對(duì)熔鹽作為傳熱流體的斜溫層單罐蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算分析,從不同角度對(duì)蓄熱系統(tǒng)的蓄熱性能進(jìn)行了定義和研究,對(duì)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(jì)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(jì)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(shí)刻,蓄熱罐中充滿(mǎn)了573K的低溫熔鹽和多孔填充介質(zhì),蓄熱過(guò)程開(kāi)始后773K的高溫熔鹽從頂部進(jìn)入蓄熱罐,經(jīng)過(guò)與多孔填充介質(zhì)的換熱后,推動(dòng)低溫熔鹽流出蓄熱罐.計(jì)算過(guò)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(duì)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(jì)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(shí)間;u為流體速度.由于流動(dòng)屬于層流范圍,動(dòng)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(jì)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(jì)算,Gambit網(wǎng)格劃分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,邊界類(lèi)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(dòng)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(shí)間設(shè)定為40min.2評(píng)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(shí)間而變化.蓄熱過(guò)程中,當(dāng)出口溫度與熔鹽初始溫度相同時(shí),說(shuō)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(shí),說(shuō)明蓄熱罐已經(jīng)沒(méi)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(lái)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(shí)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(shí)間的增加,當(dāng)出口溫度與進(jìn)口溫度相同時(shí),蓄熱罐沒(méi)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(shí)間增加,其蓄熱效率從0逐漸增加到1,反映了瞬時(shí)蓄熱量與最大蓄熱量隨時(shí)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(shí),說(shuō)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(duì)蓄熱罐體熵控制ds單罐斜溫層蓄熱過(guò)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(duì)流換熱過(guò)程會(huì)使系統(tǒng)的熵增加,隨著蓄放熱過(guò)程時(shí)間的增加,其總的熵產(chǎn)值也隨著增加.假設(shè)蓄熱罐與周?chē)h(huán)境沒(méi)有熱損失,其系統(tǒng)的熵的變化滿(mǎn)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(shí)間為t的蓄熱過(guò)程中,對(duì)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(duì)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(zhǎng)度;s為單位質(zhì)量熵產(chǎn).隨著蓄熱過(guò)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(shí),蓄熱系統(tǒng)沒(méi)有對(duì)流和導(dǎo)熱的換熱過(guò)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(duì)流作用所形成的斜溫層會(huì)降低系統(tǒng)的有效蓄熱量.因此斜溫層的存在會(huì)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(zhǎng)度.由式(14)可知,在初始時(shí)刻,斜溫層的厚度為0,其蓄熱有效性為1,隨著時(shí)間的增加,雖然蓄熱罐進(jìn)出口的溫度沒(méi)有變化,但斜溫層厚度卻逐漸增加,蓄熱有效性逐漸下降.因?yàn)樵谛顭岬淖詈箅A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(shí)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(guò)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(dòng)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(guò)計(jì)算得到.對(duì)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(guò)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(shí),ΔQflow和ΔQstore隨著時(shí)間變化的規(guī)律圖.由圖可知,ΔQflow和ΔQstore基本保持一致,說(shuō)明模擬計(jì)算過(guò)程中蓄熱罐的溫度分布規(guī)律基本是正確的,也驗(yàn)證了模型的有效性.3.2多孔填充材料對(duì)蓄熱過(guò)程的影響圖3為當(dāng)多孔材料為陶瓷的時(shí)候,不同蓄熱時(shí)刻沿著高度方向的溫度分布.可以看出在不同的蓄熱時(shí)刻,高度方向上溫度都由773K過(guò)渡到573K,而且隨著蓄熱時(shí)間的增加,斜溫層逐漸向下移動(dòng),最后移出蓄熱罐,蓄熱罐被高溫流體充滿(mǎn),完成蓄熱過(guò)程.同時(shí)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(shí)候,其出口截面的溫度隨著時(shí)間的變化關(guān)系.由圖可知在蓄熱過(guò)程的大部分時(shí)間,出口截面的溫度都為573K.當(dāng)多孔材料為砂石的時(shí)候,其出口截面溫度首先上升,進(jìn)行到1600s時(shí),溫度已經(jīng)達(dá)到了773K,完成了整個(gè)蓄熱過(guò)程.當(dāng)多孔材料為陶瓷時(shí)候,溫度分布規(guī)律與砂石類(lèi)似,但完成蓄熱過(guò)程要增加約400s的時(shí)間.當(dāng)多孔材料為鋁硅合金時(shí),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(shí)候,其溫度仍然沒(méi)有接近773K,說(shuō)明其完成蓄熱過(guò)程需要更長(zhǎng)的蓄熱時(shí)間.3.3多孔介質(zhì)中蓄熱量的影響蓄熱罐所能儲(chǔ)存的熱量是評(píng)價(jià)蓄熱罐蓄熱能力的一個(gè)重要指標(biāo).由圖5可知,蓄熱開(kāi)始后的一段時(shí)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(shí),首先達(dá)到最大蓄熱量,但其值最小,這主要是因?yàn)樯笆膯挝惑w積熱容較小的原因.當(dāng)材料為陶瓷時(shí),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(shí),最后階段的蓄熱量雖然沒(méi)有保持定值,但其蓄熱量要大于多孔介質(zhì)為陶瓷時(shí)候的蓄熱量,這主要是因?yàn)殇X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(shí)要考慮其所需要的時(shí)間.3.4口溫度的大小圖6為不同填充介質(zhì)時(shí)的蓄熱能力隨著時(shí)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(kāi)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(guò)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(duì)總熵產(chǎn)的影響圖7為不同蓄熱介質(zhì)在不同蓄熱時(shí)刻的系統(tǒng)總熵產(chǎn)圖.由圖可知,熵產(chǎn)隨著時(shí)間的增加而增加,這主要是時(shí)間的增加使不可逆換熱過(guò)程持續(xù)進(jìn)行.當(dāng)填充介質(zhì)為陶瓷和砂石時(shí)候的熵產(chǎn)要明顯小于填充介質(zhì)為鋁硅合金時(shí)所產(chǎn)生的熵產(chǎn),這主要是因?yàn)殇X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(shí)間更長(zhǎng).可見(jiàn)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(duì)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(shí)間的變化關(guān)系.由圖可知,隨著時(shí)間增加,蓄熱有效性明顯降低,這主要是由于隨著蓄熱過(guò)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(shuō)明其斜溫層厚度非常大.當(dāng)蓄熱介質(zhì)為砂石的時(shí)候,其蓄熱有效性要略低于陶瓷的蓄熱有效性,說(shuō)明在蓄熱過(guò)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(shí)系統(tǒng)的蓄熱行為文中從