太陽能熔鹽蓄熱罐蓄熱過程的性能研究

王 興，靳智平，劉宏麗

（山西大學(xué)，山西 太原 030006）

太陽能熔鹽蓄熱罐蓄熱過程的性能研究

王 興，靳智平，劉宏麗

（山西大學(xué)，山西 太原 030006）

對(duì)太陽能熔鹽蓄熱罐的熔化和蓄熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明相同蓄熱罐不同的加熱內(nèi)管間距對(duì)熔化和蓄熱過程有著顯著影響。其中，200mm管間距的蓄熱罐熔化和蓄熱過程較管間距為120mm的蓄熱快，并且溫度分布比較均勻。研究結(jié)論對(duì)蓄熱罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行具有一定的參考價(jià)值。

蓄熱罐；熔鹽；蓄熱；熔化；數(shù)值模擬

0 引言

太陽能光熱發(fā)電是利用集熱器將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，并通過常規(guī)熱力循環(huán)過程生產(chǎn)電能的一種綠色環(huán)保的發(fā)電新技術(shù)。太陽能光熱發(fā)電具有碳排放量幾乎為零、光電轉(zhuǎn)化率高、可連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電、調(diào)峰能力較強(qiáng)、與現(xiàn)有常規(guī)火電站及電網(wǎng)系統(tǒng)匹配性好、易于迅速實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展等一系列優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是在未來最有可能替代化石燃料發(fā)電的一種重要發(fā)電形式，具有良好的發(fā)展前景。

但目前太陽能光熱發(fā)電的發(fā)展也存在許多技術(shù)上的瓶頸問題：例如集熱器的聚光比一般較低，集熱溫度不高（中、低溫）造成熱效率較低；一次性初投資較高，發(fā)電成本較高，制約產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用；蓄熱儲(chǔ)熱難，制約系統(tǒng)供電的連續(xù)性和可靠性等。而高溫蓄熱、儲(chǔ)熱成為制約太陽能光熱發(fā)電發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題，亟待解決。

為了保證供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性[1]，太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)一般都會(huì)配置儲(chǔ)熱系統(tǒng)。而儲(chǔ)熱系統(tǒng)又普遍采用蓄熱罐作為儲(chǔ)熱元件，本文針對(duì)較為常用的圓柱形蓄熱罐，研究了兩種不同內(nèi)管間距對(duì)其蓄熱過程的影響。

1 模型的建立

1.1 圓柱形熔鹽蓄熱罐

本文針對(duì)實(shí)驗(yàn)用蓄熱裝置，開發(fā)了兩種不同內(nèi)管間距的圓柱形蓄熱罐，并對(duì)其啟動(dòng)過程的熔化和蓄熱情況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

圖1 兩種方案蓄熱罐結(jié)構(gòu)示意圖（mm）

圖1為太陽能熔鹽蓄熱器示意圖，蓄熱器主體是高度為 650 mm的不銹鋼圓柱體，規(guī)格為φ530×8，有效內(nèi)徑514mm，壁厚8mm。蓄熱器加熱內(nèi)管規(guī)格為φ34×2，有效內(nèi)徑30mm，壁厚2mm，同樣為不銹鋼材質(zhì)。其中，方案一中的內(nèi)管間距為120mm，方案二中的內(nèi)管間距為200mm。蓄熱器主體內(nèi)封裝太陽鹽（60%NaNO3+40%KNO3），用作蓄熱材料。加熱內(nèi)管中傳熱流體為高溫合成油，用來加熱、熔化熔鹽，為蓄熱罐熔鹽蓄熱。

1.2 問題描述

內(nèi)管中的傳熱流體為合成油，內(nèi)管與外側(cè)殼體之間為太陽鹽蓄熱材料。高溫合成油沿內(nèi)管從下部流入、從頂部流出。傳熱流體與內(nèi)管管壁換熱，內(nèi)管管壁再與外部熔鹽換熱，熔鹽逐漸熔化并儲(chǔ)存熱量。為了降低筒體外壁散熱損失對(duì)熔化和蓄熱的影響，筒體外壁需包裹絕熱材料。該系統(tǒng)所用合成油及熔鹽材料，其物性參數(shù)見表1。

表1 合成油及熔鹽物性參數(shù)

2 數(shù)學(xué)模型的建立

本文采用Fluent流體計(jì)算軟件對(duì)蓄熱罐熔鹽的熔化和蓄熱過程進(jìn)行模擬，數(shù)值計(jì)算中對(duì)模型做了如下假設(shè)。

a）忽略熔鹽相變材料固態(tài)和液態(tài)物性的不同。b）在熔化過程中忽略液態(tài)相變材料的自然對(duì)流。c）熔鹽材料充滿整個(gè)蓄熱罐，熔化過程忽略重力的影響。

2.1 求解模型的選擇

熔鹽熔化和蓄熱過程采用凝固和融化模型Solidification&Mention[2]，該模型在模擬相變過程中將整個(gè)計(jì)算區(qū)域看做多孔介質(zhì)，多孔介質(zhì)的多孔性被擴(kuò)展到整個(gè)區(qū)域的每個(gè)單元，計(jì)算中用單元中的液相分?jǐn)?shù)來表示熔化過程中相變材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。相變過程中固相所占的體積比逐漸減少，而液相所占的體積比逐漸增加，相變材料的多孔率也相應(yīng)地從0逐漸增加，當(dāng)相變材料完全熔化時(shí)，多孔性增加到1。

內(nèi)管流體區(qū)開啟標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon湍流模型，相變區(qū)則不考慮湍流的影響，采用非穩(wěn)態(tài)、隱式、分離求解器進(jìn)行求解[3]。

2.2 邊界條件及初始條件

合成油加熱內(nèi)管進(jìn)、出口：進(jìn)口采用速度進(jìn)口（velocity-inlet），速度設(shè)置0.5 m/s，溫度設(shè)置為673.15 K；出口由于出流邊界上壓力和速度均為未知，因此選擇自由出流（outflow）邊界。

圓柱形蓄熱罐外壁、頂蓋和底面[4]：邊界條件為壁面邊界條件（wall），壁厚為0mm，絕熱；加熱內(nèi)管壁和填充熔鹽材料區(qū)之間的交界面為耦合界面(coupled)，壁厚為0mm。

初始條件設(shè)置：沒有加熱前，熔鹽處于環(huán)境溫度之下，本文環(huán)境溫度設(shè)為20℃，因此熔鹽初始溫度取為293.15 K。

此外，為了得到蓄熱罐熔鹽熔化過程中溫度的變化規(guī)律以及液相率等參數(shù)，本文在迭代前對(duì)蓄熱罐熔鹽區(qū)的容積平均溫度和熔化液相率的容積積分值設(shè)置了監(jiān)視器，用來監(jiān)測(cè)整個(gè)熔化過程。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

圖2為2種不同方案蓄熱罐在不同時(shí)刻熔化過程的液相率分布情況。

圖2 兩種方案不同時(shí)刻液相率分布

由圖2可見，在加熱初期，內(nèi)筒周圍的熔鹽逐漸開始熔化，熔化沿著內(nèi)管徑向四周擴(kuò)散，兩種方案的熔化過程并沒有太明顯的區(qū)別。加熱72 000 s后，2個(gè)蓄熱罐的熔化范圍均大幅擴(kuò)大，其中方案二中的不同內(nèi)管熔化的熔鹽開始互相交匯，而在方案一中這一過程發(fā)生的要早得多，從圖中的對(duì)比可以直觀地看出，方案二的熔化速率要比方案一的快。加熱144 000 s后，這一結(jié)論更加明顯，方案二中的熔鹽已經(jīng)全部熔化，而方案一中的熔鹽在靠近蓄熱罐邊緣處尚有一個(gè)未熔化的圓環(huán)存在。同樣流速，同樣管徑，采用不同內(nèi)管間距，熔化過程卻大不相同，對(duì)這一結(jié)果分析認(rèn)為，在加熱初期，兩種不同結(jié)構(gòu)的蓄熱器熔化量都較少，換熱主要以導(dǎo)熱為主。隨著熔鹽熔化量逐漸增加，換熱也由初期的單一導(dǎo)熱轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)熱與熱對(duì)流共存的綜合換熱。而在方案一中，由于管間距較小，熔鹽液相之間相互影響較早，降低了內(nèi)管與與熔鹽之間的換熱溫差，也就降低了相應(yīng)的換熱量。而方案二中內(nèi)管間距較大，內(nèi)管間互相干擾發(fā)生的較晚。因此，方案二的蓄熱效果要優(yōu)于方案一。

圖3為兩種方案蓄熱罐在不同時(shí)刻熔化過程的溫度分布。從圖中可以看出，加熱初期換熱主要以導(dǎo)熱為主，換熱強(qiáng)度小，只有內(nèi)管周圍的熔鹽有一定的溫升，絕大部分熔鹽未熔化，溫度仍然為環(huán)境溫度293 K。當(dāng)加熱72 000 s后，比較兩種方案中蓄熱器的溫度分布可以發(fā)現(xiàn)，在方案一中，由于加熱內(nèi)管間距較小，加熱比較集中，在4根內(nèi)管包圍的中心區(qū)域出現(xiàn)了高溫區(qū)，溫度高達(dá)620 K左右，而中心區(qū)以外到蓄熱器邊緣的大部分區(qū)域，溫度分布在400～520 K之間，蓄熱器中心區(qū)與周圍邊緣出現(xiàn)了較大的溫度梯度。方案二由于內(nèi)管間距較大，加熱比較分散，只在內(nèi)管周圍出現(xiàn)相應(yīng)的高溫區(qū)域，4根內(nèi)管對(duì)蓄熱器中心和邊緣的影響相差不大，在蓄熱罐絕大部分區(qū)域溫度分布都比較均勻，溫度大致分布在500 K左右。加熱144 000 s后的溫度分布與加熱72 000 s非常相似，方案一中的溫度分布依然呈現(xiàn)中心區(qū)域高邊緣低的趨勢(shì)，邊緣尚有部分區(qū)域溫度低于熔化溫度493 K，說明還有部分熔鹽尚未熔化，這一情況與在圖2中對(duì)熔化過程的分析是一致的。方案二中的溫度分布依然比較均勻，只是溫度水平有所上升，由之前的500 K上升到580 K左右。整個(gè)區(qū)域溫度水平相對(duì)較高，同時(shí)溫度的分布也比較均勻，進(jìn)一步說明方案二的蓄熱效果優(yōu)于方案一。

圖3 兩種方案不同時(shí)刻溫度分布

圖4和圖5分別為熔鹽區(qū)的熔化率曲線和平均溫度曲線。圖4的結(jié)果表明，在加熱初期，方案一中的熔鹽熔化速率要大于方案二的熔化速率，這是由于在方案一中，加熱內(nèi)管間距較小，加熱比較集中，因此在加熱初期呈現(xiàn)出熔化量大于方案二這一特性。但隨著加熱過程的進(jìn)行，方案一中4根內(nèi)管的加熱過程相互影響的較早，在中心出現(xiàn)了一個(gè)高溫區(qū)，降低了加熱內(nèi)管與熔鹽間的換熱溫差，換熱效率隨之下降。而方案二中內(nèi)管管間距較大，內(nèi)管之間相互影響發(fā)生的較晚，因此在加熱后期呈現(xiàn)出方案二中的熔化速率大于方案一，這與在圖2中液相分布所反映的情況是相一致。另外，比較加熱140 000 s兩種方案中熔鹽的熔化率，方案二中的熔鹽幾乎已經(jīng)全部熔化，而方案一熔鹽的熔化率大概在65%左右，這也說明方案二的蓄熱速率要明顯快于方案一。

圖4 兩種方案不同時(shí)刻熔化率分布曲線

圖5 兩種方案不同時(shí)刻熔鹽溫度分布曲線

通過圖5比較兩種方案熔鹽區(qū)的平均溫度可以發(fā)現(xiàn)，加熱10 000 s以前，兩個(gè)蓄熱罐的溫度值幾乎是一樣的，10 000 s以后方案二中的溫度值逐漸高于方案一。這是因?yàn)橛?jì)算中對(duì)熔鹽區(qū)溫度統(tǒng)計(jì)的是整個(gè)熔鹽區(qū)域的加權(quán)平均值，而不是單指熔鹽的熔化區(qū)域，在方案二中，由于加熱內(nèi)管間距較大，相互之間的影響較晚，中心未出現(xiàn)明顯的高溫區(qū)，換熱溫差大，因此蓄熱效果好，而這一現(xiàn)象剛好也驗(yàn)證了圖3中兩種方案中溫度分布所反映的情況。

4 結(jié)論

采用Fluent流體計(jì)算軟件中的凝固和融化模型對(duì)太陽能熔鹽蓄熱罐的熔化和蓄熱過程進(jìn)行的數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，相同的蓄熱罐、相同規(guī)格的加熱內(nèi)管，內(nèi)管采用不同的管間距對(duì)熔化和蓄熱過程具有顯著的影響，采用120mm內(nèi)管間距的蓄熱罐在加熱初期熔化較快，但從整個(gè)熔化過程來看，蓄熱罐采用200mm內(nèi)管間距更有利于加快熔鹽的熔化和蓄熱。另外較大的內(nèi)管間距在加熱過程中蓄熱比較均勻，蓄熱罐內(nèi)溫度的分布比較均勻，沒有較大的溫度梯度，這對(duì)降低熱應(yīng)力，改善熔鹽泵的工作環(huán)境是非常有利的。因此，在蓄熱罐的設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行中，要注意內(nèi)管間距對(duì)蓄熱過程的影響。

［1］ 李永亮，金翼，黃云，等.儲(chǔ)熱技術(shù)基礎(chǔ)（Ⅱ）——儲(chǔ)熱技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2013，2（2）：165-171.

［2］ 唐家鵬.FLUENT 14.0超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)［M］.北京:人民郵電出版社，2013.

［3］ 崔海亭，周慧濤，蔣靜智.用于儲(chǔ)存太陽能的相變蓄熱器蓄熱性能研究［J］.可再生能源，2013，31（12）：17-20.

［4］ 王輝濤，劉泛函，王建軍，等.相變蓄熱罐傳熱過程的數(shù)值模擬［J］.昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，37（6）：9-54.

Study on Thermal Storage Process of Solar Energy in M olten Salt Thermal Storage Tank

WANG Xing，JIN Zhiping，LIU Hongli
（Shanxi University，Taiyuan，Shanxi 030006，China）

By using numerical simulationmethod,themelting and thermalstorage processofmolten salt in the thermalstorage tank was studied.The results showed that tubes pitches have important influence on themelting process ofmolten salt in the same thermal storage tank.The tank with 200mm tubes pitches is of better storage ability than thatwith 120mm,and the temperature distribution in molten salt tank ismoreuniform.The resultswillprovidea reference to the structuraldesign and optimization of the thermalstorage tank.

thermalstorage tank；molten salt；thermalstorage；melting；numericalsimulation

TK513.5

A

1671-0320（2015）02-0050-04

2014-12-20，

2015-02-06

王 興（1983），男，山西大同人，2011年畢業(yè)于太原理工大學(xué)熱能工程專業(yè)，碩士，講師，從事電廠鍋爐設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的教學(xué)和研究；

靳智平（1962），男，山西定襄人，1983年畢業(yè)于太原理工大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，教授,從事電廠汽輪機(jī)及潔凈煤技術(shù)的教學(xué)和研究；劉宏麗（1969），女，山西陽城人，1991年畢業(yè)于南京理工大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)，副教授，從事暖通工程的教學(xué)和研究。