太陽能&谷電加熱熔鹽蓄熱系統(tǒng)特性

李九如　董喜欣　陳巨輝　李欣

摘要：針對(duì)環(huán)境污染日益嚴(yán)重和電網(wǎng)谷峰差逐年加大給電網(wǎng)帶來安全隱患的兩個(gè)重大問題，結(jié)合熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)提出了太陽能&谷電加熱蓄能系統(tǒng)。太陽能&谷電加熱蓄能系統(tǒng)不僅具有良好的節(jié)能減排效果，還有很好的經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)熔鹽蓄熱技術(shù)傳熱規(guī)律研究較少的問題，理論計(jì)算了管道彎頭內(nèi)表面的對(duì)流換熱系數(shù)，并且采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，對(duì)不同尺寸彎頭在不同流速時(shí)表面對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行研究，分析了幾何形狀和流速對(duì)內(nèi)壁面對(duì)流換熱系數(shù)的影響程度。

關(guān)鍵詞：太陽能，谷電，熔鹽，灰色關(guān)聯(lián)度，表面對(duì)流換熱系數(shù)

中圖分類號(hào)：O359 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007-2683（2017）01-0080-06

0 引言

能源是人類進(jìn)步和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和能源的利用有著密不可分的關(guān)系。我國(guó)工業(yè)化和現(xiàn)代化進(jìn)程正向著深層次方向發(fā)展，這將對(duì)能源行業(yè)提出了更高的要求。我國(guó)能源結(jié)構(gòu)是以煤為主的化石燃料。化石燃料的大量使用造成我國(guó)各地污染嚴(yán)重。開發(fā)和利用可再生能源的可謂“迫在眉睫”。太陽能有儲(chǔ)量大、分布廣、清潔型、經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn)，被視為理想的替代能源。同時(shí)閱讀相關(guān)資料后知，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電網(wǎng)的谷峰值逐年加大，給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來一定的安全隱患，為削減谷峰差《電力法》第四十一條規(guī)定國(guó)家實(shí)行分時(shí)電價(jià)，同時(shí)，政府對(duì)符合條件的低谷電用戶給予政策補(bǔ)貼?；谌埯}蓄熱技術(shù)已在太陽能熱發(fā)電電站實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，考慮到開發(fā)利用可再生能源和削減電網(wǎng)谷峰差兩個(gè)問題。設(shè)計(jì)了太陽能&電加熱聯(lián)合加熱熔鹽系統(tǒng)。雖目前太陽能熔鹽蓄熱電站已實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，對(duì)于熔鹽蓄熱的傳熱規(guī)律研究較少同時(shí)，在北京工業(yè)大學(xué)馬重芳、吳玉庭等驗(yàn)證了經(jīng)典關(guān)聯(lián)式對(duì)高溫熔融鹽傳熱的適用性的基礎(chǔ)上，考慮熔融鹽的流動(dòng)與傳熱特性，直接關(guān)系到熔融鹽蓄熱循環(huán)系統(tǒng)和換熱器的設(shè)計(jì)與布置。

本文為解決管道彎頭的幾何形狀和熔鹽流速與彎頭內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的關(guān)系的問題。理論計(jì)算了管道彎頭內(nèi)表面的對(duì)流換熱系數(shù)，并采用灰色關(guān)聯(lián)分析的方法，比較了彎頭幾何要素和熔鹽流速分別對(duì)彎頭內(nèi)側(cè)表面對(duì)流傳熱系數(shù)的影響程度的大小關(guān)系。

1 太陽能&谷電加熱熔鹽蓄熱系統(tǒng)原理

本文設(shè)計(jì)的熔鹽蓄熱系統(tǒng)如圖1所示，太陽能&谷電加熱熔鹽系統(tǒng)的基本原理是將太陽能和谷電以熱能的形式儲(chǔ)存在熔鹽蓄熱介質(zhì)中，考慮到太陽能與谷電時(shí)間上的互補(bǔ)性，利用儲(chǔ)能技術(shù)解決了太陽能間歇性和谷電周期性和固定時(shí)間段的弊端，達(dá)到日間用低谷電、夜間用太陽能的效果儲(chǔ)存的熱能可作為吸收式空調(diào)的熱源和用于采暖。太陽能&谷電聯(lián)合蓄能系統(tǒng)由太陽能集熱器、電加熱器、高溫熔鹽罐、低溫熔鹽罐、循環(huán)管道等組成。系統(tǒng)采用雙熔鹽罐設(shè)計(jì)高溫熔鹽罐（罐內(nèi)熔鹽溫度550℃）主要作用為蓄熱作用；低溫的熔鹽流回低溫罐（罐內(nèi)熔鹽溫度300℃），主要作用為：①熔化固體鹽；②儲(chǔ)存液態(tài)熔鹽，熔鹽在系統(tǒng)中運(yùn)行的阻力由熔鹽泵克服。熔鹽蓄熱系統(tǒng)以混合熔鹽（60%硝酸鈉和40%硝酸鉀）作為傳熱和儲(chǔ)能介質(zhì)，混合熔鹽作為蓄熱材料其優(yōu)勢(shì)為：液體溫度范圍寬、黏度低、流動(dòng)性能好、蒸汽壓小、對(duì)管路承壓能力要求低、相對(duì)密度大、比熱容高、蓄熱能力強(qiáng)、成本較低等諸多優(yōu)點(diǎn)。

2 太陽能&谷電加熱熔鹽蓄熱系統(tǒng)與用能環(huán)節(jié)的匹配

太陽能是一種間歇性、不穩(wěn)定性的清潔能源，其能流密度受時(shí)間段、天氣情況、地理位置等諸多因素影響，同時(shí)蓄熱系統(tǒng)耗能模塊的能耗的變化會(huì)造成熔鹽蓄熱系統(tǒng)與耗能環(huán)節(jié)匹配不良。往往熔鹽蓄熱系統(tǒng)與用能環(huán)節(jié)匹配時(shí)需要依照用能環(huán)節(jié)的特性恰當(dāng)選用補(bǔ)償器進(jìn)行能源補(bǔ)償，因此匹配模式可分為

1）無補(bǔ)償理想模式

日間通過系統(tǒng)存儲(chǔ)的太陽能足以滿足夜間系統(tǒng)用能模塊的用能要求；夜間通過系統(tǒng)存儲(chǔ)的低谷電足以滿足日間系統(tǒng)用能模塊的用能要求。理想模式運(yùn)行模式下的熔鹽蓄熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了日問太陽能夜用，夜間低谷電日用，此種模式是理想模式。

2）補(bǔ)償器補(bǔ)償太陽能

①由于夜間耗能模塊工作量的加大導(dǎo)致夜間工業(yè)設(shè)備的耗能量超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)的日間存儲(chǔ)的太陽能能量；②由于天氣的不可控性和隨機(jī)性較大，日照量主要受天氣條件的影響因素較重，導(dǎo)致太陽能的系統(tǒng)輸入不穩(wěn)定，日間存儲(chǔ)的太陽能無法滿足夜間能量需求。

3）補(bǔ)償器補(bǔ)償?shù)凸入?/p>

相對(duì)于太陽能熔鹽系統(tǒng)電力供給相對(duì)穩(wěn)定，系統(tǒng)所裝配的電加熱爐的功率和數(shù)量是固定的，故此低谷電供給熔鹽系統(tǒng)的能量是穩(wěn)定的，熔鹽系統(tǒng)需要能量補(bǔ)給時(shí)主要由于日間耗能模塊工作量的加大導(dǎo)致日問工業(yè)設(shè)備的耗能量超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)的日間存儲(chǔ)低谷電的能量。

4）補(bǔ)償器補(bǔ)償太陽能及低谷電

①由于夜間耗能模塊工作量的加大導(dǎo)致夜間工業(yè)設(shè)備的耗能量超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)的日間存儲(chǔ)的太陽能能量；②由于天氣的不可控性和隨機(jī)性較大，日照量主要受天氣條件的影響因素較重，導(dǎo)致太陽能的系統(tǒng)輸入不穩(wěn)定，日間存儲(chǔ)的太陽能無法滿足夜間能量需求；③相對(duì)于太陽能熔鹽系統(tǒng)電力供給穩(wěn)定，系統(tǒng)所裝配的電加熱爐的功率和數(shù)量是固定的，故此低谷電供給熔鹽系統(tǒng)的能量是穩(wěn)定的，熔鹽系統(tǒng)需要能量補(bǔ)給時(shí)主要由于日間耗能模塊工作量的加大導(dǎo)致日問工業(yè)設(shè)備的耗能量超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)的日間存儲(chǔ)低谷電的能量。此種模式為最不理想模式。

太陽能和低谷電在熔鹽蓄熱系統(tǒng)與用能環(huán)節(jié)的匹配是系統(tǒng)運(yùn)行的難點(diǎn)，關(guān)鍵在于如何根據(jù)天氣預(yù)測(cè)，實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)集能部分與用能部分工作狀態(tài)，使整個(gè)熔鹽蓄熱系統(tǒng)的運(yùn)行在貼近無補(bǔ)償理想狀態(tài)下工作，已達(dá)到最佳的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

3 經(jīng)濟(jì)性分析與節(jié)能減排效果分析

3.1 經(jīng)濟(jì)性分析

基于太陽能&谷電聯(lián)合加熱熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與用能模塊的具體工作性質(zhì)密切相關(guān)，特別適合于對(duì)分別集中在日間和夜間的用能場(chǎng)所進(jìn)行捆綁供能。本文對(duì)一棟北京市商住樓住宅（1～2層為商場(chǎng)，3～12層為住宅，每層1 040 m²）利用太陽能&谷電加熱熔鹽蓄熱系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)吸收式中央空調(diào)情況進(jìn)行分析。

住宅空調(diào)制冷集中在夜晚，時(shí)間段主要集中在18：00-次日7：00，實(shí)需制冷率與實(shí)需供暖率相差甚微，參照文資料，將實(shí)需制冷率取為21.4%，且制冷時(shí)間段主要集中在18：00-次日7：00，住宅能流密度120 W/m²（按空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)查?。?，商場(chǎng)空調(diào)制冷集中在日間（商場(chǎng)的營(yíng)業(yè)時(shí)間為9：30-21：30），營(yíng)業(yè)時(shí)間不間斷制冷，商場(chǎng)24小時(shí)實(shí)需制冷率為50%，制冷所需能流密度為300 W/m²（按空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)查?。瑯怯蠲繉? 040 m²，則商場(chǎng)總面積為2 080 m²，住宅總面積為10 400 m²。計(jì)算得，該商住樓每月住宅樓層與商場(chǎng)制冷需能分別為192 292 kwh和224 640 kwh。北京非低谷電電價(jià)為0.488 3元/kwh，低谷電價(jià)0.3元/kwh，符合國(guó)家的補(bǔ)貼政策可享受0.2元/kWh的補(bǔ)貼，因此低谷電實(shí)際電價(jià)為0.1元/kWh。采用常規(guī)電網(wǎng)電力驅(qū)動(dòng)中央空調(diào)工作，每月需花費(fèi)203 588元。采用太陽能&低谷電聯(lián)合加熱熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)中央空調(diào)，無補(bǔ)償理想模式下分析，住宅制冷所需能源為儲(chǔ)存太陽能，目前太陽能是無償性能源。商場(chǎng)制冷所需能量為夜間谷電的電能，每月可花費(fèi)電費(fèi)19 229.2元，故該商住樓每月可節(jié)省電費(fèi)184 358.8元（每月按30天計(jì)算），節(jié)省電費(fèi)比率為90.5%。

3.2 節(jié)能減排效果分析

2010年我國(guó)燃煤發(fā)電的能耗為312 g/kwh，節(jié)約1 kWh的電力相當(dāng)于節(jié)約0.312 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，可減少1.029 6 kg CO₂排放。按上述商住樓分析，若采用常規(guī)電網(wǎng)電力驅(qū)動(dòng)中央空調(diào)每月用電416 932 kWh，相當(dāng)于消耗130 083 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，產(chǎn)生429 273.2 kgCO₂排放。采用太陽能&低谷電聯(lián)合加熱熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)上述商住樓住宅中央空調(diào)每月可節(jié)省電力192 292 kWh，相對(duì)于59 995 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，可減少197 983.8 k CO₂排放，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤比率、減排CO₂比率為46.1%。

4 熔鹽管道彎頭的傳熱特性計(jì)算

在熔鹽蓄熱系統(tǒng)中存在管道彎曲的結(jié)構(gòu)，考慮到熔融鹽的流動(dòng)與傳熱特性，直接關(guān)系到熔融鹽蓄熱循環(huán)系統(tǒng)和換熱器的設(shè)計(jì)與布置。彎曲處存在二次環(huán)流的現(xiàn)象，其傳熱特性不同于直管段。故對(duì)熔鹽管道彎曲處的傳熱特性進(jìn)行研究。

熔鹽系統(tǒng)管段的熱能傳遞（如圖2）所示。

熔鹽在管道中流動(dòng)符合熱量平衡原理，可知在單位時(shí)間內(nèi)Φ₁、Φ₂、Φ₃之間存在數(shù)學(xué)關(guān)系式

Φ₁=Φ₂+Φ₃ （1）式中：Φ₁為流入管段的熱量；Φ₂為流出管段的熱量；Φ₃為經(jīng)管壁進(jìn)入到環(huán)境中的熱量。

Φ₃為傳遞環(huán)境中的熱量，其大小將影響整個(gè)熔鹽系統(tǒng)和換熱器的效率。損失熱量傳遞過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的換熱方式為，熔鹽存儲(chǔ)的熱量通過對(duì)流換熱方式傳遞到管道內(nèi)側(cè)，又以導(dǎo)熱的方式傳遞到管壁外側(cè)，再以對(duì)流傳熱和輻射傳熱的方式傳遞到環(huán)境中。

熱量傳遞過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)量關(guān)系為：

Φ₃=Φ_a=Φ_b=Φ_c+Φ_d （2）式中：Φ_a為熔鹽以對(duì)流換熱方式傳遞給內(nèi)側(cè)管壁的熱量；Φ_b為內(nèi)側(cè)管壁以導(dǎo)熱的方式傳遞給外側(cè)管壁的熱量；Φ_c為外側(cè)管壁以對(duì)流換熱方式傳給環(huán)境的熱量；Φ_d為外側(cè)管壁以輻射傳熱的方式傳給環(huán)境的熱量。

熔鹽與內(nèi)側(cè)管壁的對(duì)流傳熱量Φ_a=Φ₃，通過計(jì)算熔鹽以對(duì)流換熱方式傳遞給內(nèi)側(cè)管壁的熱量，與外界交換的熱量全部是由于熔鹽在內(nèi)側(cè)管壁上的對(duì)流傳熱造成的，管道傳遞出熱能的數(shù)量與內(nèi)壁的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)有直接關(guān)系。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小與流體的物性（λ、ρ、C_p等）以及換熱表面的形狀、大小、布置、流速有密切關(guān)系。假設(shè)彎頭入口熔鹽的溫度為350℃。

本文用理論分析的方法對(duì)彎頭在流速不同情況下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)進(jìn)行計(jì)算，研究換熱表面的形狀、大小、流速與表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的關(guān)系。彎頭的示意圖見圖3。

需要說明的是：內(nèi)徑d和彎頭半徑R均和換熱表面的形狀4、大小B存在函數(shù)關(guān)系。

A=f（d，R） （3）

B=g（d，R） （4）

用d，R可以間接描述換熱表面的形狀4和大小B。

為簡(jiǎn)化研究做如下假設(shè)：①?gòu)濐^中熔鹽的流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；②熔鹽的物性參數(shù)在流動(dòng)過程中不變；③彎頭截面未發(fā)生畸變；④彎管的布置方式相同；⑤外部環(huán)境條件不變。

故表面對(duì)流換熱系數(shù)只與內(nèi)徑d、彎道曲率R、流速u有關(guān)。

采用Dittus-Boeher實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，特征長(zhǎng)度為內(nèi)徑d。

Nu=0.023Re^0.8Prⁿ （5）

流體被冷卻，n=0.3。

式中：Re-雷諾數(shù)；Pr-普朗德數(shù)。

Re=（u×d）/v （6）

Nu=（ud）/Aλ（7）

Dittus-Boeher實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式只適用于直管段對(duì)于彎管要加以修正。

螺旋管修正系數(shù)C_r

對(duì)于液體

（8）

聯(lián)立式（5）、（6）、（7）和式（8）得彎頭處的

（9）

圖4、圖5、圖6分別表示3個(gè)變量單獨(dú)變化時(shí)對(duì)表面對(duì)流換熱系數(shù)的影響效果。

圖4說明表面對(duì)流換熱系數(shù)隨管道內(nèi)徑的增大呈遞減趨勢(shì)的。

圖5說明表面對(duì)流換熱系數(shù)隨流速的增加呈遞增趨勢(shì)，且趨于線性。流速增加，流體對(duì)于管壁的沖刷強(qiáng)烈，導(dǎo)致對(duì)流換熱系數(shù)加大。

圖6說明表面對(duì)流換熱系數(shù)隨曲率的增加呈遞減趨勢(shì)。曲率增大，流體在彎曲管道中流動(dòng)的速度方向變化減小，二次環(huán)流現(xiàn)象不明顯，對(duì)管壁沖刷不強(qiáng)烈，導(dǎo)致對(duì)流換熱系數(shù)減小。

5 對(duì)流換熱系數(shù)與彎頭的R和d以及流速u的灰色關(guān)聯(lián)分析

如前所述，彎頭的形狀、大小可用d、R間接描述，為進(jìn)一步探究對(duì)流表面換熱系數(shù)與彎頭的R和d以及流速u的關(guān)系，分別為下表中的不同流速、不同曲率半徑、不同內(nèi)徑的5種情況進(jìn)行分析。

由于彎頭內(nèi)壁的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與彎頭的形狀、大小、流速之間（即d、R、流速）存在著相似或相異的關(guān)系，為衡量關(guān)系的遠(yuǎn)近程度，故采用灰色系統(tǒng)理論中的灰色關(guān)聯(lián)發(fā)進(jìn)行分析。具體過程

1）確定序列矩陣：系統(tǒng)參考序列因子（對(duì)流換熱系數(shù)）用X_n表示，灰色關(guān)聯(lián)分析中，內(nèi)徑d為X₁、彎頭半徑為X₂、流速u為X₃這3個(gè)因子為比較序列因子，這4個(gè)序列構(gòu)成一個(gè)矩陣。

（10）

2）無量綱化：為去除數(shù)據(jù)中的量綱，并在數(shù)量上統(tǒng)一，用“初值化”的方法數(shù)據(jù)處理，并得到無量綱矩陣。

（11）

得到無量綱矩陣

（12）

3）求差序列

（13）

得到差矩陣，同時(shí)找到差矩陣中的最大值、最小值，分別記作△_max，△_min

（14）

p為分辨系數(shù)，取0.5。得到關(guān)聯(lián)矩陣。

5）求解參考序列和3種比較序列的灰色關(guān)聯(lián)度γ_0k。

（15）

將表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計(jì)算，得到3個(gè)參數(shù)對(duì)表面對(duì)流換熱系數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)度。

γ₀₁=0.431 8，γ₀₂=0.451，γ₀₃=0.505

6）排序并分析

排序結(jié)果：γ₀₃>3/γ₀₂>γ₀₁ （16）

在本文研究的影響對(duì)流換熱系數(shù)的3個(gè)因素中，曲率半徑對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的關(guān)聯(lián)度最高，流速次之，管徑與對(duì)流表面換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)度最小。

6 結(jié)論

1）太陽能&谷電聯(lián)合加熱熔鹽蓄熱系統(tǒng)充分利用太陽能與谷電時(shí)間的互補(bǔ)性，特別適合于對(duì)分別集中在日間和夜間的用能場(chǎng)所進(jìn)行捆綁供能。利用太陽能可減少化石燃料的燃燒，有利于減少用能過程的環(huán)境污染、有利于減小電網(wǎng)的谷峰差、有利于電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

2）采用太陽能&低谷電聯(lián)合加熱熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)上述商住樓住宅中央空調(diào)每月可節(jié)省電力136 200 kWh，相對(duì)于42 494.4 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，可減少140 231.5 kgCO₂排放。該商住樓每月可節(jié)省電費(fèi)124 659元（每月按30天計(jì)算），節(jié)省電費(fèi)比率為89.3%。

3）通過對(duì)影響管道彎頭處表面對(duì)流換熱系數(shù)的3個(gè)參數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)分析，3種參數(shù)對(duì)彎頭表面對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)度依次是曲率半徑、流速、管徑。對(duì)熔鹽系統(tǒng)管道彎曲處的設(shè)計(jì)和布置有一定的指導(dǎo)意義。

（編輯：關(guān)毅）