[发明专利]一种单罐多层填充床蓄热器设计方法

说明书

本发明涉及一种单罐多层填充床蓄热器设计方法。首先，确定设计目标参数，即最小有效蓄热量与最小蓄热效率。随后，分别分析使用各备选填料的单层填充床蓄热器的蓄热性能(蓄热量、蓄热效率)，并对填料进行优选与分类。接着，根据所选填料的类别与颗粒直径，设计其在多层蓄热器中的填充位置。随后，根据设计目标参数及填料物性，初步设计多层蓄热器结构参数。然后，分析上述多层蓄热器蓄热效率，并根据最小蓄热效率设计要求调整各填料的填充比例。接着，分析调整后的多层蓄热器的有效蓄热量，并根据最小有效蓄热量设计要求调整蓄热器直径，从而完成单罐多层填充床蓄热器的设计。本方法可迅速有效地进行蓄热器设计，并可达到提高蓄热性能的目的。

技术领域

本发明涉及热能存储技术，具体涉及一种单罐多层填充床蓄热器设计方法。

背景技术

近年来，化石能源消费量随着社会经济的快速发展而急剧增长。同时，化石燃料的大量燃烧带来了日益严重的环境问题，并对公众健康和社会经济发展造成了不利影响。因此，加快发展清洁的可再生能源成为了人类面临的重要课题。太阳能是地球上最丰富、清洁并可广泛获取的可再生能源。高效利用太阳能可有效改善我国能源结构，促进社会经济和环境的和谐发展。太阳能热发电技术是前景广阔的太阳能利用技术，而蓄热装置是该系统的重要组成部分。在白天光照不足和夜间的时候，系统可使用蓄热装置所储存的热能来维持连续稳定运行。因此针对蓄热技术开发方面的研究也成为国际前沿的研究热点，我国也对此投入了相关政策支持。例如，在国家发改委、国家能源局于2016年4月下发的《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》中，“先进储能技术创新”被列为15个重点任务之一，该重点任务要求对太阳能光热高效利用高温储热技术进行重点研究。

单罐填充床蓄热器结构简单，并可使用价格低廉的固体填料代替昂贵的熔盐等传热工质来进行蓄热。因此，单罐填充床蓄热器在工业应用领域尤其是太阳能热发电领域获得了越来越多的关注。现有研究表明单罐填充床蓄热器中存在斜温层影响蓄热性能的问题。例如，在蓄热器放热过程中，蓄热器内传热工质中将出现由下至上温度急剧降低的分层区域，即斜温层。当斜温层顶部到达蓄热器出口时，出口工质温度将开始下降，而当出口温度下降到可保证发电系统正常运行的临界值以下时，蓄热器将停止放热。但此时蓄热器内残留的斜温层中仍有大量热能未能释放，因而斜温层使得有效蓄热量减少，蓄热效率降低，直接影响了蓄热器的蓄热性能。那么如何减小斜温层对蓄热性能的不利影响就成为了一个重要的研究方向。

发明内容

本发明的目的在于针对斜温层影响蓄热性能的问题，提出了一种既可合理控制成本、提高蓄热量，又可保持较高蓄热效率的单罐多层填充床蓄热器设计方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)确定蓄热器的设计目标参数：最小有效蓄热量Q_min、最小蓄热效率η_min；

2)优选单罐多层填充床蓄热器的填料：

首先，根据实际情况提出多种备选填料；然后，分别构建使用各备选填料的单罐单层填充床蓄热器的流动传热数值计算模型，基于构建的模型，对各蓄热器放热过程进行模拟计算分析各填料的蓄热性能；

然后，对填料进行优选分类：以价格与效率为优选指标，优选出综合性能较好的填料，称之为“基础填料”；以有效蓄热量为优选指标，选出有效蓄热量较高的填料，称之为“蓄热量提高填料”；以蓄热效率为优选指标，选出蓄热效率较高的填料，称之为“调节填料”；

最后，根据工程实际，将优选出的A种(A≥1)基础填料、B种(B≥1)蓄热量提高填料与C种(C≥1)调节填料作为多层结构的三类填充填料，该三类填料按A种、B种和C种在蓄热器中由下至上依次填充，在每类填料中，将所优选出的填料按填料颗粒当量直径从小到大，由下至上依次填充；