[发明专利]一种基于传热速率平衡的固态蓄热加热特性匹配设计方法

说明书

一种基于传热速率平衡的固态蓄热加热特性匹配设计方法，步骤：1）获取高温固态蓄热装置结构数据材料数据和运行条件参数；2）建立高温蓄热材料与电阻加热元件间传热速率平衡模型：3）根据传热速率平衡模型，4)建立高温蓄热材料与电阻加热元件间的传热模型：5）确定空气与蓄热体表面传热耦合边界条件：6）判断电阻丝表面温度是否在运行温度区间。7）得出满足蓄热体风道设计结构和各运行温度区间的空气进口流速参数，使电热元件与储热装置的结构、性能相匹配，从而实现整个结构的优化。（1）其温度变化率为恒值，依此可对传热平衡式进行计算。（2）蓄热材料与电阻丝之间的匹配。（3）避免高温脆性导致的电热元件寿命缩短。

技术领域

本发明内容属于高温固态蓄热设计优化领域，涉及一种基于流固多场传热速率平衡的固态蓄热加热特性匹配设计优化方法。

背景技术

固态高温蓄热是一种新型低成本、大容量蓄热方式，在高温蓄热，热电厂调峰等领域有着广泛的应用前景，其工作原理为：用电低谷时期或电网余电时期，启动电热储能转换系统，将电能转换为热能存储于蓄热材料中，热能在热负荷需求时期才被释放，在电热能量转换、热量储存、热量传递、热量交换四个能量传递过程中，系统有效实现了电热解耦和热电隔离。近年来，其大规模的应用于城市分布式供暖和配备热电联产机组的灵活性运行改造中，作为可中断性负荷的一种，有效解决了风电、光伏、核电等清洁能源消纳问题，成为大规模储能的研究热点之一。

蓄热储能装置通过电热装置将余电或弃电产生的热能储存在蓄热材料中，电阻式合金加热元件在通电后需要耐受几百摄氏度的高温，在释放热量时温度又可能会降低到100℃以下，在大的温差范围下工作，加热元件易出现过热和冷热反复下的疲劳，从而严重影响加热元件寿命，造成频繁维护现象。

此外，固态蓄热装置设计中，电热元件设计表面负荷若高于蓄热材料传热速率，则电阻丝产生热量将超出蓄热体吸收速率，积累的热能会转变为温升，温升过高，会缩短电阻丝的使用寿命，影响储热装置可靠性和经济运行。常见蓄热材料中，有机相变蓄热材料导热系数约为0.2W/(m·K)，无机相变材料导热系数约为0.5W/(m·K)，水导热系数约为0.593W/(m·K)，固体氧化镁蓄热材料导热系数约为4.6W/(m·K)，其导热系数均较低，需考虑传热问题。

发明内容

发明了一种用于固态储热系统蓄热材料与电热元件的匹配设计方法，其目的是解决以往所存在的问题，对固态储热装置在单纯加热、同时加热/释热和单纯释热三种不同运行工况下，固态蓄热材料与加热元件间的传热速率平衡关系与温度场进行分析。设计出一种基于传热速率平衡的固态蓄热加热特性匹配设计方法，从而实现较高的加热元件表面负荷，优化加热元件的使用寿命。

技术方案：

该方法包括如下步骤：

1)获取高温固态蓄热装置结构数据材料数据和运行条件参数；

2)设定电热元件加热功率、预期温升速率等目标参数，建立高温蓄热材料与电阻加热元件间传热速率平衡模型：

式中：P为电热元件的加热功率；J为热功当量；λ_s为固体导热系数；T_s为固体表面温度；s为固体受热表面积；A_e为电阻丝表面积；h_es为电阻丝与蓄热体的辐射换热系数；T_e为电阻丝温度；A_s为砖孔表面积；h_sa为蓄热体与空气间的对流换热系数；T_a为空气温度；v_a为空气流速；ρ_A为空气流入换热器的面密度；m_a为蓄热体内空气的质量；c_a为空气的热容量；t为时间；m_e为电阻丝的质量；c_e为电阻丝的热容量；