[發明專利]一種填充床儲熱裝置及儲熱球的制備方法

有效

• 申請號: 201810187553.0
• 申請日: 2018-03-07
• 公開（公告）號: CN108534578B
• 公開（公告）日: 2019-11-26
• 發明（設計）人: 李明佳;金波;劉占斌;馬朝;袁帆;徐陽;李夢杰
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: F28D20/02
• 分類號: F28D20/02
• 代理公司: 61215 西安智大知識產權代理事務所
• 代理人: 張震國<國際申請>=<國際公布>=<進入

1.一種填充床儲熱裝置，包括上、下兩端分別開設有流體進、出口通道(4、5)的儲熱罐體，在儲熱罐體內即填充床位置設置有兩層直徑不同的儲熱球，上層儲熱球的直徑大于下層儲熱球的直徑，且在兩層儲熱球的外面分別設置有與流體進、出口通道(4、5)相連通的頂部、底部均流分布器(8、9)，其特征在于，所述兩層儲熱球直徑的選擇通過數值模擬優化獲得，具體過程如下：

1-1)確定儲熱裝置的具體尺寸參數以及運行工況，包括儲熱裝置的高度H_tank、填充床高度H_bed、儲熱裝置的直徑D、儲熱球可選直徑d_p、儲熱過程進口溫度T_in，儲熱過程進口質量流量u_in；

1-2)分別構建使用兩種不同儲熱球直徑組合的儲熱裝置傳熱模型，對不同儲熱球組合下的儲熱裝置模型進行模擬計算；

1-3)根據數值計算結果，獲得不同情況下的儲熱時間τ、儲熱量Q_stored，從而計算儲熱速率p、儲熱密度q以及儲熱速率密度w；

其中，儲熱量Q_stored的定義為：

Q_stored＝m_p[C_p,s(T_m-T_ini)+ΔH+C_p,l(T_in-T_m)]+m_shellC_p,shell(T_in-T_ini) (1)

儲熱速率p的定義為：

儲熱密度q的定義為：

儲熱速率密度w的定義為：

式中：m_p為相變材料總質量，m_EPCM為儲熱球總質量，包括相變材料質量m_p和不銹鋼球殼體質量m_shell，C_p,s為相變材料固態比熱容，C_p,l為相變材料液態比熱容，C_p,shell為不銹鋼比熱容，ΔH為相變材料潛熱，T_m為相變材料熔點，T_in為儲熱器進口溫度，T_ini為儲熱器初始溫度；

1-4)比較不同儲熱球直徑組合下的儲熱速率密度，得到儲熱器儲熱性能最佳即儲熱速率密度w最大的儲熱球直徑組合；

其中，所述步驟1-2)中，為了能夠得到填充床內相變儲熱球以及換熱流體的溫度分布，采用同心軸對稱擴散模型，為簡化計算，做如下合理的假設：(1)填充床內的儲熱球均勻分布，孔隙率是均勻的，換熱流體的溫度和速度沿著流動方向均勻分布；(2)忽略沿著儲熱罐徑向的溫度變化；(3)儲熱罐進口和出口處的熱損失忽略，假設只有換熱流體和外界通過儲熱罐壁面進行換熱而產生熱損失；(4)忽略輻射換熱；

則模型的控制方程、邊界條件與初始條件如下：

a)控制方程

流體：

固體：

對于相變材料來說，在加熱過程中會發生相變，物性參數發生變化，為了能夠描述相變過程，采用顯熱容法，即認為相變發生在一個很小的溫度區間，ΔT_m＝T_m2-T_m1，在這個溫度區間內相變材料具有很大的比熱容，加熱過程的三個階段物性分別為：

固態顯熱階段：

c_p＝c_p,s，λ_p＝λ_s，T_p＜T_m1 (7)

相變儲熱階段：

液相顯熱階段

c_p＝c_p,l，λ_p＝λ_l，T_p＞T_m2 (9)

固體與流體之間的換熱系數采用經驗關聯式：

儲熱罐與環境的熱損失定義為總換熱損失系數h_w，包括罐內換熱流體與罐壁的對流換熱系數h_i，罐壁的導熱以及保溫棉的導熱，忽略外壁面的自然對流以及輻射熱損失，h_w的計算采用關聯式：

式中，r_bed為儲熱罐的內徑，j＝1指代儲熱罐的內壁面，j＝2指代儲熱罐的外壁面，j＝3指代保溫棉外層，即r₁，r₂以及r₃分別表示儲熱罐的內壁面半徑、外壁面半徑以及保溫棉外層半徑，內壁面的熱損失換熱系數為h_i，忽略外壁面的自然對流以及輻射熱損失，h_i的計算采用換熱關聯式：

對于填充床模型，流體項的等效導熱關聯式為：

其中，φ＝1-ε，β＝(λ_p-λ_f)/(λ_p+2λ_f)

b)邊界條件和初始條件：

邊界條件：

流體相：

固體相：

初始條件：在儲熱初始時刻罐體內儲熱球與傳熱工質溫度相同且為T_ini，處于熱平衡狀態；

式中，ε為填充床孔隙率；下標f與p分別表示傳熱工質與儲熱球，下標eff表示有效值，下標l與s表示固態與液態，w為壁面；Re與Pr的特征尺度是儲熱球當量直徑d_p；ρ為密度，c_p為定壓比熱容，λ為導熱系數，u為工質表觀速度，h_f為傳熱工質與儲熱球的體對流換熱系數，h_i為壁面的熱損失換熱系數。