[發明專利]一種多層堆積球儲熱器的設計方法

在審

• 申請號: 201911188314.8
• 申請日: 2019-11-28
• 公開（公告）號: CN111047164A
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發明（設計）人: 李志篤;袁帆
• 申請（專利權）人: 李志篤;袁帆
• 主分類號: G06Q10/06
• 分類號: G06Q10/06;G06Q50/06;F24S60/00;G06F30/20;G06F119/08
• 代理公司: 西安眾和至成知識產權代理事務所(普通合伙) 61249
• 代理人: 張震國

1.一種多層堆積球儲熱器的設計方法，其特征在于，包括如下步驟：

1)根據儲熱器設計參數要求選擇使用溫度范圍、熔點、導熱系數、比熱容與之對應的一種或多種符合儲熱器設計參數要求的備選儲熱材料；

2)確定儲熱器運行時的運行參數，確定備選的一種或多種換熱流體、儲熱材料、封裝材料、保溫材料，確定備選的一套或多套儲熱器基本幾何結構參數后，分別根據各層儲熱體的高度、粒徑、孔隙率、儲熱材料物性建立多層儲熱體的物理模型和Dispersion-Concentric傳熱模型；

儲熱器運行時的運行參數包括：

儲熱材料的物性參數包括：

儲熱器基本幾何結構參數包括：

3)求解換熱流體與儲熱材料之間的傳熱過程：充放熱過程均在出口溫度達到閾值溫度或運行時間達到閾值時間時結束計算，得到多個循環周期內的充放熱規律及溫度數據后，計算各次循環中儲熱材料的儲熱量及放熱量，以及充放熱效率評價指標；

4)根據儲熱材料、封裝材料、罐體材料及保溫材料的成本，計算儲熱器的總成本和平均儲放熱成本的評價指標；

5)判斷各評價指標是否達到設計目標要求，若不滿足要求，則重新選擇各層儲熱材料或調整基本幾何結構參數返回步驟2)繼續計算，直至滿足設計要求為止；

其中評價指標包括：

2.根據權利要求1所述的多層堆積球儲熱器的設計方法，其特征在于：所述步驟2)建立Dispersion-Concentric傳熱模型：

2-1)換熱流體HTF繞流堆積球的換熱系數h_p可采用Wakao關聯式計算，即式(1)，式中D_p是堆積球外徑，k_HSM為儲熱材料導熱系數，Re和Pr分別為換熱流體的雷諾數和普朗特數，該關聯式當雷諾數在15至8500的范圍內有效：

2-2)采用式(2)計算換熱流體的截面換熱系數h_v，式中ε是孔隙率：

2-3)儲熱體通過儲熱器壁面和保溫層與外界發生熱交換，造成熱損失，熱損失熱阻由三部分串聯構成，即從換熱流體到儲熱器壁面的對流熱阻、儲熱器壁面的導熱熱阻和保溫層的導熱熱阻，采用式(3)計算儲熱體的熱損失系數U_w，式中h_inner為換熱流體與儲熱器罐體內壁面對流換熱系數，r_inner為堆積床半徑，k_c為儲熱器罐體材料的導熱系數，r_w為儲熱器罐體半徑，k_insul為保溫層導熱系數，r_outer為保溫層外半徑，

采用Beek關聯式計算換熱流體與儲熱器罐體內壁面對流換熱系數h_inner，如式(4)所示，式中k_HTF是換熱流體的導熱系數：

2-4)采用Gonzo關聯式求解換熱流體的有效導熱系數k_eff，如式(5)所示，式中φ＝1-ε，β＝(k_HSM－k_HTF)/(k_HSM+2k_HTF)：

采用式(6)計算熱擴散率α_ax，式中ρ_HTF是換熱流體的密度，c_p,HTF是換熱流體的比熱容：

α_ax＝k_eff/(ερ_HTFc_p,HTF) (6)

2-5)建立換熱流體和堆積球之間的換熱控制方程，如式(7)所示，式中T_HTF是換熱流體的溫度，t是時間，x是沿儲熱器軸向的距離，T_S,Ro是儲熱球外表面的溫度，T_env是環境溫度，v是換熱流體的流速，在計算充熱過程時v＝v_in,c，在計算放熱過程時v＝v_in,d：

以及堆積球內部的換熱控制方程，如式(8)所示，式中T_S是儲熱球的溫度，r是半徑：

若堆積球內部填充的儲熱材料為相變材料，則其導熱系數和比熱容分別使用式(9)和式(10)進行計算：

對于堆積球，有邊界條件：

對于換熱流體，有邊界條件：

T_HTF＝T_in,c,x＝H

對于堆積球和換熱流體，有初始條件：

T＝T_init,t＝0