王政偉，，， ，

(常州大學(xué) 石油工程學(xué)院，江蘇 常州 213016)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量有關(guān)光熱蓄熱系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)方面的研究。穆志君[3]等對(duì)太陽(yáng)能光伏光熱一體化系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析結(jié)果表明，系統(tǒng)電效率比常規(guī)光伏系統(tǒng)提高了約7%；鄭建濤[4]等對(duì)太陽(yáng)能柱式吸熱器非均勻受熱進(jìn)行了數(shù)值模擬；N.G.Barton[5]通過數(shù)值模擬方法分析比較了兩種不同運(yùn)行方式對(duì)系統(tǒng)整體蓄熱性能的影響。

該文在上述研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)中小型太陽(yáng)能光熱發(fā)電項(xiàng)目，提出一種高溫固體蓄熱系統(tǒng)，采用耐高溫固體顆粒作為蓄熱體、空氣作為熱媒介質(zhì)，與其他類型的蓄熱系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)：(1)熱媒介質(zhì)空氣工作溫度范圍大，無(wú)毒無(wú)害。(2)蓄熱體來(lái)源廣泛，成本低，耐高溫，蓄熱溫度能達(dá)到1 000℃以上。(3)蓄熱器外殼和管道無(wú)需采用耐腐蝕材料。(4)系統(tǒng)安全性好，投資低、運(yùn)行費(fèi)用少，不僅可進(jìn)行光熱發(fā)電，還能滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)生活用熱需求，提高了太陽(yáng)能利用效率和使用范圍。

1 蓄熱系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

蓄熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)需滿足以下原則：(1)蓄熱系統(tǒng)的熱效率高(85%以上)；(2)系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，太陽(yáng)能提供系統(tǒng)所需能源；(3)系統(tǒng)能滿足多功能的要求；(4)蓄熱系統(tǒng)流動(dòng)阻力小，運(yùn)行費(fèi)用低；(5)系統(tǒng)要便于調(diào)節(jié)、靈活運(yùn)行，以滿足檢修維護(hù)等其他操作。

圖1 光熱發(fā)電高溫固體蓄熱系統(tǒng)示意圖

蓄熱系統(tǒng)如圖1所示，光熱發(fā)電高溫固體蓄熱系統(tǒng)由取熱子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和用熱子系統(tǒng)三部分組成，子系統(tǒng)兩兩之間可以形成閉合循環(huán)回路。取熱子系統(tǒng)1布置的塔式太陽(yáng)能聚光集熱器工作時(shí)[6]，定日鏡將太陽(yáng)光束反射到集熱器處，集熱器處的熱媒吸收太陽(yáng)的輻射能并將其轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮?。取熱子系統(tǒng)末端旁路裝有電加熱器，以防止連續(xù)陰雨天氣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。蓄熱子系統(tǒng)2由多個(gè)蓄熱器組成，蓄熱器內(nèi)部填充蓄熱材料，高溫?zé)崦浇橘|(zhì)與蓄熱介質(zhì)進(jìn)行熱交換從而實(shí)現(xiàn)熱能的有效存儲(chǔ)，解決了太陽(yáng)能的間歇性和不穩(wěn)定性等問題。用熱子系統(tǒng)3包括空氣熱用戶和蒸汽鍋爐熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。在光照條件良好的情況下，從集熱器得到熱量，一部分供給用熱子系統(tǒng)，另一部分儲(chǔ)存在蓄熱子系統(tǒng)中。光照條件不好時(shí)，集熱器的集熱滿足不了用熱系統(tǒng)或在無(wú)光照的情況下，蓄熱系統(tǒng)的蓄熱器則進(jìn)行放熱用來(lái)供給用熱子系統(tǒng)。

2 蓄熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 蓄熱器結(jié)構(gòu)及容量的確定

蓄熱器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，蓄熱器采用臥式的布置方式，由蓄熱器本體和保溫層兩部分組成。蓄熱器內(nèi)部填充層的填充材料為陶瓷球-高鋁球(Al2O3·SiO2)，其設(shè)計(jì)最高溫度為900℃，蓄熱器外表面溫度為50℃，環(huán)境溫度為20℃。

圖2 高溫固體蓄熱器結(jié)構(gòu)圖

為了盡可能降低環(huán)境熱損失以及考慮到成本和承重等因素，蓄熱器保溫層最里層用耐火磚2砌筑內(nèi)墻，內(nèi)墻外層耐高溫合金鋼3制作的罐體，再往外是作為保溫層的脹珍珠巖4。為了減小蓄熱器的輻射散熱損失，蓄熱器最外層包有高反射率的鋁箔5。蓄熱器各結(jié)構(gòu)材料的尺寸計(jì)算如表1所示。

表1 蓄熱器內(nèi)部直徑及各保溫材料厚度

為簡(jiǎn)化分析計(jì)算，對(duì)蓄熱器作以下假設(shè)：(1)蓄熱器保溫層保溫效果較好，蓄熱材料的起始溫度為300℃；(2)蓄熱器平均每天蓄熱的時(shí)間為8小時(shí)；(3)蓄熱周期為3天且2天日照較好；(4)蓄熱器最高蓄熱溫度為900℃。

無(wú)論是熱帶氣旋還是東北季風(fēng)，燈浮標(biāo)的移位都是由于海浪作用于燈浮標(biāo)的外力大于錨鏈和沉塊在海水中的重量，從而使燈浮標(biāo)移位的。鐵在水里的比重為0.87，則1.5節(jié)錨鏈在水里的重量大概為1噸；水泥在水里的比重為0.67，則5噸沉塊在水里的重量大概為3.36噸，也就是說(shuō)只要海浪的作用力大于4.36噸就可以使燈浮標(biāo)移位。沉塊在海床上可能會(huì)存在一些抓力，但當(dāng)海浪大到將錨鏈拉離海床時(shí)，沉塊的抓力基本就不存在了。

蓄熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)總熱功率為1.0 MW，集熱器的集熱量80%用于蓄熱，20%用于放熱，蓄熱系統(tǒng)中設(shè)置有3個(gè)蓄熱器。一個(gè)工作周期內(nèi)，系統(tǒng)總的集熱量為57 600 MJ，蓄熱系統(tǒng)存儲(chǔ)的熱量為46 080 MJ。蓄熱器的相關(guān)計(jì)算如表2～表4所示。

表2 單個(gè)蓄熱器內(nèi)蓄熱球的相關(guān)計(jì)算

表3 單個(gè)蓄熱器內(nèi)熱空氣的相關(guān)計(jì)算

表4 蓄熱器的相關(guān)計(jì)算

2.2 蓄熱器保溫特性分析

忽略蓄熱器內(nèi)部填充層與蓄熱器內(nèi)壁間的熱阻，蓄熱器的傳熱系數(shù)為

式中k——蓄熱器的傳熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1；

δ——厚度/m；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)/W·(m·℃)-1；

h——對(duì)流傳熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1；

下標(biāo)1——耐火磚；

下標(biāo)2——膨脹珍珠巖。

該文通過集中參數(shù)法來(lái)分析固體蓄熱器保溫特性，導(dǎo)熱微分方程式為：

式中t——溫度/℃；

τ——蓄熱時(shí)間/h；

ρ——密度/kg·m-3；

c——定壓比熱容/kJ·(kg·℃)-1；

下標(biāo)s——蓄熱材料。

整理，有

式中θ——過余溫度/℃。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)后可得填充層溫度t

t=10+890exp(-1.59×10-3τ)

(4)

圖3 一天內(nèi)蓄熱器填充層溫度隨時(shí)間的變化

圖3、圖4分別為一天內(nèi)蓄熱器填充層溫度隨時(shí)間以及蓄熱器填充層溫度隨天數(shù)的變化關(guān)系。由圖3、圖4可知，一天內(nèi)蓄熱器填充層溫度隨時(shí)間以及蓄熱器填充層溫度隨天數(shù)的變化均為線型變化。蓄熱器保溫一天，溫降約為4.8%，同時(shí)實(shí)際應(yīng)用過程中，準(zhǔn)備多個(gè)蓄熱器同時(shí)蓄熱，基本符合工業(yè)化要求，保證在沒有長(zhǎng)時(shí)間陰雨天氣的情況下，蓄熱系統(tǒng)能持續(xù)供熱發(fā)電。

圖4 蓄熱器填充層溫度隨天數(shù)的變化

3 系統(tǒng)熱平衡及熱效率計(jì)算

3.1 系統(tǒng)熱平衡

整個(gè)系統(tǒng)熱損失的環(huán)節(jié)有集熱器的散熱損失、蓄熱器的散熱損失、管道及附件散熱損失、閥門和測(cè)量?jī)x表的熱損失。根據(jù)熱平衡原理，輸入給蓄熱系統(tǒng)的總功率應(yīng)等于蓄熱器內(nèi)存儲(chǔ)熱量和各部分的散熱損失代數(shù)和。即

Q0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

(5)

式中Q0——輸入給蓄熱系統(tǒng)的總功率/MW；

Q1——蓄熱器內(nèi)儲(chǔ)存的熱量/MW；

Q2——集熱器的熱損失量/MW；

Q3——蓄熱器的熱損失量/MW；

Q4——管道及附件的熱損失量/MW；

Q5——閥門及測(cè)量件的熱損失量/MW。

3.2 系統(tǒng)熱效率計(jì)算

蓄熱系統(tǒng)的熱效率

=1-(q2+q3+q4+q5)×100%

(6)

式中q1——蓄熱系統(tǒng)總的熱效率/[%]；

q2——集熱器散熱損失率/[%]；

q3——蓄熱器散熱損失率/[%]；

q4——管道及附件散熱損失/[%]；

q5——閥門及測(cè)量件散熱損失率/[%]。

系統(tǒng)熱效率計(jì)算結(jié)果如下表5所示，經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)總效率可高達(dá)85.4%。

表5 高溫固體蓄熱系統(tǒng)各部位散熱及熱效率

4 蓄熱系統(tǒng)流道阻力計(jì)算

4.1 流動(dòng)阻力計(jì)算

蓄熱系統(tǒng)的總阻力Δpz由管道沿程阻力Δp1、局部阻力Δp2和蓄熱器內(nèi)部固體顆粒填充層阻力損失Δp3組成

Δpz=Δp1+Δp2+Δp3

(1)蓄熱系統(tǒng)中所用管道的尺寸是φ630×10，管道總長(zhǎng)150 m，管道內(nèi)質(zhì)量流量qm=2.52 kg/s，空氣計(jì)算溫度取300 ℃，空氣在管內(nèi)的流速u=14.04 m/s，ρ=615 kg/m3，可推算出空氣在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為湍流運(yùn)動(dòng)，當(dāng)103

式中u1——流道內(nèi)流體的流速/m·s-1；

de——流道的當(dāng)量直徑/m；

L1——流道的長(zhǎng)度/m。

(2)系統(tǒng)中的局部阻力是由于空氣流動(dòng)時(shí)因流動(dòng)方向或流通截面積的改變(如閥門、彎頭、三通和變徑段)而引起的能量損失，其局部阻力公式為

(8)

該系統(tǒng)中彎頭為90°ζ1=0.75，閥門為球心閥，全開ζ2=6.4。

(3)流體流經(jīng)固體顆粒填充層阻力損失的通用公式[8]

G2——蓄熱器內(nèi)填充層入口處的質(zhì)量流速/kg·(m2·s)-1；

L2——蓄熱器的長(zhǎng)度/m；

db——蓄熱球的直徑/m。

4.2 風(fēng)機(jī)選型

由于系統(tǒng)的總阻力比較大，因此蓄熱系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)機(jī)的選擇就有一定的要求。選用的風(fēng)機(jī)應(yīng)保證蓄熱系統(tǒng)在既定的工作條件下，滿足蓄熱系統(tǒng)全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)對(duì)熱空氣、風(fēng)流量和壓頭的需要。

風(fēng)機(jī)的實(shí)際功率為

式中Q——風(fēng)機(jī)風(fēng)量/m3·h-1；

β——電機(jī)容量?jī)?chǔ)備系數(shù)，取1.3；

ξ1——內(nèi)效率，取0.8；

ξ2——機(jī)械效率，取0.97。

經(jīng)計(jì)算，風(fēng)機(jī)實(shí)際需要的功率為46.84 kW，因此最終風(fēng)機(jī)型號(hào)定為6.3 A離心鼓風(fēng)機(jī)，流量為14 763.8 m3/h。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的高溫固體蓄熱系統(tǒng)蓄熱溫度能達(dá)到900℃的高溫，能利用太陽(yáng)能進(jìn)行全天候連續(xù)穩(wěn)定高效運(yùn)行。

(2)根據(jù)固體蓄熱材料及熱媒介質(zhì)的基本要求，通過對(duì)比優(yōu)化分析，選定空氣為熱媒，高鋁球?yàn)樾顭岵牧希桓鶕?jù)蓄熱總量、蓄熱材料的物性參數(shù)等，分析計(jì)算出蓄熱器的尺寸和蓄放時(shí)間。

(3)根據(jù)結(jié)構(gòu)安全、保溫和經(jīng)濟(jì)性要求得到蓄熱器結(jié)構(gòu)為：內(nèi)砌耐火磚+耐熱支撐鋼板+膨脹珍珠巖+外包鋁箔。采用集總參數(shù)法分析蓄熱器的保溫性能，得到高溫固體蓄熱器每天的散熱損失小于5%。

(4)蓄熱系統(tǒng)的整體效率大于85%；對(duì)系統(tǒng)的阻力進(jìn)行了分析，給出各部分的阻力計(jì)算公式，以循環(huán)空氣的平均溫度為基準(zhǔn)來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的總阻力，并據(jù)此選擇的風(fēng)機(jī)型號(hào)。