本刊超临界压缩空气储能系统蓄冷换热热
做家：吴玉庭宋阁阁张灿灿寇真峰鹿院卫
单元：北京产业大学处境与性命学部，传热加强与过程节能教导部中心实践室及传热与动力欺诈北京市中心实践室
引用：吴玉庭,宋阁阁,张灿灿等.超临界紧缩空气储能系统蓄冷换热器优化打算[J].储能科学与技巧,,10(04):-.
DOI：10./j.cnki.-..
概要：蓄冷换热器是超临界紧缩空气储能系统的一个要害构成部份。为探求蓄冷换热器中打算尺寸参数对蓄冷安装加工和蓄冷本能的影响，以固体氯化钠颗粒做为蓄冷材料打算了一种超临界紧缩空气填充床式蓄冷换热器。凭借系统的请求参数和压力容器尺寸的管束方程，以罐体原料和加工成本最小、冷量损失最小和蓄冷效率最高为规则对10MW蓄冷换热器的完全尺寸停止优化。相比觉察跟着换热器高度的增多，罐体原料和加工成本慢慢增多；对0.5～10MW不同蓄冷功率下的蓄冷安装蓄冷效率停止相比解析，觉察在长径比平稳时，蓄冷效率随功率的增大从94.65%到96.08%慢慢抬高，冷损失量也同步增多。末了得到在14组的优化数据中，最优参数下，蓄冷换热器冷损失量较低，蓄冷效率为96.08%，同时加工成本也在可采用局限内。
关键词：超临界紧缩空气储能；蓄冷换热器；高压填充床；优化打算
要完成年碳达峰和年碳中庸的对象，可复活动力的高比例欺诈是可行的完成路径。可复活动力具备不平稳的特征，要完成高比例可复活动力欺诈务必装备充沛容量的储能安装。抽水储能曾经完成了大范围的安置和运用，但由于地形前提的束缚，抽水储能进一步增加的空间有限，单靠抽水储能没法知足他日高比例可复活动力的须要，是以殷切须要新式的大容量储能技巧。华夏科学院工程热物理探索所提议的超临界紧缩空气储能技巧(道理如图1所示)克复了保守紧缩空气储能技巧对大容量穴洞的束缚，是一种特别有前程的大范围储能技巧。储冷换热器是超临界紧缩空气储能的关键部件，它的储冷效率和成本对超临界紧缩空气储能的效率和成本有注意要影响、，是以停止超临界紧缩空气储能系统蓄冷换热器效率和成本的优化是特别须要的。
图1超临界紧缩空气储能系统道理图
超临界紧缩空气储能系统蓄冷安装蓄冷释冷的温区为0～-℃，温度跨度大，请求固体储冷材料在这个温度区间要有较高的比热容。Hüttermann等对岩石等填充床内蓄冷材料热物性停止了探索，成绩觉察蓄冷材料在蓄冷释冷过程中热物性改变很大，对系统效率有必定影响。对13种固体蓄冷材料在蓄冷温区内的比热容和蓄冷成本停止对照后觉察，固体氯化钠在蓄冷温区内比热容减小的幅度小，蓄冷成本最低。是以本文华纳固体氯化钠颗粒做为储冷材料。关于超临界紧缩空气储能系统，蓄冷安装的布局形态对蓄冷效率会造成影响，蓄冷安装的储冷释冷温差越小，系统的轮回效率越高，是以抬高蓄冷效率的关键在于打算高效紧凑化的蓄冷安装。当今超临界紧缩空气储能系统中蓄冷换热器紧要有列管式和填充床式两种，此中填充床换热器由固体颗粒直接聚集造成，具备布局简捷、换热面积大等好处。本文华纳填充床蓄冷换热器。关于填充床式蓄冷换热器，罐体须要承袭较高压力，造成罐体壁厚较大，储罐成本增多，是以罐体尺寸的优化打算对减小罐体成本有要害的意义。
国表里学者对填充床显热和潜热储热停止了深入的探索，华夏科学院工程热物理探索所陈海生团队、华北电力大学徐超团队对超临界紧缩空气岩石填充床储冷停止了探索，解析了超临界紧缩空气填充床蓄冷/释冷的动态热特征及其对蓄冷换热器本能的影响规律。文件调研未觉察对超临界紧缩空气固体氯化钠颗粒填充床蓄冷的探索。本文对超临界紧缩空气储能系统中蓄冷换热器停止探索，抉择适宜的填充床式蓄冷换热器及罐体物料，并凭借系统请求的干系参数对蓄冷换热器的完全尺寸停止优化打算，为超临界紧缩空气储能系统中蓄冷换热器打算研发供应参考根据。
1优化打算参数超临界紧缩空气储能系统中蓄冷换热工详细处事过程如图2所示。凭借10MW超临界紧缩空气储能实践系统，计较得到各节点的空气流量、温度和压力。密度、焓、定压比热容和黏度、导热系数、普朗特数是在REFPROP物性软件中凭借空气的温度和压力盘查得到(表1)。凭借各点的物性参数计较出紧缩空气通过填充床后焓的增多量，进而得到蓄冷换热器蓄冷1h后的最大蓄冷量Qmax=3.6×kJ，对应换热器功率为10W。
图2蓄冷安装处事过程图
表1超临界紧缩空气在系统中各点物性参数凭借所需蓄冷量Qmax=Q1+Q2能够计较得到所需蓄冷材料的原料。Q1为蓄冷罐体内填充的蓄冷颗粒的蓄冷量，Q2为蓄冷过程中罐体内填充颗粒孔隙间液态空气的蓄冷量。由式(1)计较得到所需固体蓄冷材料的原料Q1后，凭借氯化钠蓄冷填充颗粒的聚集孔隙率能够得到所需蓄冷换热器的最小容积为m3。依照固体氯化钠蓄冷材料的平衡比热容为0.81kJ/kg·K计较，凭借蓄冷轮回中各节点的温差得到所需的换热器最瑕瑜度。2成本优化超临界紧缩空气系统蓄冷换热器做为低温高压的压力容器，材料关于其成本具备要害影响，通过调研觉察在低温下不锈钢的本能知足超临界紧缩空气系统蓄冷换热器的请求，同时其具备代价相对低的上风，是以采用不锈钢停止罐体成本优化。同时思量到，固体蓄冷材料氯化钠在蓄冷释冷轮回过程中会造成少许游离的氯离子。为守护不锈钢蓄冷罐体，在换热器加工过程中，在罐体内壁面刷一层钛钢复合涂层防止氯化钠颗粒与不锈钢的直接来往，束缚侵蚀题目。超临界紧缩空气系统蓄冷换热器的成本优化规则是在容积必定(知足最大蓄冷量)的前提下，以蓄冷换热器罐体的金属原料最小为优化对象函数，进而到达俭朴材料成本的方针。依照检朴材料、低沉成本和制作简捷的规则，蓄冷换热器罐体采纳立式圆筒形布局，包罗筒体和高低封头两部份，一切蓄冷换热器通过支座安置在底子或许平台上(图3)。罐体内径为D，罐体圆柱部份高度为H，整体高度为L，高低封头部份的高度为h，罐体的壁面厚度为δ1，封头厚度为δ2，敷设的保温层厚度为δ3，单元均为mm。图3圆柱罐体示企图圆筒形受压容器壳体尺寸的计较过程以下。（1）圆柱描述器壳体尺寸两头为准则半球形封头的圆筒描述器的体积如式(2)所示。（2）圆柱段原料
式中，ρ为罐内物料的密度，kg/m3。（3）封头原料封头壳体的总原料如式(4)所示。蓄冷安装的总原料为M，是圆柱段原料M1和高低封头原料M2的和，即M=M1+2M2。（4）管束前提双准则椭圆封头圆柱容器的全容积公式如式(5)所示，管束前提为方程式(6)～(7)。（5）蓄冷安装最低高度凭借蓄冷过程中紧缩空气各节点的温度和焓值计较换热器所需最小换热长度，公式如式(8)～(9)所示。在知足超临界紧缩空气储能系统中最大蓄冷量3.6×kJ的前提下，起码须要固体氯化钠原料kg，所需打算体积为m3，不锈钢代价依照16.5元/公斤计较，凭借成本优化打算前提，得到表2所示不同打算尺寸和成本计较成绩。从表中能够觉察跟着蓄冷换热器安装高度的低沉，蓄冷换热器罐体原料从.49kg慢慢裁减到.45kg，蓄冷换热器罐体成本也慢慢低沉。在知足安装蓄冷容量和罐体容积的请求下，加工成本最低须要万元，最高须要万元。表2蓄冷换热器罐体原料与成本计较成绩3蓄冷效率优化制作成本和蓄冷效率(η)是蓄冷换热器的紧要评估目标，基于成本优化成绩，本节紧要对固体氯化钠蓄冷换热器的蓄冷效率停止优化解析，归纳评估后拔取最优布局尺寸的蓄冷换热器。以蓄冷完结8h后的蓄冷量计较蓄冷效率，蓄冷效率优化对象不小于96%。蓄冷换热器冷量损失(Qloss)主假如由蓄冷换热器圆柱罐体侧面(Qloss，1)以及圆柱罐体高低底面(Qloss，2)与领域处境的换热造成的。是以蓄冷换热器冷量损失能够由式(10)计较得到式中，k为总传热系数，W/(m2·K)；A为罐体外侧面积，m2；△T为换热温差，K。式(11)为总传热系数k的计较式，式中，R11、R12、R13别离为不锈钢壁面的导热热阻、保温层的导热热阻以及保温层外壁面与领域处境的对流换热热阻。在式(11)的计较过程中疏忽各界面之间的来往热阻(包罗以后的散热量计较皆疏忽来往热阻)。
凭借第2节所述的打算规则和环节针对不同尺寸蓄冷换热器的蓄冷效率停止优化打算，图4为蓄冷损失量随蓄冷换热器高度的改变成绩，从图中能够觉察蓄冷换热器圆周部份的冷损失量弘大于底部和顶部封头部份的冷损失量。这是由于在统一长径比前提下，蓄冷换热器罐体的圆柱部份外貌面积约为高低封头外貌面积的17倍，且在保温过程中，高低封头的换热系数小于外界流体绕流圆柱罐体表面的换热系数。同时跟着蓄冷换热器高度增多，其圆周部份的冷损失量慢慢增多，这是由于其换热面积增大造成的。从表3能够看出，跟着蓄冷换热器长径比(H/D)的减小，冷损失量慢慢低沉，蓄冷效率慢慢增多。归纳思量后期的制作、安置、填料及运转等题目，优选序号为14的蓄冷换热器尺寸，其长径比(H/D)为4，蓄冷效率为96.08%，均知足优化打算请求。
图4蓄冷损失量随蓄冷换热器高度的改变表3蓄冷换热器蓄冷效率优化打算4蓄冷功率对蓄冷效率的影响如表4所示，基于优选的蓄冷换热器尺寸参数，别离打算了在蓄冷光阴和保温光阴别离为1h和8h，0.5～10MW不同功率下的蓄冷换热器尺寸。并通过计较获患有不同蓄冷功率下的蓄冷效率(图5)。在8h的保温过程中，当蓄冷功率从0.5MW升至10MW增多了19倍时，冷损失量从.57kJ至.1kJ，增多了13%。在功率为10MW，换热器内径为mm、高度为mm时，保温层厚度被打算为mm时，蓄冷效率可达96.08%。表4不同功率下蓄冷换热器的布局尺寸图5不同蓄冷功率下的冷量损失和蓄冷效率如图5所示，在蓄冷光阴为1h，保温光阴为8h的过程中，跟着蓄冷换热器罐体蓄冷功率即蓄冷量的慢慢提高，其蓄冷效率显然回升，蓄冷功率为0.5MW时，蓄冷量为1.8×kJ，蓄冷效率为94.65%。当蓄冷量增多一倍时，蓄冷效率为95.18%，增多了0.53%；当蓄冷功率为10MW时，蓄冷效率为96.08%，同比增加1.43%。这是由于跟着蓄冷安装功率的增多，罐体在一样长径比景况下的面孔比继续裁减，固然保温过程中的冷量损失继续增多，然则总散热量占蓄冷换热器总蓄冷量的比例是继续降落的。是以其蓄冷效率慢慢抬高。看来在超临界紧缩空气储能系统中，打算和研发高效紧凑的大蓄冷量蓄热蓄冷储能安装对系统的大范围运用和完全本能的提高有要害意义。5论断本文通过理论解析和计较对超临界紧缩空气储能系统的蓄冷安装停止探索，凭借蓄冷量和蓄冷本能的请求打算了一种布局对照简捷，换热本能更好的填充床式蓄冷换热器。获患有在给定蓄冷量下蓄冷换热器的加工成本和蓄冷效率随罐体高度改变干系，并进一步探索了在最优尺寸打算下蓄冷功率对罐体冷量损失和蓄冷效率的影响，紧要论断以下。（1）10MW蓄冷换热器在给定体积的景况下，跟着安装内径等步长减小，高度继续增多，同时面孔比继续降落，安装壁面厚度慢慢增多。而且在知足安装蓄冷容量的请求下，14组打算尺寸中罐体原料慢慢裁减，加工成本也慢慢低沉。（2）通过计较打算的蓄冷安装在理论运转过程中的对流换热特征和冷量损失，觉察圆柱罐体侧面与领域处境的换热以及圆柱罐体高低底面与领域处境的换热两部份构成，侧面散热功率随罐体高度的低沉显然裁减且弘大于高低底面的散热功率。（3）关于不同运转功率下蓄冷换热器的蓄冷效率停止相比，觉察在特定长径比景况下，蓄冷效率随功率的增大慢慢抬高。在14号打算参数下，总的冷量损失为.75MJ。此时长径比为4，对应的罐体原料为.52kg，加工成本约需万元。其蓄冷效率为96.08%，知足打算请求，是以14号的换热器参数为最好打算。第一做家：吴玉庭（—），男，博士生导师，紧要探索方位为高温高热散播热蓄热、下品味动力高效热功变换，先进制冷技巧，E-mail：wuyutingbjut.edu.cn。通信做家：张灿灿，硕士生导师，紧要探索方位为高效储能材料，加强传热等，E-mail：zccbjut.edu.cn。干系文章
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