[发明专利]一种填充床储热装置及储热球的制备方法

摘要

本发明公开了一种两层变球径填充床储热装置，并提出了一种储热球的制备方法。在填充床储热装置上层布置大直径储热球，下层布置小直径储热球，该填充床储热结构综合考虑了储热速率和储热密度两个储热装置重要的评价指标，以实现填充床储热装置储热速率密度最大为设计原则，通过优化设计获得填充床内储热球直径的最佳组合，使得储热装置具有最佳的储热性能。本发明所提出的一种储热球制备方法，可以制备储热密度高、导热性好、机械强度高、密封性好、制备工艺简单的储热球。

主权项

1.一种填充床储热装置，包括上、下两端分别开设有流体进、出口通道(4、5)的储热罐体，在储热罐体内即填充床位置设置有两层直径不同的储热球，上层储热球的直径大于下层储热球的直径，且在两层储热球的外面分别设置有与流体进、出口通道(4、5)相连通的顶部、底部均流分布器(8、9)，其特征在于，所述两层储热球直径的选择通过数值模拟优化获得，具体过程如下：/n1-1)确定储热装置的具体尺寸参数以及运行工况，包括储热装置的高度H_tank、填充床高度H_bed、储热装置的直径D、储热球可选直径d_p、储热过程进口温度T_in，储热过程进口质量流量u_in；/n1-2)分别构建使用两种不同储热球直径组合的储热装置传热模型，对不同储热球组合下的储热装置模型进行模拟计算；/n1-3)根据数值计算结果，获得不同情况下的储热时间τ、储热量Q_stored，从而计算储热速率p、储热密度q以及储热速率密度w；/n其中，储热量Q_stored的定义为：/nQ_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)/n储热速率p的定义为：/n储热密度q的定义为：/n储热速率密度w的定义为：/n式中：m_p为相变材料总质量，m_EPCM为储热球总质量，包括相变材料质量m_p和不锈钢球壳体质量m_shell，C_p,s为相变材料固态比热容，C_p,l为相变材料液态比热容，C_p,shell为不锈钢比热容，ΔH为相变材料潜热，T_m为相变材料熔点，T_in为储热器进口温度，T_ini为储热器初始温度；/n1-4)比较不同储热球直径组合下的储热速率密度，得到储热器储热性能最佳即储热速率密度w最大的储热球直径组合；/n其中，所述步骤1-2)中，为了能够得到填充床内相变储热球以及换热流体的温度分布，采用同心轴对称扩散模型，为简化计算，做如下合理的假设：(1)填充床内的储热球均匀分布，孔隙率是均匀的，换热流体的温度和速度沿着流动方向均匀分布；(2)忽略沿着储热罐径向的温度变化；(3)储热罐进口和出口处的热损失忽略，假设只有换热流体和外界通过储热罐壁面进行换热而产生热损失；(4)忽略辐射换热；/n则模型的控制方程、边界条件与初始条件如下：/na)控制方程/n流体：/n固体：/n对于相变材料来说，在加热过程中会发生相变，物性参数发生变化，为了能够描述相变过程，采用显热容法，即认为相变发生在一个很小的温度区间，ΔT_m＝T_m2-T_m1，在这个温度区间内相变材料具有很大的比热容，加热过程的三个阶段物性分别为：/n固态显热阶段：/nc_p＝c_p,s，λ_p＝λ_s，T_p＜T_m1 (7)/n相变储热阶段：/n /n液相显热阶段/nc_p＝c_p,l，λ_p＝λ_l，T_p＞T_m2 (9)/n固体与流体之间的换热系数采用经验关联式：/n /n储热罐与环境的热损失定义为总换热损失系数h_w，包括罐内换热流体与罐壁的对流换热系数h_i，罐壁的导热以及保温棉的导热，忽略外壁面的自然对流以及辐射热损失，h_w的计算采用关联式：/n /n式中，r_bed为储热罐的内径，j＝1指代储热罐的内壁面，j＝2指代储热罐的外壁面，j＝3指代保温棉外层，即r₁，r₂以及r₃分别表示储热罐的内壁面半径、外壁面半径以及保温棉外层半径，内壁面的热损失换热系数为h_i，忽略外壁面的自然对流以及辐射热损失，h_i的计算采用换热关联式：/n /n对于填充床模型，流体项的等效导热关联式为：/n /n其中，φ＝1-ε，β＝(λ_p-λ_f)/(λ_p+2λ_f)/nb)边界条件和初始条件：/n边界条件：/n流体相：/n /n固体相：/n /n初始条件：在储热初始时刻罐体内储热球与传热工质温度相同且为T_ini，处于热平衡状态；/n式中，ε为填充床孔隙率；下标f与p分别表示传热工质与储热球，下标eff表示有效值，下标l与s表示固态与液态，w为壁面；Re与Pr的特征尺度是储热球当量直径d_p；ρ为密度，c_p为定压比热容，λ为导热系数，u为工质表观速度，h_f为传热工质与储热球的体对流换热系数，h_i为壁面的热损失换热系数。/n