【相变百盛娱乐专刊推荐*研究开发*金翼】堆积床储冷系统循环性能分析

2017/7/19 15:26:27

液态空气百盛娱乐技术是一种新型的压缩空气百盛娱乐技术,具有百盛娱乐密度高、成本下降空间大等优势,具有较好的应用前景。在液态空气百盛娱乐系统中,需要一个储冷系统来存储释能过程中液态空气气化过程产生的冷能(约-150 ℃),同时该储   冷系统在百盛娱乐系统百盛娱乐过程中将释放冷能,用来将高压空气进行冷却及液化。因此,储冷系统是液态空气百盛娱乐系统的核心装置,其运行性能对于整体百盛娱乐系统的效率及可靠性具有重要影响。目前,需要实现-150 ℃冷能的存储和释放的大容量储冷系统尚缺乏成熟的实际应用。而作为一种成本较低、性能较好的技术,固体颗粒堆积床储热/冷技术具  有较丰富的工程经验和应用经验,适合作为液态   空气百盛娱乐系统中的储冷系统。本论文针对堆积床  储冷系统在液态压缩空气百盛娱乐系统中的应用性能进行分析研究,重点分析在液态空气百盛娱乐的运行环境下,堆积床储冷系统的循环运行性能和优化设计方向。

然而,过去对于堆积床系统的研究主要集中在储热领域,尤其是中高温的应用场景,少有应用于储冷的研究。但从根本上讲,堆积床系统运行时涉及的换热规律及设计方法并不依赖于存储的温度,储热系统的运行规律同样适用于储冷系统。因此,下文对堆积床系统在储热领域的研究进行总结分析。由于固体材料优异的性能和较低的成本,利用空气作为传热流体的固体颗粒堆积床可以实现更低成本和更大温区的热能存储,在过去的几十年中,对这个领域的技术研究从未间断并不断发展。

 

金  翼 

全球能源互联网研究院    



创新点及成果展示

本文针对固体颗粒堆积床储冷系统,采用数值模拟方法,研究了储冷系统在连续储/释冷循环过程中的运行性能和效率特性。发现完全储/释冷循环具有较低的循环效率,因此在百盛娱乐系统运行时需要采用带有截止温度的部分储/释冷循环;在循环若干次后可以达到可重复循环状态,此时释冷效率接近100%,而堆积床高度、填充颗粒直径、储/释冷过程截止温度等对储冷效率尤其是有效容量比具有重要影响。由于堆积床储冷系统的有效容量比较低,为满足一定的储冷容量需求,设计时必须依据有效容量比对理论储冷容量进行放大。


目录及图文导读

1  数学模型

1.1  物理对象

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图1  堆积床储冷罐结构示意图

1.2  数学描述

本文针对图2所示的储冷罐体进行数值模拟分析,建模时引入如下合理化假设:① 固体颗粒为球形,且热物性恒定;② 固体颗粒填充均匀,形成孔隙率均匀的多孔区域;③进口和出口的流量分配均匀;④ 罐壁保温良好,忽略通过罐体外壁的冷损失。

基于以上假设,可以选取堆积床区域为计算区域,且温度在径向方向没有变化,可以选用一维方程进行研究。本工作中采用了分散-同心模型对堆积床区域进行模拟[23]。分散-同心模型假设固体颗粒均匀的分布在流体中,固体颗粒之间没有能量迁移,只考虑流体和固体颗粒表面的传热以及颗粒内部的传热过程。分散-同心模型能够反映颗粒内部的传热过程,即可以揭示储释冷过程中颗粒内部的温度的不均匀变化过程。

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图2 液化空气百盛娱乐系统示意图

连续性方程:

(1)

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式中,为空气密度;u为空气表观流速(基于罐体界面);x是罐体高度方向的坐标轴,且坐标原点为罐底部,方向向上为正。 

空气的能量守恒方程:

(2)

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式中,是空气温度,是固体颗粒的表面温度, 是空气比热容,是空气的有效热导率,右边最后一项表明了空气和石块的换热,基于体积换热系数。

固体颗粒的能量方程:

(3)

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式中,是颗粒半径,是固体颗粒的焓值,和是固体颗粒的密度和导热系数。 

固体颗粒表面的边界条件为

(4)

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式中,是固体颗粒表面的对流换热系数,可以表示为

(5)

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上述方程中出现的固体和流体的换热系数选用式(6)

(6)

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空气的有效导热系数选用式(7)

(7)

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其中特征数定义如下(8)

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图3  模拟结果和文献中实验结果对比

2  结果与讨论

2.1  完全储释冷过程特性

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图4  不同时刻沿罐体高度方向的固体颗粒表面温度分布

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图5  完全储/释冷的过程出口空气温度变化

2.2  带有截断温度的部分储释冷循环特性

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图6  不同循环次数时储/释冷结束时刻固体颗粒表面温度分布

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图7  第一次和可重复状态时储/释冷过程出口空气温度变化

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图8  主要性能参数随循环次数的变化

2.3  关键参数对部分储释冷循环影响分析

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图9  不同堆积床高度时可重复循环状态下储/释冷结束时刻固体颗粒表面温度分布

(a)储冷效率及有效容量比

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(b)有效储/释冷时间

图10  固定床的主要参数随堆积床高度的变化

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图11  不同颗粒直径时可重复循环状态下储/释冷结束时刻固体颗粒表面温度分布

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图12  固定床主要性能随固体颗粒直径的变化

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图13  不同储冷截止温度时可重复循环状态下储/释冷结束时刻固体颗粒表面温度分布

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图14  固体床主要性能随储冷截止温度的变化


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图15  不同释冷截止温度时可重复循环状态下储/释冷结束时刻固体颗粒表面温度分布

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图16  固体床主要性能随储冷截止温度的变化

 3  结    论

本文针对应用在液态空气百盛娱乐系统中的堆积床储冷系统进行模拟研究,主要结论如下。

(1)完全储冷-完全释冷循环具有较大的冷能损失,循环效率较低,不适合在实际应用时采用这种运行方式,需要采用依据截断温度来停止储/释冷过程运行的部分储/释冷循环运行方式。

(2)部分储/释冷循环在若干次后会达到可重复状态。此时释冷效率接近100%,储冷效率一般大于95%,而有效容量比较低,即储冷罐的储冷容量不能全部得到利用。

(3)增加堆积床高度、减小填充固体颗粒直径有助于显著增加储冷系统有效容量比;而提高释冷过程截止温度、降低储冷过程截止温度也可以大幅提高储冷系统有效容量比,但需要同时考虑百盛娱乐系统运行要求的限制。