高溫顯熱-潛熱復合儲熱系統(tǒng)傳熱特性研究

王 艷，白鳳武，楊 貝，王志峰

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高溫顯熱-潛熱復合儲熱系統(tǒng)傳熱特性研究

王 艷，白鳳武，楊 貝，王志峰

（中國科學院太陽能熱利用及光伏系統(tǒng)重點實驗室，中國科學院電工研究所，北京100190）

儲熱是解決可再生能源供需不匹配的重要手段。本文對以空氣為傳熱介質，以顯熱材料—高鋁陶瓷球和潛熱材料—熔融鹽相變管為儲熱材料的高溫顯熱-潛熱復合儲熱系統(tǒng)的傳熱特性開展了實驗研究。研究結果表明：在充放熱過程中，利用熔鹽相變儲熱材料穩(wěn)定的相變溫度特性，可以有效地提升固體堆積床儲熱系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。顯熱-潛熱復合儲熱系統(tǒng)的循環(huán)熱效率達到75%左右，高于全顯熱固體堆積床儲熱系統(tǒng)。

熔鹽相變管；顯熱-潛熱復合儲熱；熱穩(wěn)定性；循環(huán)熱效率

在可再生能源利用過程中，儲熱技術被認為是有效提高能源綜合利用效率的關鍵技術之一，可實現(xiàn)能源供給與需求在時間、空間和強度上的匹配調節(jié)。目前儲熱技術主要以顯熱儲熱和潛熱儲熱為主。顯熱儲熱通過儲熱材料溫度的升高或降低來實現(xiàn)熱量的存儲，其儲能密度低、溫度波動大。潛熱儲熱采用相變材料實現(xiàn)熱量的儲存，其儲能密度高，儲熱過程近似等溫，但相變材料本身的導熱系數(shù)較低，增加了充放熱過程中的熱阻。

以空氣為傳熱流體，巖石、陶瓷球、石墨等為儲熱材料的顯熱堆積床儲熱系統(tǒng)，由于其結構簡單、儲熱效率高，同時具有良好的經濟性，在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中被認為是有效的儲熱方式之一[1-5]。HASNAIN[6]對不同的堆積床儲熱材料進行了研究，指出巖石、金屬、混凝土、沙子、磚塊等可同時作為低溫和高溫儲熱材料。巖石、混凝土等材料的主要優(yōu)點是成本低，而鋁、鎂、鋅等金屬的主要優(yōu)點是熱導率高，且若采用銅渣、鋁渣、鐵渣等固體工業(yè)廢料，其成本會明顯降低。ZANGANEH等[2]建造了一個 6.5 MW·h以空氣作為傳熱流體、以巖石作為儲熱介質的半工業(yè)化規(guī)模的固體堆積床儲熱系統(tǒng)，充熱時間達110 h，實驗過程的整體熱損保持低于輸入能量的3.5%，放熱時空氣出口溫度保持在550 ℃以上，而當儲熱系統(tǒng)運行達穩(wěn)定狀態(tài)時，系統(tǒng)整體熱效率達89%。WANG等[5]對以空氣為傳熱流體，蜂窩陶瓷為儲熱介質的單罐堆積床儲熱系統(tǒng)的研究結果表明，單罐堆積床儲熱系統(tǒng)的充放熱循環(huán)效率達到75%以上。

但由于顯熱系統(tǒng)是利用材料溫度的變化來存取熱量，在放熱過程中，傳熱流體的溫度逐漸下降，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定。同時，由于受顯熱儲熱材料儲熱密度低、溫度變化大等因素的影響，顯熱儲熱的儲熱容量因子（即實際儲熱量與其理論最大儲熱量之比）較低[7]。

相比于顯熱儲熱，相變材料由于具有較高的儲熱密度、穩(wěn)定的相變溫度，可以有效提高儲熱系統(tǒng)50%左右的儲能密度，同時降低40%左右的投資成本，近年來受到了廣泛的關注[8]。早期對相變儲熱的研究主要集中在低溫相變儲熱[9-11]，如石蠟、膨脹石墨等儲熱材料。高溫儲熱的實驗研究（500 ℃以上）主要是以無機鹽或金屬為儲熱材料。由于相變材料的溫度較高，充放熱過程中，溫度變化幅度較大，使得儲熱材料的熱量無法有效的得到利用。對顯熱儲熱和潛熱儲熱的研究對比表明：使用相變材料全部代替顯熱材料，儲熱系統(tǒng)的儲熱性能不能得到明顯提高[12-13]。而級聯(lián)相變由于可以利用不同熔點溫度下的相變材料進行儲熱，有效地提高了不同溫度范圍內的儲熱容量利用因子，其儲熱性能提高19.36%[14]，但卻增加了整個儲熱系統(tǒng)的復雜性和初期投資成本。

為了降低儲熱系統(tǒng)的投資成本，同時提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提出了利用顯熱材料的低成本，相變材料穩(wěn)定的溫區(qū)范圍，將顯熱儲熱和潛熱儲熱相結合的高溫儲熱方式[15]。通過數(shù)值和實驗研究表明，采用巖石作為顯熱材料，AlSi12作為相變材料的顯熱-潛熱復合儲熱系統(tǒng)，當相變材料的體積比達到1.33%以上時，在相變溫度點575 ℃附近，可以保證單罐固體儲熱系統(tǒng)放熱時出口溫度的恒定[15]。

為了進一步研究顯熱-潛熱復合儲熱系統(tǒng)的傳熱特性，本文開展了以空氣為傳熱介質，以高鋁陶瓷球和熔鹽翅片管為儲熱材料的顯熱-潛熱固體堆積床儲熱系統(tǒng)內部傳熱特性的實驗研究。

1 顯熱-潛熱復合儲熱實驗系統(tǒng)

1.1 顯熱-潛熱復合儲熱器

顯熱-潛熱復合儲熱器為圓柱罐體，頂部和底部分別有兩個圓錐體，用于連接管道，同時空氣進入儲熱器時起到均流和匯流作用。儲熱器截面為圓形，內徑700 mm，外徑1112 mm，高4000 mm。罐體由耐火磚一體澆筑而成，厚度為100 mm，耐火磚外面包裹有100 mm厚的石棉隔熱層，石棉層外面則包裹有6 mm厚的不銹鋼外殼，其具體結構如圖1所示。顯熱-潛熱復合儲熱器采用高鋁陶瓷球作為顯熱材料，以硝酸鉀、硝酸鈉和硝酸鋰混合的三元硝酸熔融鹽作為潛熱材料，其中三元硝酸熔融鹽封裝在內外翅片管中，組成熔融鹽相變管，三元硝酸熔鹽的熱物性采用德國耐馳公司生產的同步熱分析儀STA-409PC進行測試。質量為1噸的高鋁陶瓷球隨機堆積在儲熱器內，堆積密度為57%。105根熔融鹽相變管分5層堆積在高鋁陶瓷球的上方，層間相變管以45°方位角進行排列，在儲熱器中形成自然的空氣流通通道。利用潛熱材料的高比熱容，顯熱材料的低成本，提高固體儲熱系統(tǒng)在成本及性能上的優(yōu)勢。圖2所示為實驗過程中的儲熱材料。表1和表2所示為儲熱材料的熱物性參數(shù)。

1.2 顯熱-潛熱復合儲熱實驗系統(tǒng)

圖3所示為顯熱-潛熱復合儲熱器熱性能實驗測試平臺。儲熱器熱性能測試平臺由風機、高溫空氣加熱爐、儲熱器、調節(jié)閥、流量計、壓差變送器、熱電偶所組成。風機作為動力源和氣源，從室外將空氣引入到空氣加熱爐或管道中。空氣加熱爐采用電加熱的方式，提供300～600 ℃的熱空氣；壓差變送器測量空氣流經儲熱器時的壓力損失。采用熱電偶對空氣溫度、儲熱塊溫度，儲熱器的表面溫度進行測量。空氣流量采用氣體流量計進行測量。

充熱時，室溫空氣經風機進入到高溫空氣電阻爐進行加熱。從高溫空氣電阻爐內出來的500～600 ℃的高溫空氣從顯熱-潛熱復合儲熱器的頂部進入，依次與熔鹽相變管，高鋁陶瓷球進行換熱，從儲熱器的下部排出。高溫空氣從上部進入儲熱罐內，保證了熱量最大限度的進行存取。

（a）高鋁陶瓷

（b）熔融鹽相變管

圖2 顯熱-潛熱儲熱材料

Fig.2 Sensible and latent storage material

放熱時，室溫空氣經風機泵送后，從顯熱-潛熱復合儲熱器的下部直接進入到儲熱罐中，依次與高鋁陶瓷球、熔鹽相變管換熱。經換熱后的高溫空氣從儲熱罐的上部排出。室溫空氣從儲熱罐的下部進入，先與低溫儲熱材料進行換熱，有效地減少了換熱過程中的熱損失。

表1 高鋁陶瓷球性能參數(shù)

表2 硝酸熔融鹽性能參數(shù)

1.3 測試系統(tǒng)

實驗過程中，分別對系統(tǒng)中傳熱流體的溫度、固體儲熱介質的溫度以及空氣加熱爐內爐膛的溫度進行了測量。為保證測溫的準確性，整個測試系統(tǒng)總計采用54根K型和S型熱電偶，熱電偶的測量精度均為±0.1 ℃。圓柱形儲熱器內堆積有一定高度的高鋁陶瓷球和相變傳熱管，在對高鋁陶瓷球和相變傳熱管的溫度進行測量時，沿固體堆積床高度方向每隔500 mm設定1個測溫截面，將儲熱器分為5個區(qū)域。每一個測溫截面布置了6根K型熱電偶， 用于測量儲熱器內空氣及儲熱介質的溫度，如圖4 所示。

2 數(shù)據分析方法

數(shù)據分析過程中，采用算術平均對5個截面的溫度進行計算，見式(1)

單位體積儲熱量為單位體積的儲熱材料在充放熱過程中，一定時間內獲得的或釋放的熱量，如式(2)所示

（2）

充熱效率為充熱過程儲熱材料在一定時間內獲得的熱量，與空氣充熱過程傳遞給儲熱材料的熱量之比，用百分比表示。

放熱效率為一定的放熱時間內，空氣與儲熱材料對流換熱后獲得的熱量與儲熱材料釋放的總熱量之比，以百分比表示。

（4）

循環(huán)熱效率定義為在整個充放熱過程中，儲熱材料在放熱過程中放出的熱量與在充熱過程中，空氣提供的熱量之比。反應了儲熱器的整體效率，如式(5)所示。

3 實驗結果分析

3.1 顯熱-潛熱復合儲熱系統(tǒng)

為了分析單罐固體堆積床儲熱器的傳熱性能，對不同溫度、相同流量和不同流量，相同溫度下儲熱器的熱性能進行了研究，具體實驗工況如表3所示。充熱時，當熔鹽相變管的溫度達到設定溫度值時認為充熱完成，即表3實驗工況中所示的溫度。放熱時，以不同空氣流量為約束條件，對顯熱-潛熱復合儲熱系統(tǒng)的放熱特性開展研究。

表3 顯熱-潛熱儲熱性能實驗工況

3.1.1 儲熱材料溫度分布

圖5所示為充放熱過程中，復合儲熱器內不同堆積高度處高鋁陶瓷球和熔鹽相變管的溫度變化。圖5表明，充放熱過程中，儲熱器內儲熱材料的溫度分布呈現(xiàn)斜溫層分布。充放熱過程中，當相變材料的溫度達到相變溫度點后，管內熔融鹽開始發(fā)生液化或凝固。由于受熔鹽相變管的限制，管內封裝的熔融鹽質量較少，因此在充放熱過程中，潛熱所占的比重明顯小于顯熱材料的比重，系統(tǒng)內相變過程較短。

圖6所示為放熱過程中，不同流量下熔鹽相變管的溫度變化。

從圖中可以看出，放熱過程中，當溫度達到熔融鹽相變溫度點時，管內熔融鹽開始凝固。但由于管內熔鹽相變材料的質量較少，相變時間僅為20～50 min。放熱初始不同空氣流量下，熔融相變管內的溫度變化基本一致。主要是因為空氣與相變管之間的對流換熱較弱，而熔融鹽的相變潛熱大，一定空氣流速下，對熔融鹽相變管溫度的影響小于顯熱狀態(tài)下的影響。當相變管內熔融鹽全部凝固后，隨著空氣流量的增大，相變管的溫度顯著下降。圖6的結果表明，利用潛熱材料可以有效地維持系統(tǒng)溫度的恒定。

3.1.2 空氣出口溫度變化

圖7所示為不同放熱流量及不同初始放熱溫度下的儲熱器放熱空氣出口溫度分布規(guī)律。

（a）不同放熱流量

（b）不同放熱初始溫度

圖7 儲熱器放熱空氣出口溫度分布

Fig.7 Air outlet temperature distribution during discharging

圖7結果表明，放熱初始溫度相同時，不同放熱流量條件下，空氣與熔鹽相變管的熱交換速率基本一致，空氣出口溫度在400 ℃以上的時間大約為80 min左右。其原因在于熔鹽封裝在相熱管中，熔融鹽在相變管內的凝固速率主要受熔融鹽與翅片管之間的導熱所影響，其熱交換速率基本維持一致。當相變完成后，空氣與翅片管之間的換熱主要為顯熱，其換熱速率隨著流量的增大而增大，因此當空氣流量為150 m3/h時，空氣出口溫度為200 ℃以上的時間僅為空氣流量為100 m3/h的2/3。提高儲熱器放熱初始溫度，增大了儲熱器內顯熱材料的儲熱量，有效地延長相變點以上空氣出口溫度的時長。充熱終了相變材料溫度提高100 ℃，其相變點以上空氣出口溫度時長增加120 min，提高了儲熱設備的利用率。

3.2 儲熱性能對比分析

國務院總理周恩來1974年做出批示：“天然氣進京，把首都變成空氣最干凈，街道最清潔，環(huán)境最優(yōu)美的城市?！卑讶A北油田的天然氣引進北京城，這是周總理生前愿望，也是廣大石油工人的多年夙愿。

為了更好的分析復合儲熱器的性能，對全顯熱和顯熱-潛熱復合儲熱兩種不同形式的儲熱特性進行了對比分析。全顯熱儲熱系統(tǒng)是采用高鋁陶瓷替換熔鹽相變管，儲熱材料全部為高鋁陶瓷球，陶瓷球的總重量為1.2噸。

兩種儲熱形式下，充熱時當儲熱罐最上層（第五區(qū)）的溫度達到500 ℃時充熱完成。放熱時，空氣流量設定為150 m3/h。分別對兩種不同儲熱形式下，放熱時空氣出口溫度的穩(wěn)定性及系統(tǒng)的循環(huán)熱效率進行了對比分析。

3.2.1 空氣出口溫度分布

圖8所示為全顯熱和顯熱-潛熱兩種不同儲熱形式下，放熱時空氣出口溫度隨時間的變化。從圖中可以看出，當空氣出口溫度為400 ℃以上時，顯熱-潛熱儲熱器的放熱時長為70 min，全顯熱時的放熱時長僅為60 min。同時，顯熱-潛熱復合儲熱相對于全顯熱儲熱，放熱時空氣出口溫度的變化相對較平緩，有利于傳熱流體的末端能源利用。但由于相變材料質量僅為整個儲熱材料的3%，因此對于穩(wěn)定出口空氣溫度的效果不是太顯著。

3.2.2 儲熱器效率

圖9所示為不同儲熱形式下，固體堆積床儲熱器的循環(huán)熱效率。從圖中可以看出，單罐顯熱-潛熱堆積床儲熱器的循環(huán)熱效率達到75%以上，而全顯熱堆積床儲熱器的循環(huán)熱效率為65%以上。由于潛熱材料儲釋放熱過程為恒溫相變過程，有效地降低了儲熱器與外部環(huán)境的熱交換，從而減少了系統(tǒng)的對外熱損失，有效地提高單罐固體堆積床儲熱器的整體效率。

（a）整體變化圖

（b）局部放大圖

圖8 不同儲熱形式下空氣出口溫度

Fig.8 Air outlet temperature under different kind of thermal storage

4 結 論

本文通過實驗，研究了以空氣為傳熱介質，以高鋁陶瓷球顯熱材料和熔融相變管為潛熱材料的復合相變儲熱系統(tǒng)的傳熱儲熱特性。研究結果表明，顯熱-潛熱復合儲熱系統(tǒng)，由于潛熱材料的加入，使得在充放熱過程中，儲熱材料的溫度在相變點以上更加平緩。同時，放熱過程中，由于潛熱材料凝固過程為等溫變化，空氣出口溫度較全顯熱儲熱系統(tǒng)的空氣出口溫度變化平滑。增加一定量的潛熱材料后，使得有效空氣出口溫度的時長增加了17%，其系統(tǒng)的循環(huán)熱效率由原來的65%提高到75%。

符 號 說 明

—比熱容，kJ/(kg·K)

—質量，kg

—時間，s

—溫度，℃

—體積，m3

—單位時間換熱量，kJ/s

希臘字母

—熱效率

下標

air—空氣

c—充熱過程

d—放熱過程

s—固體

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Heat transfer behavior of a combined sensible-latent thermal energy storage system for high temperature appilications

WANG Yan, BAI Fengwu, YANG Bei, WANG Zhifeng

(The Key Laboratory of Solar Thermal Energy and Photovoltaic System, IEE-CAS, Beijing 100190, China)

Thermal energy storage (TES) is a key technology to resolve issues of dispatchability and load shift of renewable energy utilization. In this paper, we present an experimental study on a high-temperature combined sensible-latent TES, which uses air as heat transfer fluid, alumina rich ceramic balls as sensible storage material and salt as latent heat storage material. The results showed that the thermal stability of packed-bed based TES system was improved during both charging and discharging processes when PCM was used because the PCM released heat at an almost constant temperate at the phase point. The cyclic efficiency of the combined sensible-latent TES system was about 75%, which was higher than the sensible TES system.

molton salt phase change pipe; sensible-latent thermal storage system; thermal stability; cyclic efficiency

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0061

TK 514

A

2095-4239（2017）04-719-07

2017-05-18；

2017-06-02。

國家自然科學基金（51306170），國家科技支撐計劃（2014BAA01B01）項目。

王艷（1978—），女，副教授，研究方向為太陽能熱利用領域的高溫儲熱，E-mail：wangyan955@126.com。