熔盐蓄热装置预热过程的数值模拟.pdf

第51 卷第8 期2023年8 月化学工程CHEMICAL ENGINEERING(CHINA)Vol.51 No.8Aug.2023熔盐蓄热装置预热过程的数值模拟齐忠诚，朱志伟，李凌（上海理工大学能源与动力工程学院，上海2 0 0 0 9 3）摘要：针对单罐太阳能聚光熔盐光热装置，采用填充泡沫铜代替隔板来提高整体的换热效果。通过数值方法，研究填充不同孔隙率泡沫铜对熔盐整体熔化预热效果的影响，同时探讨不同孔隙率对整体蓄热效率以及效率的影响。结果表明：由于单位体积泡沫铜本身吸热能力强于熔盐，填充泡沫铜有利于提高整体的传热效果，随着泡沫铜孔隙率的减小，单位体积熔盐完全熔化时间先下降后上升，能量效率先增加后减小，效率一直增大并趋于定值。关键词：熔盐相变；分析；预热；泡沫金属中图分类号：TK515D0I:10.3969/j.issn.1005-9954.2023.08.003Numerical simulation of preheating process ofmolten salt heat storage unitQI Zhongcheng,ZHU Zhiwei,LI Ling(School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science andTechnology,Shanghai 200093,China)Abstract:For a single-tank solar concentrated molten salt photothermal device,filling copper foam was used toreplace the baffle plate to improve the overall heat transfer effect.By numerical method,the effect of flling copperfoam with different porosity on the overall melting preheating effect of molten salt was studied,and the effect ofdifferent porosity on the overall thermal storage efficiency and exergic efficiency was also discussed.The results showthat the heat absorption capacity of copper foam per unit volume is stronger than that of molten salt,and flling copperfoam is beneficial to improve the overall heat transfer effect.With the decrease of the porosity of copper foam,themelting time of molten salt per unit volume decreases first and then increases,the energy efficiency increases firstand then decreases,and the exergic efficiency always increases and tendes to a constant value.Key words:molten salt phase transition;exergic analysis;preheating;foam metal太阳能具有能量密度低和间歇性的特征，光热发电配备热能储存在平衡能源需求和电力供应方面发挥着关键作用。蓄热装置采用太阳辐射参与下的热能吸收方式，一种采用装置壁面吸收太阳辐射，然后通过介质与装置壁面对流换热吸收热量进而进行储存，由于材料限制，太阳通量直接照射传热流体管壁会导致管材超温。在改善管材局部热点问题方面，一些研究主要采用在管材内部填充高孔隙率材料1-2 1 来提高整体的温度均匀性。另一种采用熔盐直接吸收太阳辐射，并采用单罐进行热量储存。这种吸收热量收稿日期：2 0 2 2-1 0-0 5；修回日期：2 0 2 2-1 1-2 4作者简介：齐忠诚（1 9 9 7 一），男，硕士，研究方向为熔盐相变，电话：1 50 9 38 57 8 7 3，E-mail：z h o n g c h e n g 2 1 4 9 1 4 1 6 3.c o m；李凌，女，博士，教授，通信联系人,E-mail:liling 。文献标志码：A文章编号：1 0 0 5-9 9 54(2 0 2 3)0 8-0 0 1 2-0 6方式，相比第一种采用传热流体间接蓄热方式，减少了传输流体管道并且泵送用能降低。Calvet等3 提出了CSPonD系统（单罐储热蓄热装置），装置将吸收太阳辐射装置与热能储存连接为一个整体。太阳光束向下入射到熔盐罐开口区，为了增强熔盐辐射吸收，向表面覆盖炭黑，并通过隔板上下移动驱动自然对流,增强熔盐温度均匀性。为了加快熔化以及防止熔盐罐底部熔盐凝固，在底部添加有电辅热装置。单罐装置中的熔盐可作为高效接收器、传热流体和蓄热介质。已有很多学者对单罐熔盐储热系统的性能进行了研究,文献4-5 都采用将液体中添加齐忠诚等熔盐蓄热装置预热过程的数值模拟不同粒径纳米颗粒,采用数值方法研究太阳强度、介质光学厚度对于整体温度分布的影响。太阳辐照直接加热熔盐方面的研究，大多集中在熔盐为液态时填充纳米颗粒对于太阳辐照的吸收以及温度分布，很少考虑熔盐熔化前的预热情况。熔盐的预热效果会影响后续的储热性能,研究发现，熔盐在固体时由于低导热性以及对光的强反射性，预热效果较差，通过添加泡沫金属 6-7 可提高传热能力。文中考虑熔盐与泡沫金属的热非平衡效应，建立熔盐固液相变传热模型，对熔盐预热过程进行模拟研究,并且分析在人射孔区域热流随时间变化的情况下，填充不同孔隙率泡沫铜对于熔盐预热效果的影响。1物理及数学模拟1.1物理模型基于Calvet等 3 提出的CSPonD系统单罐装置，图1为在太阳辐照参与下熔盐罐中填充泡沫铜加快熔盐熔化装置。熔盐罐完全填充泡沫铜，上表面有一开口区以接收太阳辐照，下表面紧贴电辅热装置用于熔盐的预热和保温。人射孔位置和电辅热加热位置关于熔盐罐中心对称。整个装置的壁面包裹有保温材料，因此可视为绝热壁面，装置的热损失为介质通过人射孔区向外界环境进行散热，主要为辐射和对流散热损失。熔盐罐的结构参数如表1所示。热损失（辐照热流(I。)人射孔区L2绝热?工图1熔盐罐结构示意图Fig.1 Structure diagram of molten salt tank熔盐材料选用太阳盐（6 0%NaNO，和40%KNO3）,其物性参数参考表2。熔盐的对外辐射发射率采用0.9，填充孔隙率8 为8 0%、8 3%、8 5%、88%90%、9 3%、9 5%，孔密度为10 ppi的泡沫铜13（p p i 指单位英寸长度上的平均孔数）。表1熔盐罐主要结构参数Table 1 Main structural parameters of molten salt tankmm熔盐罐高度熔盐罐直径入射孔径电辅热加热直径194125表2 太阳盐及泡沫铜热物性参数Table 2Thermal properties of solar salt and copper foam结构参数密度p/(kg/m)导热系数入/W/(mK)比热容c,/J/(kg K)固相熔点T,/K液相熔点T,/K动力黏度/(Pas)潜热Q潜/(J/kg)热膨胀系数/(1/K)1.2数学模型基于现有的物理模型,建立对应的数学模型,并进行如下假设：1)熔盐介质的物性为各向同性；2)熔盐熔化后为不可压缩的牛顿流体，密度符合 Boussinesq近似;3)熔盐和泡沫铜的物性不随温度变化；4)底部电辅热的热量被完全吸收。密度采用Boussinesq近似,看作是温度的函数：p=pr1-(T-T.)(1)绝热式中：T.为熔盐熔化温度，K;pr为熔盐密度，kg/m，相变过程使用恰伪多孔模型进行模拟，其液化率具太阳盐+泡沫铜体数值通过式（2）可知。T-T,=T-TT,TTL电辅热L3L1投稿平台Https:/.80太阳盐1 9600.4811 4774945030.006905100.000 4TT,(1,TT.式中:为液化率,其中当0 1,即视作熔盐处于固液混合区，=0熔盐为固态，=1时熔盐为液态。通过液化率可表示整个计算区域固液相分布情况。对于过程中的能量变化采用恰法模拟熔盐的相变过程,将相变材料的潜热计算转化为恰值计算：80泡沫铜8979387.6381(2)14式中：H为熔盐总恰值,J/kg;hrer为参考温度下的参考恰,J/kg;h为显热恰值,J/kg;Trer为参考温度,K。考虑多孔介质传热的影响，采用局部热非平衡模型,其连续性方程、动量方程和能量方程如下：+V u=0(5)atPfuPfut8u十8KVKA,=-c(L-)2B+式中：为孔隙率;r为熔盐动力黏度,Pas;u,v为流动速度;P为压力。式(6)右边第2 项为黏性阻力项，第3和4项解释了扩展达西定律,用来模拟非达西效应的影响。C为糊状区常数，一般取C=104。此外采用Elsihy8的渗透率和惯性因子通用公式计算渗透率K和惯性因子CF：K=150(1-)23(1-8)CF=d.eaT,aTaTpfPrCpfuotTT+h,a,(.-T)-ep;/h+ot(10)aTT.?T(1-8)p.cmatS=ksedy式中:CprvCps分别为熔盐与泡沫铜的比热容,J/(kgK)；T,和T,分别为熔盐、泡沫铜温度,K;d,为泡沫铜孔径,m;hsr为界面传热系数,W/（m K);s为泡沫铜界面比表面积,m-;kte为熔盐等效导热系数，W/(mK）;k s e 为泡沫金属等效导热系数,W/(mK），在多孔介质中考虑流体混合产生的传热强化，kta为热分散系数，W/（m K）;T,为熔盐温度,K。对于热非平衡模型，各相的有效导热系数根据Boomsmal91的四面体晶格模型换算得到。熔盐对太阳辐射的吸收效果参考贝尔定律：I(x)=I.,e-Tx(12)T=4.8(1-8)/d,(13)投稿平台Https:/.化学工程2 0 2 3年第51卷第8 期H=h+H=h +Q潜(3)Th=hrer+JJTrefc,dTdu卫+xdyPrCFuu+A,u+Vdy+hsras(T,-T,)(11)式中：I为太阳辐射强度,W/m;Iw为上表面人射热(4)流量，W；T 为衰减系数，是泡沫金属孔隙率和孔径的函数 10 本研究中多孔介质的衰减系数量级在10/m，相较于纯熔盐的衰减系数（2/m）9,多孔介质的衰减系数远高于熔盐的衰减系数 10 。太阳辐照只被人射孔区域很薄的一层完全吸收，因此这时把表面直接接收辐射传热问题转化为介质内部体积热源随深度变化的传热问题。x1.3算法验证(6)计算采用二维模型，熔盐罐底部电辅热的热流密度为50 0 0 W/m。熔盐流动选用层流模型，选用SIMPLE算法处理压力和速度场耦合，设置二阶迎(7)风处理控制方程的离散方程，利用PRESTO方法处理压力方程。对网格进行无关性验证，结果如图2 所示。采用8=90%的泡沫铜对罐体进行填充，取初始工况温度为310 K，太阳辐射取上午8:0 0 9：40 的太阳辐照强度进行计算。计算不同网格数量下（518 7、9 775、18 37 5、31 7 2 5、59 6 41、7 2 2 0 7、8 2 992)的熔(8)盐完全熔化所需时间，发现当网格数达到317 2 5时熔化时间趋于稳定，因此本文计算采用的网格数为(9)31 725。4.5504.525F4.5004.450F4.42550Fig.2 Mesh independent validation图3为距加热面y=8mm处石蜡温度随时间的变化图,并将数值结果与文献 11 进行比对。可以发现,本文模拟结果与文献中的实验结果整体趋势相符，而文献中的数值结果在熔化区域误差较大，这是因为文献的数值研究将介质的相变温度看作一个确定温度，忽略了介质在相变过程中的过冷/过热情况,本文在模拟中将介质的熔化过程看作存在一个温度范围,因此与实验结果更加符合。2图2 网格无关性验证4网格数/10*6810齐忠诚等熔盐蓄热装置预热过程的数值模拟80+文献 11 实验解文献 11 数值解70F+本文数值解60F50F403020502结果和讨论2.1填充泡沫铜对熔盐预热的影响为了体现填充泡沫铜对熔盐的快速预热效果，对比模拟了在纯熔盐情况下以及填充了8=90%泡沫铜情况下的熔化过程。图4为泡沫铜与纯熔盐熔化分布图，图5为温度云图。液相体积分数/%0.05 0.10 0.200.300.40 0.50 0.60 0.70 0.75 0.80 0.850.900.95500s500s图4填充=90%泡沫铜与纯熔盐熔化分布Fig.4Melting distribution of filling =90%copperfoam and pure molten salt从图中可以看出：在纯熔盐熔化过程中,由于纯熔盐导热性较差，热量在上表面聚集，导致熔化缓慢，受热不均匀，完全熔化需要较长的时间。当填充泡沫铜后,增强了传热能力，温度分布更加均匀，液化开始的时间较晚，但液化速率更快，完全熔化所需时间变短。15.温度/K350400450500 550 600650700750500s2220s12时间/10图3模型验证Fig.3 Model validation2 220s3 000s(a)纯熔盐2220s3000s(b)=90%泡沫铜3000s(a)纯熔盐344005s4.005s+！投稿平台Https:/+4005s564530s4530s4530s500s2220s(b)=90%泡沫铜图5泡沫铜与纯熔盐温度分布Fig.5 Temperature distribution of copper foam and pure molten salt2.2不同孔隙率对熔盐熔化特性的影响模拟在不同孔隙率下熔盐熔化情况，将熔盐从初始温度到开始出现液相的阶段定义为显热蓄热，从开始出现液相到完全液化定义为潜热蓄热。图6为不同孔隙率下的液相变化图,图7 为单位体积熔盐熔化时间图。可以看出随着孔隙率的增大（熔盐体积占比增大），熔盐开始熔化的时间变早，到达完全熔化的时间（显热过程+潜热过程）逐渐增大，熔化所需要的时间有一个先减小后增大的趋势，即熔盐完全熔化所需时间对应孔隙率存在一个极小值点。这主要由于孔隙率较大时,泡沫铜含量较少,整体的导热性较差，高温区域聚集在入射口并导致大量的热量损失，熔盐完全熔化所需时间较久；孔隙率较小时，由于泡沫铜传热能力较强，整体的温度分布更加均匀，而泡沫铜的显热要高于熔盐的显热，泡沫铜含量较多会吸收更多的热量，使得熔盐完全熔化所需时间较久。从图中看出8 8%孔隙率完全熔化所需时间较短。1.0r:/%800.8.83%-.85880.6.90930.495显热区潜热区0.2F1图6 不同孔隙率下熔盐的液相曲线Fig.6Liquid phase curves of molten salt with dfferent porosity3000s23时间/10 s4005s454530s一6.1676543278808284868890 92 94 96:/%图7 不同孔隙率泡沫铜下单位体积熔盐熔化时间变化Fig.7 Change of time of the molten salt per unit volume filled withcopper foam with different porosity2.3不同孔隙率下熔盐热效率的分析图8 为填充不同孔隙率泡沫铜时，在人射孔区熔盐表面所吸收热量（辐照人射热量减去对外散热)随加热时间变化的热流曲线图。可以看出随着孔隙率的增加，整体传热能力降低，上部分高温区域聚集，熔盐吸收热量减少。2.88/%2.6F.-80.902.4-.95太阳热流2.2F2.0F1.81.650图8 不同孔隙率在入射孔区域热流曲线Fig.8 Heat flow curves of dfferent porosity in perforating zone熔盐热效率（nu）计算公式如下：Qabs式中：Qabs为熔盐罐整体吸收的热量，W;Q.为储存的热量，W;Qh，l o 为散失的热量，W。图9为不同孔隙率下熔盐吸收太阳辐照热效率。从图中可以发现随着孔隙率增大，熔盐总热效率先上升后下降,这是由于随着孔隙率增加,泡沫铜从熔盐罐中吸收的热量减少，使得熔盐吸收的热量较多，熔盐热效率上升；孔隙率再增加对应熔盐热效率曲线下降时，聚集在熔盐表面的热量过多,对外热损失成为影响热效率的主因，总体的热效率降低。因此,对于此类熔盐填充泡沫铜储热装置,根据能量效率,填充的泡沫铜存在一个最优效率对应的孔化学工程2 0 2 3年第51卷第8 期隙率。显热蓄热时间0.78潜热蓄热时间一总预热时间110.76%/率洋0.74F0.720.7080828486 8890929496e/%图9不同孔隙率下熔盐吸收太阳辐照热效率Fig.9 Thermal efficiency of solar irradiation absorbed bymolten salt at different porosity2.4预热过程系统整体效率分析有温差的传热不可避免地会导致系统的可用能损失，为对储热装置的用能情况进行分析，本文对不同孔隙率情况下熔盐罐整体的预热进行了分析。通过入射孔区域输人到熔盐罐的E.为 12】E=(1-To/T.)(I-Qab.l)dt(15)式中：T。为环境温度,K;T为人射孔区域温度,K。由不可逆因素引起的损失为AEx=TS式中：S为熵产，由熵平衡方程确定S=w,tS023时间/10 sQabs投稿平台Https:/.145(16)(17)6式中：Ssys为系统熵增；T.为熔盐罐蓄热区质量平均温度；Tm,为t时刻熔盐蓄热区质量平均温度;lw,为t时刻熔盐吸收的热流量;S,为热熵流。效率定义为n=(Ew-Ex)/Ew图10 为不同孔隙率下，熔盐预热过程的效率(14)随时间的变化情况，1.0r0.8F0.60.40.200图10 效率随时间的变化Fig.10Change of exergic efficiency with time(18):/%-80.85-9095112时间/10 s3456齐忠诚等灯熔盐蓄热装置预热过程的数值模拟可看出填充较低孔隙率泡沫铜，熔盐罐整体的2CHEN X,XIA X L,LIU H,et al.Heat transfer analysis of效率较高。随着时间进行，开始时效率曲线上a volumetric solar receiver by coupling the solar radiationtransport and internal heat transfer J.Energy Conver-升较快，主要是熔盐在没有熔化前向下传热能力较sion and Management,2016,114:20-27.强。图11为整个预热时间不同孔隙率下的效率，3CALVET N,SLOCUM A H,GIL A,et al.Dispatchable可以看出随着孔隙率的增大，整体的效率一直减solar power using molten salt directly irradiated from小，同时预热过程中整体的温度不均匀性越差，总aboveJ.Solar Energy,2021,220:217-229.效率下降趋势更快,而随着孔隙率的减小,将逐渐趋4MANZOOR M T,LENCI G,FRIEND M T,et al.Convec-于一个定值。tion in volumetrically absorbing solar thermal receivers:Atheoretical study J.Solar Energy,2021,224:1358-1368.0.725AMBER I,ODONOVAN T S.Heat transfer in a moltensalt filled enclosure absorbing concentrated solar radiation0.69J.International Journal of Heat and Mass Transfer,2017,113:444-455.6YANG X H,YU J B,GUO Z X,et al.Role of porousmetal foam on the heat transfer enhancement for a thermal0.60Fenergy storage tubeJ.Applied Energy,2019,239:142-156.0.57一7880 8284868890929496/%图11不同孔隙率下效率曲线Fig.11 Eergic efficiency curve at different porosity3结论（1)发现在熔盐的熔化过程中添加泡沫铜可以明显加快熔化过程，提高介质向底部传热的能力。（2）添加不同孔隙率泡沫铜一方面提高热量传递速率,减少人射口能量堆积,减少对外热量损失；另一方面泡沫铜占比较大时会吸收介质较多热量，总体而言泡沫铜在较高和较低孔隙率下对熔盐熔化都有不利影响。(3)随着孔隙率增大，熔盐热效率先上升后下降,而效率则是随着孔隙率的减小一直升高。参考文献：1 DU S,HE Y L,LI P W.Numerical study on the opticaland radiative properties analysis and optimization study ofthe gradually-varied volumetric solar receiver J.AppliedEnergy,2017,207:27-35.177YANG J L,YANG L J,XU C,et al.Numerical analysis onthermal behavior of solid-liquid phase change within cop-per foam with varying porosity J.International Journal ofHeat and Mass Transfer,2015,84:1008-1018.8ELSIHY E S,WANG X H,XU C,et al.Numerical inves-tigation on simultaneous charging and discharging processof molten-salt packed-bed thermocline storage tank em-ploying in CSP plants JJ.Renewable Energy,2021,172:1417-1432.9BOOMSMA K,POULIKAKOS D.On the effective thermalconductivity of a three-dimensionally structured fluid-satu-rated metal foam J.International Journal Heat 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