线聚焦菲涅尔反射器太阳能集热系统蓄热罐性能模拟与实验研究

宋景慧，李方勇，代彦军，周凌宇

（1-广东电网有限责任公司电力科学研究院，广州 510080；2-上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）

线聚焦菲涅尔反射器太阳能集热系统蓄热罐性能模拟与实验研究

宋景慧1，李方勇1，代彦军*2，周凌宇2

（1-广东电网有限责任公司电力科学研究院，广州 510080；2-上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）

本文针对由线聚焦菲涅尔反射器太阳能集热器组成的发电和制冷系统中的蓄热罐，采用数学建模和实验测试方法，对线聚焦菲涅尔反射器集热系统的蓄热罐蓄热、放热性能进行了分析，蓄热罐采用工业应用较为成熟的三元熔融盐为储热介质，利用材料相变蓄存热量。利用ANASYS软件对蓄热罐的传热过程进行了模拟，依据仿真结果分析传热过程和机理，并通过实验测试对数值模型进行了验证。

太阳能；相变蓄热；熔融盐；模拟；实验

0 引言

随着太阳能热利用的不断发展，以及太阳能自身固有的不稳定、能流小的特点，及时存储过剩的太阳能，能使太阳能得到最大限度的利用。对于太阳能热利用，岳永亮等[1]的研究也证实了蓄热系统对于系统工作稳定性的重要意义。

相变储热，以其性能安全稳定、储热密度大、经济性好等特点，获得了广泛的研究和应用。TRP等[2]通过应用FORTRAN语言编程的方法来建立石蜡和水的相变换热系统换热模型，通过与实验测试的比较验证模型的准确性，为相变蓄热系统提供了一定的思路；ADINE和QARNIA[3]给出了利用壳管式换热结构进行相变蓄热的系统数值模拟方法，同时分析了影响蓄热的关键因素；DOLADO等[4]研究了一种应用于相变换热材料与空气进行换热的相变蓄热系统，计算得到空气与封装蓄热材料之间的传热系数，通过实验和模拟比对验证模型的正确性后，得到影响蓄热性能的一系列参数。VELRAJH等[5]给出了各类型相变换热系统的强化方法，包括提出相变蓄热系统中翅片的设计和相变材料封装的形式，并给出了同一实验系统强化前后所引起的换热性能变化。LI等[6]研究了基于填充床结构的相变材料换热特性，用ANASYS软件进行了模拟计算，并通过实验进行了验证。

本文对太阳能集热系统中配备的储热罐进行了性能模拟和实验研究。利用数值计算方法[7-9]进行仿真计算，根据仿真结果分析了蓄热罐的传热过程及机理，并通过实验对模拟进行了验证。

1 蓄热罐模型介绍

该蓄热系统是作为线聚焦菲涅尔集热器驱动的发电、制冷系统的辅助设备，为系统的稳定运行提供保障，系统的原理示意图如图1所示。

图1 线菲集热系统原理示意图

蓄热罐的容量是单独为一台小型溴化锂吸收式制冷机提供2 h所需的能量，考虑成本、循环稳定性等因素后，选用了工业应用较成熟的三元熔盐体系，配比为7%NaNO3+53% KNO3+40% NaNO2，其热物理性质经过测定已经得到，蓄热罐的设计参数及熔融盐的热物理性质见表1。

表1 蓄热罐设计参数

蓄热罐主要用于为吸收式制冷机运行提供热源，其蓄放热效率为85%，单效吸收式制冷机在额定工况下的COP为0.6。放热过程所需输出热量由式(1)得到：

熔盐质量以及蓄热罐容积根据熔融盐的物性由式(2)得到：

式中：

T——放热过程中熔盐的显热换热温差，K；

H——熔盐相变潜热，kJ/kg；

Cp——熔盐比热容，kJ/kg K。

蓄热材料密度为1,978 kg/m3左右，则体积为2.64 m3，考虑10%的余量，熔盐储热罐体积约为2.9 m3。

2 理论分析

熔盐相变换热系统的换热过程具有以下特点：首先，由于其混合物的特性，相变温度不是一个恒定的温度点，而是一个相变区间，在这一温度范围内，三元熔盐均在发生相变过程，与此同时也就不存在清晰的固液相变界面；其次，相变界面随着相变过程的进行一直在不停推进，导致描述该类型问题的数学方程无法得到理论值求解，同时在熔盐液相状态中自然对流的作用使得整个传热过程非常复杂，且管内流体、管壁热阻等均会对换热性能造成影响。因此，必须通过数值模拟的方法提出较为可靠的蓄热系统模型。对该蓄热罐模型作以下假设：

1）管内流体不可压缩，流动为层流；

2）熔盐材料均匀、各向同性；

3）蓄热罐表面绝热；

4）取(142～145) ℃作为熔盐相变区间；

5）将熔盐在相变过程中的自然对流引起的强化换热等效为熔融状态下熔盐导热系数的增加。

对该换热模型进行数学方程的描述，分为充热流体和熔盐材料。对于充热流体而言，其在换热器管内流动，因而其流动方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程[10]。

而对熔盐材料而言，数学方程选用焓法[6]表征蓄热材料的相变换热过程。基于焓法，本研究中的相变材料为三元熔盐，其在传热中以导热为主，故能量守恒方程为：

采用焓法来表征材料所处相变过程的状态，当熔盐为液相时，其液相分数γ为1，熔盐的焓值即为液体的焓值；当熔盐为固态时，液相分数为0，熔盐的焓值即为固体的焓值；当熔盐处于相变过程中时，液相分数介于0和1之间，此时熔盐焓值为固相焓值与液相焓值之和，即：

边界条件按照如下设置。

1）初始条件

在t = 0时，充放热流体和熔盐材料温度根据设计参数给定。

2）边界条件

在t ＞ 0时，充放热流体的入口参数：Tf= Tin，u = vin，w = 0；充放热流体出口，出口流动为自由发展：蓄热罐壁面为绝热：

3 模拟与实验研究

3.1 模型建立

蓄热罐实验模型的数值计算采用ANSYS软件进行，实验模型如图2所示，模型的网格划分采用ICEM-CFD格式。

图2 蓄热罐实验模型

将高温水通入蓄热罐体中，水通过管壁将热量传递给管壁四周熔盐，管壁周围熔盐温度升高之后，通过导热作用向更大范围熔盐传热，直至熔盐全部熔化并保持在一定温度。此即为一典型的充热过程，不同边界条件下的充热过程有着类似的物理化学现象，本研究对一个典型的充热过程进行计算模拟，以便对系统的充热过程进行说明。此时充热流体（水）进口温度180 ℃，反应器中初始温度为100 ℃，反应器内熔盐全部为固体，边界条件为绝热，在t = 0时，通入高温水。

根据以上提出的数值模型，在模拟计算的基础上，建立实验对模型进行验证，罐体实物图如图3所示，应用上文得到的数值模型中引入相同的边界条件进行实验。

图3 实验罐体实物图

3.2 模拟与实验结果分析

蓄热罐内温度数值模拟曲线如图4所示。从图中可以看到，在通入充热流体之后的最初几分钟内蓄热罐中心点温度快速升高，并且中心点的温度表现出明显的相变特征，在相变过程中温度基本保持不变，蓄热罐边缘处温度上升速率显著小于中心温度上升速率，在充热初期，完全通过导热来进行热传导，在充热过程的后半段，由于部分熔融状态的熔盐和边缘部分熔盐温差进一步升高，同时上部分和下部分的熔盐的自然对流作用对于传热起到了明显的增强作用，蓄热罐边缘的温度监测点温升明显加快，冷的熔盐和热的熔盐之间换热强烈。

实验结果如图4所示。从图中可以看出，位于蓄热罐中心位置的温度测点随着通入充热流体而温度开始升高，当达到约142 ℃时进入相变过程，在过程中温度基本不变，随着换热的不断进行，相变过程趋于结束，蓄热罐中心温度继续上升，随着熔盐材料与充热流体温差不断减小，温升速率变慢，最后趋于稳定，充热过程结束。对比发现，模拟温度和实验温度的变化趋势基本吻合，但模拟曲线在固相和液相状态下上升速率均快于实际温度曲线，造成误差的原因有两点：一是模拟中取蓄热罐边界条件为绝热，而在实验中必有一定程度的热损失，造成实验中心点的温度上升速率较慢；二是在整个数值模拟过程中，将液相段自然对流的作用等效为熔盐液相状态下导热系数的提高，其导热系数高于实际导热系数，造成温升速率明显加快。自然对流作用对于下层流体具有显著的增强作用，对于蓄热罐的中心位置的熔盐换热增强作用不显著，模拟过程中通过使用等效的导热系数，其换热性能强于实际的换热过程，造成模拟曲线的温升速率大于实际温升速率。

图4 充热工况实验测试与数值模拟数据对比

经过模拟得到，充热过程可以大致分为4个阶段：充热初始过程中，换热列管周围的熔盐温升最快，由于换热列管的U型布置，蓄热罐底部换热最为充分。换热管壁周围的环形区域液相分数在1,500 s左右可达60%，在列管的长度方向液相分数分布较为均匀，说明此时在列管不同的管程换热温差较均匀；第二阶段，随着时间的推进，在换热管围合的区域内，熔盐通过相互之间的导热、对流作用，温度和液相分数趋于均匀，经过3,500 s后，换热列管围合而成的区域内，液相分数平均可达70%左右，这一阶段的换热主要在换热列管围合而成的区域内进行；第三阶段，经过5,500 s后，列管包围区域由于出现部分熔融熔盐，沿列管长度方向产生自然对流作用，其对于蓄热罐内熔盐的换热有一定的增强作用，通过自然对流的掺混和强化换热，在7,500 s之后，大部分围合区域已基本熔化；第四阶段为蓄热罐容器四周，列管围合区域之外的熔盐熔化过程，此过程进行较为缓慢，从7,500 s一直进行至11,500 s，在容器四周、远离换热管区域，出现换热死区，仅能通过导热的方式传热，由于熔盐本身的导热系数较低，导致换热较缓慢。故以后的改进宜采用直管的结构形式，不易造成换热死区。放热过程与充热过程类似。

最后，对不同温度的流体进行充放热过程。以此进一步研究换热流体温度对于熔盐充放热速率的影响，充热过程中的温度曲线如图5所示，通过蓄热罐中心温度曲线的变化程度可以得出，流体温度越高，初始阶段温度曲线斜率越大，温升速率有较为显著的提高，相应的到达相变状态的时间可相对减小，能够使得整个充热时间显著减少，在实际应用过程中，应尽可能的通过提高换热流体温度的方式来提高整个充放热过程的换热性能。

图5 不同流体充热温度下蓄热罐中心温度变化曲线

此外，对流速分别为0.05 m/s、0.15 m/s和0.25 m/s的3种情况的换热系数进行了模拟计算，计算得到其总换热系数分别为58.9 W/m2K、59.6 W/m2K和60.6 W/m2K，差别不显著。因此可以得出，加快流速对于换热性能的有一定的促进作用，但整体强化作用并不显著。原因为由于整个换热系统的主要热阻在熔盐侧，熔盐的导热系数非常小，导致其热阻非常大，流速的增大仅仅改善了管内热阻，而对于管外热阻的影响并不大，由于管外热阻占到总热阻的主要部分，强化管内的流速对于换热性能的提升并不明显，还会造成泵的能耗增加，则在实际系统应用中无需为了增强换热性能而提高流速。

4 结论

本文对三元熔融盐中温蓄热罐进行了吸热传热过程的模拟，并通过实验对结果进行验证。蓄热罐的蓄、放热过程，以熔融盐的相态变化为标志，分为3个阶段：第一阶段是熔融盐固态传热，基本上以热传导为主；第二阶段是熔融盐的相变传热，该阶段部分固态熔融盐变为液态，熔融盐处于固液共存的状态，传热过程既有导热，也有对流，为蓄热罐的相变蓄热阶段；第三个阶段大部分熔盐均变为液态，热传导过程导热、对流共存。此外，在实验验证的基础之上，对不同流体入口温度以及不同流速情况下的蓄热罐性能进行了模拟；在流速不变时，入口温度越高，对于换热的增强效果越显著；在温度不变、只增加流速的情况下，由于传热中热阻主要在熔盐侧，因而换热效果增强不显著。经实验验证的模型，误差估算在15%以内，因而可以采用此方法来指导相似蓄热罐的设计工作。

[1] 岳永亮, 孟玲燕, 董素霞, 等. 太阳能中央空调系统的应用研究[J]. 制冷技术, 2007, 27(2): 9-12.

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[10] 张鸣远, 景思睿, 李国君. 高等工程流体力学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2012.

Simulation and Experimental Research on Performance of Thermal Storage Tank of Linear Fresnel Reflector Solar System

SONG Jing-hui1, LI Fang-yong1, DAI Yan-jun*2, ZHOU Ling-yu2
(1-Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China; 2-Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

The endothermic and exothermic heat transfer performance of thermal storage tank in the solar power and cooling system driven by linear Fresnel reflector (LFR) solar collector was analyzed numerically and experimentally. For this thermal storage tank, the industrial intermediate-temperature molten salt was chosen to be the energy storage material and the energy storage was mainly based on the capacity of the material’s phase change process. The ANSYS software was utilized to simulate the heat transfer process of thermal storage tank. The process and mechanism of the heat transfer were analyzed according to the simulation results and the numerical model was validated through the experimental test.

Solar energy; Phase change heat storage; Molten salt; Simulation; Experiment

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.06.101

*代彦军（1971-），男，教授，博士生导师。研究方向：太阳能转换利用与建筑节能和环境湿度控制传热传质。联系地址：上海市闵行区东川路800号，邮编：200240。联系电话：021-34204358。E-mail：yjdai@sjtu.edu.cn。

国家自然科学基金（No.2012BAA05B04）、高等学校博士学科点专项科研基金（No.20110073110034）