储能系统换热特性研究

论文总字数：27184字

摘 要

储能系统是太阳能热利用系统的核心部件，其换热性能决定了整个发电系统的太阳能能源转化效率，也就是说，它将直接影响整个系统的可靠性和经济性。因此，有必要研究储能系统换热性能，进而提高单位面积太阳利用效率。本设计从新疆木垒县一座50MW的槽式太阳能热电站的实际换热需求出发，首先利用数值计算的方法使用经验公式对其换热器系统进行设计，使之能满足该光热电站基本的换热需求，本设计中设计了两种方案：即折流板式换热器与折流杆式换热器。再用Python编程分别对两种换热器进行数值建模，确定各个工况下两种换热器系统的换热能力。之后对所设计的折流杆换热器借助Fluent进行仿真模拟研究，找出折流杆式换热器的强化换热原理和压力损失机理，并与折流板式换热器的换热和流体流动特点进行对比，以寻找最为经济有效的系统设计方案。最后得出结论为：从换热的角度来看，折流板式换热器远胜于折流杆式；从压损角度来看，在设计合理的情况下，折流杆式换热器远胜于折流板式。

关键词：换热系统，数值计算，模拟，优化

Abstract

For thermal storage technology its capability of heat transfer is crucial for the efficiency of the entire system. So the research on such a point is of great importance to improve the efficiency of the system. Based on the actual need of a 50 MW parabolic trough power plant in Mulei,Xinjiang, the heat transfer system is designed with numerical methods by using empirical formula. And there are two choices: Baffle plate type and Baffle type. Then it is programmed with Python to do the numerical modeling in order to find the theoretical performance of the designed heat exchangers under different operating conditions. After that, because of the unknown characteristics of Baffle heat exchangers it is needed to simulate its internal function in the shell-side with the relative software Fluent. And with the results of this simulation, a comprehensive comparison can be made and the most effective and efficient method can be found. The final results were: in terms of the function of heat transfer, Baffle plate type is much better; But in terms of pressure loss, Baffle type is more reasonable.

Key words: heat exchange system, numerical computing, simulation, optimization

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 项目背景及意义 1

1.2 国内外相关研究现状 1

1.2.1 储热系统 1

1.2.2 换热器 2

1.3 本课题拟完成的主要任务 3

第二章 储能系统 5

2.1 工作原理 5

2.1.1 基本参数 5

2.1.2 基本原理 5

2.2 储热换热介质 6

2.2.1 熔融盐 6

2.2.2 导热油 6

2.3 系统设计 7

2.4 系统运行方式 7

2.4.1 从太阳能集热区向动力区传热模式： 7

2.4.2 从太阳能集热区向动力区和储热区传热模式： 7

2.4.3 从太阳能集热区向储热区传热模式： 8

2.4.4 从储热区向动力区传热模式： 8

2.4.5 系统（除去储热区）防冻模式： 8

2.5 本章小结 8

第三章 换热器系统设计 9

3.1 已知基本条件与参数 9

3.2 系统原理 9

3.3 换热器选择 10

3.4 换热器设计 10

3.4.1 设计工况 10

3.4.2 换热面积的计算 11

3.4.3对数平均温差的计算 11

3.4.4 熔融盐侧对流换热系数的计算 12

3.4.5 折流板式换热器 12

3.4.6 折流杆式换热器 16

3.5 本章小结 18

第四章 换热器热力模型及压损计算 19

4.1 折流板式换热器 19

4.2 折流杆式换热器 20

4.3 压力损失计算 21

4.3.1 折流板式换热器 21

4.3.2 折流杆式换热器 22

4.4 本章小结 23

第五章 仿真模拟 24

5.1 数值模拟的理论基础 24

5.1.1 壳程单元流道模型 24

5.1.2 数学模型及数值解法 26

5.2 网格及边界条件的设置 26

5.2.1 网格的划分 26

5.2.2 边界条件的设置 28

5.3模拟结果 28

5.3.1 流场 28

5.3.2 温度场 30

5.4 本章小结 32

第六章 结论与展望 33

6.1 经济性分析 33

6.1.1 换热性能 33

6.1.2 压力损失 34

6.2 可行性分析 35

6.3 结论与展望 35

致谢 36

参考文献 37

附录 38

附录A 程序流程图 38

1. 绪论

1.1 项目背景及意义

当前世界各国能源结构中，仍有相当大一部分比例为化石能源，这个特点在人口众多需电量大的发展中国家中尤其突出。因此全球范围内化石能源正急剧消耗。就此问题而言，光热不失为一种有效的解决方案。

与传统新能源中光伏发电的原理不同，光热发电是新能源与传统能源的集合体。它通过传热介质吸收太阳光聚集所产生的大量热能，并通过与水等工质换热来释放这些能量并生成蒸汽。之后与传统热力发电厂一样，由过热蒸汽来推动汽轮机带动发电机做功并产生电能。

但是由于太阳能具有很强的不连续和不稳定性，需要通过一些技术性手段来对发电系统进行改进，从而使其能与传统发电方式一样符合电用户的用电需求。储热就是众多解决方法中的其中一种。储热即通过储热油或熔融盐等介质在光源充足时对太阳光中多余的热能进行收集以及储存，在光能不足时将所存储的热能在蒸汽发生器中释放至水等工质中，使之转化为能推动汽轮机做功的蒸汽，以弥补夜晚或阴雨天光能的不足，从而使整个系统能稳定有效地发电。因此，对储热而言，最关键的就是如何实现高效的能量转换，这就有必要开展对储能系统换热性能的研究，以找出换热的最优化方案从而提高单位面积的太阳能利用率及太阳能与电能的转化效率。

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