压缩空气储能蓄热器性能分析和优化设计_葛刚强.pdf

第5 7卷 第1期2 0 2 3年1月西 安 交 通 大 学 学 报J OUR NA LO FX IANJ I AO T ON GUN I V E R S I T YV o l.5 7 N o.1J a n.2 0 2 3.*压缩空气储能蓄热器性能分析和优化设计葛刚强1,王焕然1,2,李瑞雄2,孙昊2,贺新2(1.西安交通大学未来技术学院,7 1 0 0 4 9,西安;2.西安交通大学能源与动力工程学院,7 1 0 0 4 9,西安)摘要:为了提高蓄热器效率和能量密度以满足压缩空气储能系统需求,本文在综合考虑填料表面传热和内部导热的基础上,结合舒曼模型和混合扩散模型的优点,提出了一种基于非稳态传热正规状况的一维液-固两相无量纲模型,探究了填料的半径、密度、比热容、导热系数和蓄热器长径比对蓄热器效率的影响规律,并对蓄热器进行优化设计。研究结果表明:S O L A RON E电站蓄热子系统中,蓄热器填料的最优半径为1mm,蓄热器最优长径比为31;增大填料的密度和比热容可以线性提升蓄热器的储能密度,但会导致蓄热器放热效率降低;填料的导热系数对蓄热器效率的影响存在临界点:S O L A RON E电站蓄热子系统中,填料的临界导热系数为2W/(mK);当填料的导热系数小于2W/(mK)时,增大填料的导热系数可以显著提高蓄热器放热效率。最后,本文采用分层设计的方法,结合最优长径比,通过在蓄热器上下两端增加高度占比5%,颗粒半径5mm的铸铁层,使得蓄热器效率提升1.4%,净释放提升2 0.2%。本文的研究结论和优化方法可以为填充床蓄热器的填料选择和优化设计提供理论指导。关键词:压缩空气储能;蓄热器;数值模拟;优化设计中图分类号:T K 0 2 文献标志码:AD O I:1 0.7 6 5 2/x j t u x b 2 0 2 3 0 1 0 0 5 文章编号:0 2 5 3-9 8 7 X(2 0 2 3)0 1-0 0 4 5-1 0P e r f o r m a n c eA n a l y s i sa n dO p t i m i z a t i o nD e s i g no fH e a tA c c u m u l a t o r i nC o m p r e s s e dA i rE n e r g yS t o r a g eG EG a n g q i a n g1,WANG H u a n r a n1,2,L IR u i x i o n g2,S UN H a o2,HEX i n2(1.S c h o o l o fF u t u r eT e c h n o l o g y,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 4 9,C h i n a;2.S c h o o l o fE n e r g ya n dP o w e rE n g i n e e r i n g,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 4 9,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t o i m p r o v e t h ee x e r g ye f f i c i e n c ya n de n e r g yd e n s i t yo f t h eh e a t a c c u m u l a t o r t om e e t t h ed e m a n do f t h ec o m p r e s s e da i re n e r g ys t o r a g es y s t e m,t h i sp a p e rp r o p o s e sao n e-d i m e n-s i o n a l l i q u i d-s o l i d t w o-p h a s ed i m e n s i o n l e s sm o d e l b a s e do n t h en o r m a l s t a t eo f u n s t e a d y-s t a t eh e a tt r a n s f e rb yc o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r i n gt h ep a c k i n gs u r f a c eh e a t t r a n s f e ra n di n t e r n a lh e a tc o n-d u c t i o na n dc o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so f t h eS c h u m a n nsm o d e l a n dm i x e dd i f f u s i o nm o d e l.T h ei n f l u e n c e so fp a c k i n gr a d i u s,d e n s i t y,s p e c i f i ch e a tc a p a c i t y,t h e r m a l c o n d u c t i v i t ya n dl e n g t h-d i-a m e t e r r a t i oo ft h eh e a ta c c u m u l a t o ra r ei n v e s t i g a t e da n dt h ea c c u m u l a t o rd e s i g ni so p t i m i z e d.T h er e s u l t ss h o wt h a t i nt h eh e a t s t o r a g es u b s y s t e mo fS O L A RON Ep o w e r s t a t i o n,t h eo p t i m a lr a d i u so f t h eh e a r t a c c u m u l a t o r p a c k i n g i s 1mm,a n d t h eo p t i m a l l e n g t h-d i a m e t e r r a t i oo f t h eh e a ta c c u m u l a t o r i s31;i n c r e a s i n g t h ep a c k i n gd e n s i t ya n ds p e c i f i ch e a t c a p a c i t yc a n l i n e a r l y i m p r o v e*收稿日期:2 0 2 2-0 6-2 7。作者简介:葛刚强(1 9 9 7),男,博士生;李瑞雄(通信作者),男,助理教授。基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 1 6 7 6 1 5 1)。网络出版时间:2 0 2 2-0 7-1 9 网络出版地址:h t t p s:/k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/6 1.1 0 6 9.T.2 0 2 2 0 7 1 8.1 5 0 8.0 0 2.h t m l西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n t h ed e n s i t yo f e n e r g ys t o r e d i n t h eh e a t a c c u m u l a t o r,b u tw i l l l e a d t oad e c r e a s e i n i t s r e g e n e r a t i v ee f f i c i e n c y;a s f o r t h e i n f l u e n c eo f t h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t yo f t h ep a c k i n go nt h ee f f i c i e n c yo f t h eh e a t a c c u m u l a t o r,t h e r e i sac r i t i c a l p o i n t.I nt h eh e a t s t o r a g es u b s y s t e mo fS O L A RON Ep o w e rs t a t i o n,t h ec r i t i c a l t h e r m a l c o n d u c t i v i t yo f t h ep a c k i n gi s2W/(mK),a n dw h e nt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fp a c k i n g i s l e s s t h a n2W/(mK),i n c r e a s i n gt h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t yo fp a c k i n gc a ns i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h er e g e n e r a t i v ee f f i c i e n c y.F i n a l l y,t h i sp a p e re m p l o y st h e l a y e r e dd e-s i g na n du s e st h eo p t i m a l l e n g t h-d i a m e t e rr a t i ot oi m p r o v et h ee x e r g ye f f i c i e n c yo ft h eh e a ta c-c u m u l a t o rb y1.4%a n d t h en e t e x e r g yr e l e a s ee f f i c i e n c ydb y2 0.2%t h r o u g ha d d i n gc a s t i r o np a r t i c l el a y e r sw i t hah e i g h t p r o p o r t i o no f 5%a n dap a r t i c l e r a d i u so f 5mma t t h eu p p e ra n d l o w e re n d so f t h eh e a t a c c u m u l a t o ru n d e r t h e c o n d i t i o no f c o n t r o l l i n g t h em i n i m u mc a s t i r o np a r t i c l e l a y e r t h i c k n e s s.T h er e s e a r c hc o n c l u s i o n s a n do p t i m i z a t i o nm e t h o d s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r c a np r o v i d e t h e o r e t i c a l g u i d a n c e f o rt h es e l e c t i o na n do p t i m i z a t i o nd e s i g no fp a c k e db e dh e a t a c c u m u l a t o r.K e y w o r d s:c o m p r e s s e da i re n e r g ys t o r a g e;h e a t a c c u m u l a t o r;n u m e r