超临界压缩空气储能系统蓄冷换热器优化设计.docx

超临界J卡能空气储能系统蓄冷换热器优化设计摘要：甭冷换热器是超临界压缩空气储能系统的一个重要组成部分.为探究器冷换热器中设计尺寸多数对蓄冷装置加工和常冷性能的影响，以固体氮化钠黝粒作为常冷材料设计了一种超临界压缩空气埴充床式蓄冷换热器，根据系统的要求参数和压力容器尺寸的约束方程.以城体质地和加工成本最小、冷量损失最小和蓄冷效率最高为原则对IOMW蓄冷换热落的整体尺寸进行优化.对比发现随着换热器高度的增加，罐体质盘和加工成本逐渐增加：对05-10MW不同杵冷功率下的赤冷装置蓄冷效率进行对比分析，发现在长径比不变时，称冷效率Rfi功率的增人从9465%96.08%逐渐提高，冷损失状也同步增加”最后得到在14纲的优化数据中,最优参数下,蓄冷换热器冷损失贵较低,趋冷效率为96.08%.同时加工成本也在可接受的范围内.本研究将为超临界压缩空气储能系统舒冷换热器的研发提供重要依据。关键词：旭临界出布空气储能;蓄冷换热器;高压地充床;优化设计要实现2030年碳达峰和2060年碳中和的目标.高比例可再生能源足可行的实现途经.可再生能源具有不稳定的特点，要实现高比例可再生能源必须配备足够容量的储能装置.抽水储能已经实现了大规模的安装和应用，但由于地形条件的网制，抽水储能进,步增长的空间有限,单独抽水储能无法满足未来得比例可再生能源的需求，迫切要求新蟹的大容量储能技术.中科院工程热物理所发明的超临界压缩空气储能技木（原理如图1所示）克服了传统JK缩空气储能技术对大容量洞穴的限制，是一种非常有的景的大规模储能技术.储疗换热器是超临界压缩空气储能的关键部件,它的储冷效率和成本时超临界压缩空气储能的效率和成本有新重要彤响，因此进行超临界压缩空气储能系统箭冷换热器效率和成本的优化是非常必鬟的.图1超临界压缩空气储能系统原埋图超峪界压缩空气储能系统蓄冷装阀.常冷择冷的温区为0-196C,温度跨度大，要求t1.体储冷材料在这个温度区间要有较高的比热，HUttermann等对岩石等填充床内蓄冷材料热物件进行研究,结果发现番冷材料在蓄冷拜冷过程中热物件变化相大,对系统效率行一定影响.对13种固体蓄冷材料在石冷温区内的比热和节冷成本诳行比较后发现固体抵化钠在带冷温区内比热诚小的幅度小，蒂冷成本最低,因此木文果川固体氯化钠颗粒作为储冷材料。对于超临界压缩空气储能系统，蓄冷装置的结构形式对蓄冷效率会产生影响，蓄冷装置的储冷择冷温差越小,系统的循环效率越高,因此提高番冷效率的关键在于设计高效猿演化的趋件装置.目前超临界压缩空气储能系统中蓄冷换热器主要有列管式和填充床式两种,其中填充床换热器由固体颗粒直接堆积形成，具有结构简单，换热面枳大等优点。木文采用埴充床芾冷换热器。对于堪充床式蓄冷换热器，解体需要承受较高压力，造成揶体壁厚较大.储谦成本增加,因此速体尺寸的优化设计对减小雄体成本有揖要的意义.国内外学者对城充床显热和潜热储热进行了深入的研究,中科院工程热物理所陈海生出队、华北电力大学徐超对超临界压缩空气岩石填充床储冷进行了研究，分析了用监界压缩空气埴充床蓄冷/择冷的动态热特性及其对芾冷换热器性能的影响规律文献调研未发现对超整界缩空气固体(化钠颗粒填充床蓄冷研咒的文献.本文对超临界压缩空气储能系统中蓄冷换热器进行研究，选择合适的填充床式器冷换热器及林体物料，并根据系统要求的相关参数对桥冷换热器的整体尺寸进行优化设计，为超临界压缩富气储能系统中需冷换热涔设计研发提供参考依据，1优化设计参数超临界压缩空气储能系统巾着冷换热器具体工作过程如图2所示.根据IOMW超临界压缩空气储能实验系统，计算得到各节点的空气流城、温度和压力，诙度、梏、定压比热和粘度、导热系数、件朗特救是在REFPROP物性软件中根据空气的湿度和压力杳询得到(表根据各点的物性参数计算出压缩空气经过填充床后培的增加fib从而得到都冷换热潜的冷一个小时后的最大蓄冷量QmaX=3.6X107kh对应换热器功率为10W.(>)料冷过程(b)体冷过程图2落冷装置工作流程图我1超临界压缩空气在系统中各点物性参数1«E仄力/MP4z11rZkIkCi<3itA9AJIW6月IiQ/W»t<eEWIEPr<341939ISW12026"28147JOSJOG0.78IU42.82H9.410786S40.7S2.096*92.9715454U107.767.057S6936.4122.04A44106561.61SS31.91»1.1270485.62)27511.1328S0.77S1.8.9310291OS211S5.752891291150«940289731.0218325.61073根据所需蓄冷量Qmax=Q1.+Q2可以计算得到所需蓄冷材料的陆Q1.为蓄冷耨体内填充的蓄冷颗粒的蓄冷量Q2为箭冷过程中iff体内填充颗粒孔隙间液态空气的蓄冷Ik由式计算得到所沛囱体SS冷材料的颇hiQ1.后,根据筑化帆而冷城充题粒的堆枳孔隙率可以得到所雷蒂冷换热器的最小容积为2O2m3.按照固体奴化钠蒂冷材料的平均比热为0.81kJkgK计算，根据解冷循环中各节点的温差得到所需的换热器用蜥长度。Q1三TMnac1.Cp(I)2成本优化超临界压缩空气系统而冷换热器作为低温高压的压力容器，材料对于其成本具有JR要影晌，通过调研发现在低i下304不锈钢的性能满足超临界压缩空气系统符冷换热涔的要求，同时其具行价格相对低的优势,因此在选用304小物用进行城体成本优化.同时考虑到,同体蓄冷材料制化她在?冷糅冷循环过程中会产生少届游漓的新窗子.为保护不俯钢而冷城体，因此在换热器加工过程中，在揣体内壁面刷一层钛钢及令涂层避免St化钠煤粒与不锈钢的直接接触，解决腐蚀问题。超临界长缩空气系统蓄冷换热器的成本优化原则是在容积一定(满足最大蓄冷盘)的条件下，以着冷换热器提体的金同质ht最小为优化目标函数,从而达到节省材料成本的目的.按照节约材料、降低成本和制造简单的原则，带冷换热器赫体枭用立式剪筒形结构，包括筒体和上下封头两部分，整个蒂冷换热器通过支座安装在基础或者平台上(图3)“矫体内径为Di.体网柱部分向度为H,总体高度为1.,上下封头部分的高度为h,瑾体的壁面厚度为S1.封头厚度为62,敷设的保温层厚度为&3,总位均为mm.图3圈柱域体示意图圆筒形受压容器壳体尺寸的计分过程如下。(1)隔柱形容器壳体尺寸两玳为标准半球形封头的圆筒形容涔的体枳如式所示.1.=4D2V11-h243D2+4h2川2)(2)圆柱段侦审M1.(Di)=P1.11Dm1.×10-9M1.(Di11.)=7.85RUDi+61)61X10-6(3)式中,P为族内物料的密度kgm3:封头质量时头光体的总质玳如式(4)所示。而冷装商的总旗量为M,是圆柱段短mM1.和上下时头痂献M2的和.即M=M1+2M2M2(Di,1.)=2PX2D¾<4=S.4165112(Di÷2)2×10-6(4)约束条件双标准椭圆对头圆柱容潞的全容积公式如公式所示，约束条件为方公式(7)。V=Di312+X1.Di24g1.(Di,1.)=V-XDi312*JI1.Di24=0(6)Di=DJ×=(12V11)W(7)(5)而冷装双以低高度；根据蓄冷过程中压缩空气各节点的温度和势值计算换热器所需最小换热长度，公式如公式(8N9)所示。QnacI=(Tsr-TO)CpMnacI(三)HnacI=MnacI工(1-t)Pnac1.ri2.Hnac1.15700mm(9)在满足超临界压缩空气储能系统中最大蓄冷量36X107kJ的前提下，取少需要固体氯化钠曲M255319kg,所需设计体枳为2O2m3.304不锈钢价格按服16.5元/千克计算,根据成本优化设计条件,如表2所示得到不同设计尺寸和成本计算结果.从表中可以发现随着落冷换热器奘置高度的降低,甭冷换热器第体顺状从184515.49kg逐渐减少到181033.45kg.希冷换热器窿体成本也逐渐降低，在湎足装置而冷容收和SE体容枳的要求下，加工成本地低需要307万元，最尚需要311万元.表2蓄冷换热器模体而价与成本计算结果序号DmmH11>m2m111.mmh1111成本/万元133002JiOS9804940482518451S49311832HW224999995837518436413311583340021824IO1.978SO18420818H1.H434502117710231983186251840475831104S59002OSSR10374997487518388226)10766355019961IOS16IO1.16887518J71214310477)G001939510659102S99001835"17MO18836501884910801104O1.912S18)S72630987937001832510944IOS4492518317236309561037W17821I1.O8610686937S182982430924113800173%11229108299501827873308911238501687011371109719625182586993085713390016422I1.S141111497518238142308221439SO1599011656112S6987S182170Si307873都冷效率优化制造成本和蓄冷效率(1)是蓄冷换热器的主要评价指标，基于成本优化结果，本节主要对固体氯化钠蓄冷换热器的而冷效率进行优化分析,保合评价后选取最优结构尺寸的蓄净换热器。以蓄冷结束八个小时后的常冷曲让舞蒂冷效率，蒂冷效率优化目标不小于96%.蓄冷换然冷冷Ift损失(QI。SS)主要是山蓄冷换热潺眼柱珑体侧面g1.oss.1)以及园柱法体上下底面g1.oss.2)与周围环境的换热造成的.因此番冷换热器冷量损失可以由式(10)计算将到Q1.OSS=ATkA(IO)11=(1.-Q1.ossQ)×100%式中.k为总传热系数.W(m2K)：A为盛体外例而枳.m2：AT为换热温差.K.式(11)为总传热系数k的计算式,.RirRI2、R13分别为不快钢壁面的导热热阻、保温层的V热热阻以及保温层外壁面与周围环境的对流换热热阻。在式(11)的计前过程中忽略各界面之间的接触热阻(包括之后的敢热俄计算皆忽略接触热组)。k1.=1.RHR12R13(1.1.)表3箭冷换热器常冷效率优化设计M.*HJtWUA1.1MMMMI9«MISiKMIWnnI2W/999Ssns2i»nj44