CN109612103A - 一种固态储热系统的热力平衡计算与设计方法 - Google Patents

Abstract

一种固态储热系统的热力平衡计算与设计方法，该方法包括加热系统、蓄热系统、换热系统以及风循环系统四个子系统的设计计算，四个子系统之间相互联系，共同组成整个固体储热系统；其将固态储热系统的主体结构分为加热系统、蓄热系统、循环风系统、换热系统四个子系统，在明确固态储热系统各个子系统关系的前提下，分别提出上述子系统的设计计算方法，同时设计出整个固态储热系统的设计计算流程图，从而实现了固态储热系统的初步关键参数设计，为后续的数值模拟和实验验证打下基础。

Description

一种固态储热系统的热力平衡计算与设计方法

技术领域：

本发明内容涉及一种用于固态储热系统的设计计算方法，可实现固态储热系统的初步设计计算，可用于新能源(风电、光伏系统)消纳、分布式点储热机组、电网调峰储热设备等固态储热系统的热力平衡计算。

背景技术：

电网中存在较大的日负荷变化，对电网会产生较大的负荷变化冲击，影响电网运行的稳定运行；其次随着新能源发电系统的快速发展及装机容量的不断增长，出现了一系列能源消纳不足的问题。固态储热作为一种新的能量存储方式，将新能源(风能、光伏系统)产生过剩的电能或者电网谷时段的电能转化成热能存储起来进行近一步的利用，不但实现了对资源的充分利用，而且还能对电网起到的“削峰填谷”的作用，实现电网的稳定运行。固态储热系统是电能消纳以及热量存储的主体，需对储热系统进行设计计算。

发明内容：

发明内容：

本发明提供一种固态储热系统的热力平衡计算与设计方法，其主要针对于高温固态储热系统的设计，提出一种固态储热系统的设计计算方法，用来解决储热系统的设计问题。

技术方案：

一种固态储热系统的热力平衡计算与设计方法，其特征在于：该方法包括加热系统、蓄热系统、换热系统以及风循环系统四个子系统的设计计算，四个子系统之间相互联系，共同组成整个固体储热系统；

在加热系统中通过从三相→单相→单根的设计计算思路，提出了求取加热丝长度以及表面负荷的计算流程及计算方法；

蓄热系统中在满足蓄热功率要求的基础上，以求取蓄热砖的数量为目的，从总蓄热量和单块砖体蓄热量出发，提出了求取蓄热砖数量的计算流程及计算方法；

换热系统中主要以换热器的设计计算为主，从换热器的换热功率，换热器进、出口空气温度，换热器供、回水温度等条件为出发点，以求取换热器的换热面积、换热管根数以及换热器体积等为目的，提出了换热器设计计算流程及计算方法；

风循环系统中以求取变频通风机的功率为目的，从变频通风机需要提供的风压和流量出发，提出了风循环系统的计算流程及计算方法；

同时在明确各个固态储热系统子系统之间关系的前提下，提出了固态储热系统的热力平衡计算流程及计算方法。

此方法依据固态储热系统四个子系统之间的热力平衡关系，设计出一套关于固态储热系统的初步设计计算流程：

1)加热系统设计计算方法：

本方法中加热系统的设计计算主要是加热丝设计计算，在加热系统中，利用10kV-66kV高电压对储能体中的电阻丝直接进行加热，需要对加热丝参数进行计算，加热丝的主要参数有加热丝长度和加热丝表面负荷。对于加热丝长度和加热丝表面负荷求取，遵循从三相到单相再到单根的计算原则，首先设定加热丝所需的功率和电压，然后根据电功率公式P＝UI以及欧姆定律U＝IR求出单相电阻丝上的电压、电流及功率，再根据单相上电阻丝根数求出单根电阻丝的电流、电压、电阻及功率，最后电阻率表达式求出电阻丝的长度。

2)蓄热体设计计算方法：

蓄热系统中蓄热体作为储存热量的主体，蓄热体的结构决定了蓄热体的蓄热量、取热方式、加热均匀性。蓄热系统的设计首先要确定所设计蓄热体的蓄热功率P、蓄热时间t以及蓄热裕度k，在明确上述值之后，根据热量计算公式Q＝kPt算出蓄热体的总蓄热量Q，当蓄热体初始T₁、最终温度T₂以及蓄热砖基本参数确定之后，根据Q₁＝CρV(T₂-T₁)计算出单个蓄热砖的蓄热量Q₁，根据总蓄热量Q以及单块砖体的蓄热量Q₁即计算出蓄热砖的块数，最后利用计算出的蓄热砖块数对蓄热体的结构进行设计；蓄热砖基本参数包括密度ρ、体积V、比热容C；

3)换热系统设计计算方法：

固态储热系统中换热系统的设计计算主要是换热器的设计计算，换热器的设计计算首先要明确换热器的关键参数，即换热功率、换热面积、换热系数与换热管的基本参数。首先换热器设计计算要明确换热器的最大换热负荷Q、换热器的进口空气温度T₁和出口空气温度T₂以及换热器的供水口温度T₃、回水口温度T₄参数，设定合适的传热系数k后即根据热传递公式Q＝kAΔt求取换热面积A，公式中Δt为温差，与换热器进出口空气温度、供回水温度有关；然后依照需求确定换热管的基本参数，即长度、直径后求得单根换热管的换热面积S₁，根据单根换热管的换热面积以及换热器总换热面积求取换热器的管程数n，管内的空气流速ω则可以由求出，其中C₁,C₂-换热器入口、出口空气温度下的比热。

4)风循环系统设计计算方法：

风循环系统的设计计算主要是变频通风机的设计计算，变频通风机的设计计算主要为电机功率、转速的设计计算。变频通风机转速的确定依赖于所需电机功率、流量以及压强等参数，而变频通风机的功率则由变频通风机所要提供的风量P、风压Q以及效率η决定。根据则求出电动机功率N，变频通风机需要提供的风压和风量由蓄热体和换热器各部分流阻和换热器出口空气流量决定，若要保持换热器供回水温度恒定，则需调节变频通风机转速满足不同工况运行要求。

1)步骤中，加热电阻丝长度以及电阻丝表面负荷的计算公式如下：

(1)加热电阻丝长度计算：

蓄热单元中电阻丝所承受的电压为U，单相加热功率为P，单相加热丝根数为N，所用加热电阻材料的电阻率为ρ，温度系数为k，当电阻丝的截面积为S时，则加热单元所需加热电阻丝的长度L为：

(2)加热丝表面负荷计算：

蓄热单元中的单相加热电阻功率为P，加热电阻丝截面积为S，则电热合金材料的电阻丝表面负荷为：

3)步骤中换热管管内的空气流速ω计算公式如下

式中：Q-最大换热功率；T₁,T₂-换热器入出口空气温度；C₁,C₂-换热器入出口空气温度下的比热；n-换热管根数；S₁-换热管横截面积。

优点效果：

本方法提供一种固态储热系统的热力平衡计算与设计方法，其将固态储热系统的主体结构分为加热系统、蓄热系统、循环风系统、换热系统四个子系统，在明确固态储热系统各个子系统关系的前提下，分别提出上述子系统的设计计算方法，同时设计出整个固态储热系统的设计计算流程图，从而实现了固态储热系统的初步关键参数设计，为后续的数值模拟和实验验证打下基础。

附图说明：

图1：固态储热系统工作原理图；

图2：高温固态储热系统热力计算各部分计算参数关系图；

图3：加热系统设计计算流程图；

图4：蓄热系统设计计算流程图；

图5：换热系统设计计算流程图；

图6：循环风系统设计计算流程图；

图7：固态储热系统热力平衡设计计算流程图。

具体实施方式：

本方法提供一种固态储热系统的热力平衡计算与设计方法，固态储热系统是将储热与换热结合为一体的系统，系统由蓄热机组(包括蓄热体和加热丝)、换热机组(包括换热器和变频通风机)、保温壳体、炉体外壳等结构等组成，如下图1所示，根据系统结构将固态储热系统分为加热系统、蓄热系统、循环风系统、换热系统四个子系统，四个子系统相互联系、相互影响，各子系统的热力平衡关系如附录图2所示，蓄热系统的设计必须要明确加热功率，加热时长，蓄热体初、终温度等值，此值需蓄热系统设计前确定，且可根据需要进行调整；蓄热系统中蓄热体孔数为加热系统的一个输入量，当明确加热系统的电压和功率时，蓄热系统中蓄热体孔数影响加热丝长度及加热丝表面负荷，最终影响到加热丝的形状设计；同时依据蓄热系统所确定的最大供热负荷，上、下风道温度等值将直接影响换热系统的设计，蓄热系统中风道、风孔产生的流阻还将影响到循环风系统的设计；由换热系统将确定的整个固态储热系统所需流量以及换热系统所产生的流阻，这将直接决定循环风系统的设计计算。因此，此发明依据固态储热系统四个子系统之间的热力平衡关系，设计出一套关于固态储热系统的初步设计计算流程，如附录图6所示。

1)加热系统设计计算方法

本发明中加热系统的设计计算主要是加热丝设计计算，在加热系统中，利用10kV-66kV高电压对储能体中的电阻丝直接进行加热，为保证整个蓄热体温度的均匀性，需要对加热丝参数进行计算，加热丝的主要参数有加热丝长度和加热丝表面负荷等。加热丝设计计算流程如附录图3所示，对于加热丝长度和加热丝表面负荷求取，遵循从三相到单相再到单根的计算原则，首先设定加热丝所需的功率和电压，然后根据电功率公式P＝UI以及欧姆定律U＝IR求出单相电阻丝上的电压、电流及功率，再根据单相上电阻丝根数求出单根电阻丝的电流、电压、电阻及功率，最后电阻率表达式求出电阻丝的长度。下面给出加热电阻丝长度以及电阻丝表面负荷的计算公式。

(1)加热电阻丝长度计算

蓄热单元中电阻丝所承受的电压为U，单相加热功率为P，单相加热丝根数为N，所用加热电阻材料的电阻率为ρ，温度系数为k，当电阻丝的截面积为S时，则加热单元所需加热电阻丝的长度L为：

(2)加热丝表面负荷计算

蓄热单元中的单相加热电阻功率为P，加热电阻丝截面积为S，则电热合金材料的电阻丝表面负荷为：

2)蓄热体设计计算方法

蓄热系统中蓄热体作为储存热量的主体，蓄热体的结构决定了蓄热体的蓄热量、取热方式、加热均匀性等。从附录图4中可知，蓄热系统的设计首先要确定所设计蓄热体的蓄热功率P、蓄热时间t以及蓄热裕度k等，在明确上述值之后，就可以根据热量计算公式Q＝kPt算出蓄热体的总蓄热量Q，当蓄热体初始T₁、最终温度T₂以及蓄热砖基本参数(密度ρ、体积V、比热容C等)确定之后，可根据Q₁＝CρV(T₂-T₁)计算出单个蓄热砖的蓄热量Q₁，根据总蓄热量Q以及单块砖体的蓄热量Q₁即可计算出蓄热砖的块数，最后利用计算出的蓄热砖块数对蓄热体的结构进行设计。

3)换热系统设计计算方法

固态储热系统中换热系统的设计计算主要是换热器的设计计算，其设计计算流程如附录图4所示，换热器的设计计算首先要明确换热器的关键参数，即换热功率、换热面积、换热系数与换热管的基本参数等。首先换热器设计计算要明确换热器的最大换热负荷Q、换热器的进口空气温度T₁和出口空气温度T₂以及换热器的供水口温度T₃、回水口温度T₄等参数，设定合适的传热系数k后即可根据热传递公式Q＝kAΔt(Δt为温差，与换热器进出口空气温度、供回水温度有关)求取换热面积A；然后依照需求确定换热管的基本参数，即长度、直径后求得单根换热管的换热面积S₁，根据单根换热管的换热面积以及换热器总换热面积求取换热器的管程数n，管内的空气流速ω则可以由求出，其中C₁,C₂-换热器入口、出口空气温度下的比热。

4)风循环系统设计计算方法

风循环系统的设计计算主要是变频通风机的设计计算，其设计计算流程如附录图5所示，变频通风机的设计计算主要为电机功率、转速的设计计算。变频通风机转速的确定依赖于所需电机功率、流量以及压强等参数，而变频通风机的功率则由变频通风机所要提供的风量P、风压Q以及效率η决定。根据则可以求出电动机功率N，变频通风机需要提供的风压和风量由蓄热体和换热器各部分流阻和换热器出口空气流量决定，若要保持换热器供回水温度恒定，则需调节变频通风机转速满足不同工况运行要求。

Claims (5)

1.一种固态储热系统的热力平衡计算与设计方法，其特征在于：该方法包括加热系统、蓄热系统、换热系统以及风循环系统四个子系统的设计计算，四个子系统之间相互联系，共同组成整个固体储热系统；

在加热系统中通过从三相→单相→单根的设计计算思路，提出了求取加热丝长度以及表面负荷的计算流程及计算方法；

蓄热系统中在满足蓄热功率要求的基础上，从总蓄热量和单块砖体蓄热量出发，提出了求取蓄热砖数量的计算流程及计算方法；

换热系统中主要以换热器的设计计算为主，从换热器的换热功率，换热器进、出口空气温度，换热器供、回水温度等条件为出发点，提出了换热器设计计算流程及计算方法；

风循环系统中，从变频通风机需要提供的风压和流量出发，提出了风循环系统的计算流程及计算方法；

同时在明确各个固态储热系统子系统之间关系的前提下，提出了固态储热系统的热力平衡计算流程及计算方法。

2.根据权利要求1所述的一种固态储热系统的热力平衡计算与设计方法，其特征在于：

此方法依据固态储热系统四个子系统之间的热力平衡关系，设计出一套关于固态储热系统的初步设计计算流程：

1)加热系统设计计算方法：

本方法中加热系统的设计计算主要是加热丝设计计算，在加热系统中，利用10kV-66kV高电压对储能体中的电阻丝直接进行加热，需要对加热丝参数进行计算，加热丝的主要参数有加热丝长度和加热丝表面负荷。对于加热丝长度和加热丝表面负荷求取，遵循从三相到单相再到单根的计算原则，首先设定加热丝所需的功率和电压，然后根据电功率公式P＝UI以及欧姆定律U＝IR求出单相电阻丝上的电压、电流及功率，再根据单相上电阻丝根数求出单根电阻丝的电流、电压、电阻及功率，最后电阻率表达式求出电阻丝的长度。

2)蓄热体设计计算方法：

蓄热系统中蓄热体作为储存热量的主体，蓄热体的结构决定了蓄热体的蓄热量、取热方式、加热均匀性。蓄热系统的设计首先要确定所设计蓄热体的蓄热功率P、蓄热时间t以及蓄热裕度k，在明确上述值之后，根据热量计算公式Q＝kPt算出蓄热体的总蓄热量Q，当蓄热体初始T₁、最终温度T₂以及蓄热砖基本参数确定之后，根据Q₁＝CρV(T₂-T₁)计算出单个蓄热砖的蓄热量Q₁，根据总蓄热量Q以及单块砖体的蓄热量Q₁即计算出蓄热砖的块数，最后利用计算出的蓄热砖块数对蓄热体的结构进行设计；蓄热砖基本参数包括密度ρ、体积V、比热容C；

3)换热系统设计计算方法：

固态储热系统中换热系统的设计计算主要是换热器的设计计算，换热器的设计计算首先要明确换热器的关键参数，即换热功率、换热面积、换热系数与换热管的基本参数。首先换热器设计计算要明确换热器的最大换热负荷Q、换热器的进口空气温度T₁和出口空气温度T₂以及换热器的供水口温度T₃、回水口温度T₄参数，设定合适的传热系数k后即根据热传递公式Q＝kAΔt求取换热面积A，公式中Δt为温差，与换热器进出口空气温度、供回水温度有关；然后依照需求确定换热管的基本参数，即长度、直径后求得单根换热管的换热面积S₁，根据单根换热管的换热面积以及换热器总换热面积求取换热器的管程数n，管内的空气流速ω；

4)风循环系统设计计算方法：

风循环系统的设计计算主要是变频通风机的设计计算，变频通风机的设计计算主要为电机功率、转速的设计计算。变频通风机转速的确定依赖于所需电机功率、流量以及压强等参数，而变频通风机的功率则由变频通风机所要提供的风量P、风压Q以及效率η决定。根据则求出电动机功率N，变频通风机需要提供的风压和风量由蓄热体和换热器各部分流阻和换热器出口空气流量决定，若要保持换热器供回水温度恒定，则需调节变频通风机转速满足不同工况运行要求。

3.根据权利要求2所述的一种固态储热系统的热力平衡计算与设计方法，其特征在于：1)步骤中，加热电阻丝长度以及电阻丝表面负荷的计算公式如下：

(1)加热电阻丝长度计算：

蓄热单元中电阻丝所承受的电压为U，单相加热功率为P，单相加热丝根数为N，所用加热电阻材料的电阻率为ρ，温度系数为k，当电阻丝的截面积为S时，则加热单元所需加热电阻丝的长度L为：

(2)加热丝表面负荷计算：

蓄热单元中的单相加热电阻功率为P，加热电阻丝截面积为S，则电热合金材料的电阻丝表面负荷为：

4.根据权利要求2所述的一种固态储热系统的热力平衡计算与设计方法，其特征在于：3)步骤中，换热管管内的空气流速ω计算公式如下

式中：Q-最大换热功率；T₁,T₂-换热器入出口空气温度；C₁,C₂-换热器入出口空气温度下的比热；n-换热管根数；S₁-换热管横截面积。

5.根据权利要求3所述的一种固态储热系统的热力平衡计算与设计方法，其特征在于：3)步骤中的管内的空气流速ω；则由求出，其中C₁,C₂-换热器入口、出口空气温度下的比热。