熔盐储罐基础自然对流散热分析

顾清之

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 分析背景

太阳能热发电技术是一种新型发电技术,相比光伏发电,最大优势是可以与便宜的储热系统匹配。太阳能热发电商业电站中,最常用的储热系统是高温双罐熔盐储热系统[1-3]。

高温双罐熔盐储热系统包含两个熔盐储罐,分别为高温罐和低温罐。塔式光热电站的两个储罐中,熔盐的温度分别达到565 ℃和290 ℃[4]。熔盐储罐中熔盐温度较高,储罐内的热量会不断传导向基础。为了避免基础中温度高于100 ℃,造成水分蒸发,基础沉降,在基础中必须有散热通风管道,将基础中的一部分热量排出[5]。国外光热电站建设较早,技术人员对熔盐储罐基础中的散热通风做了一定研究。文献[6]介绍了散热通风管道的排布方法,排布的形式为在储罐底部铺设平行的碳钢管道,管道的两端分别在储罐的两边穿出地面,其中一端较高。国内由于对光热发电的研究刚刚兴起,因此对基础中散热的研究不多,目前主要有几个专利给出了熔盐储罐基础中散热通风的方案。文献[7]介绍了一种以鼓风机为动力源的通风散热方案,优点是散热快,所受外界环境的影响小。文献[8]介绍了一种以冷却水管为储罐底部散热的方案,优点是散热效率高,所获得的热水可用作供暖。已有文献对储罐基础散热原理及储罐基础散热影响因素的分析还较少,笔者对这两个方面进行分析。

2 自然对流散热原理

某塔式光热电站熔盐储罐基础散热通风管道两端的现场照片如图1所示。该电站熔盐储罐基础的散热方式是典型的自然对流散热,若干根平行的散热通风管道穿过熔盐储罐底部,从储罐的两端穿出,进口端较低,出口端较高。

图1 熔盐储罐基础散热通风管道照片

熔盐储罐基础自然对流散热原理如图2所示。保温材料用于控制储罐传至下方的热量,保温材料上部与储罐接触,由于储罐内温度基本均匀,因此这部分的温度可以认为是储罐内熔盐的温度。保温材料的下方是混凝土,为整个储罐提供支撑。在混凝土的上方有散热通风管道,用于带走上方传来的热量。左边管道上方是环境中的空气,温度比右边管道中的空气低,密度比右边管道中的空气大,如果假设b点水平面压力一致,那么在a点水平面,左边冷空气重力造成的压力比右边热空气重力造成的压力大,空气会从左边流向右边,流动的空气带走混凝土中的热量。自然对流散热其实是烟囱效应的一种应用,在实际应用中可以将散热通风管道低的一端设置在常吹风向的迎风面,并倾斜放置,进而强化散热效果[9-10]。

图2 熔盐储罐基础自然对流散热原理

3 自然对流散热影响因素分析

3.1 建模

为验证影响自然对流散热的各种因素,建立了一个模型,模型尺寸及基础结构与文献[5]中所述相同。考虑计算机资源的限制,选取低温罐中心区域的一根散热通风管道建立模型,模型总长为40 m,宽度为0.8 m,包括散热通风管道周围的混凝土基础及上方保温材料。模型外观如图3所示。

图3 散热通风管道模型外观

模型上方为保温材料,保温材料两端是提供支撑的耐火砖。在保温材料及耐火砖的下方是混凝土,混凝土中有散热通风管道。散热通风管道从混凝土两端伸出,一端较高,一端较低。散热通风管道进出口处网格划分如图4所示。

图4 散热通风管道进出口处网格划分

使用商业软件ANSYS Fluent 14.5对模型进行求解,模型中的流态选用k-ε模型,设置壁面增强及浮升力。使用SIMPLE方法求解,压力离散格式选用PRESTO!,残差收敛选择默认。环境温度设为30 ℃,考虑无风状态[11]。

散热通风管道的出口设置压力出口条件,压力均为大气压力,温度为30 ℃。

散热通风管道侧部与空气接触的部分设置为对流换热,环境温度为30 ℃。

保温材料的顶部设置为定壁温290 ℃,两侧设置为绝热,与混凝土接触的边界进行耦合计算。

耐火砖的顶部设置为定壁温290 ℃,前后两侧设置为绝热,与空气接触的两面设置为自然对流散热,温度设置为30 ℃。

混凝土与空气接触的部分设置为对流散热,环境温度设置为30 ℃,混凝土的其余部位均设置为绝热。

以下从散热通风管道管径大小、高度差及保温层厚度三个方面进行分析。参考文献[5],以保温层厚度500 mm、管径140 mm、高度差2.5 m作为基准数据,保持其中两个数据不变,改变第三个数据,分析对自然对流散热的影响。

3.2 管径

从理论上推测,管径增大可以降低空气在散热通风管道中流动的压降,加快空气流速,带走更多热量,从而使基础中的温度更低。选择管径为110 mm、120 mm、140 mm、160 mm、180 mm进行模拟验证,模拟结果见表1。

表1 不同管径时自然对流散热效果

由表1可以看到,随着管径的增大,混凝土与保温材料接触面的平均温度不断降低,空气流量不断增大,自然对流散热的效果越来越好。

混凝土与保温材料接触面温度分布如图5所示,模型中心切面温度分布如图6所示。整个基础中的温度分布是不均匀的,散热通风管道高度低的一端比高度高的一端温度低,主要是由于空气从散热通风管道高度低的一端向高度高的一端流动,高度低的一端接触的是刚从外界流入的冷空气。可见,在实际电站设计时，需要着重考虑散热通风管道空气流出一端基础的温度是否超温。

图5 混凝土与保温材料接触面温度分布

3.3 高度差

散热通风管道的高度差指散热通风管道两端高度的差值,增大高度差会增大高温段空气的长度,使图2中a、b两点的压差增大,进而增大空气流动的动力。选择散热通风管道高度差为1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m进行模拟验证,模拟结果见表2。

图6 模型中心切面温度分布

表2 不同高度差时自然对流散热效果

由表2可以看到,随着散热通风管道高度差的增大,保温材料与混凝土接触面的平均温度不断降低,空气流量不断增大,可以认为增大散热通风管道高度差增强了自然对流散热效果。

3.4 保温层厚度

保温层厚度会影响从储罐底部传到基础的热量,保温层厚度越厚,传到混凝土的热量越少,就此而言,保温层增厚会降低保温材料和混凝土接触面的温度。另一方面,空气流动的动力是上部的热源,所以增大保温层厚度有可能会减慢空气的流速。选择保温层厚度为300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、700 mm进行模拟验证，模拟结果见表3。

表3 不同保温层厚度时自然对流散热效果

由表3可以看到,随着保温层厚度的增大,保温材料与混凝土接触面的温度不断降低,空气流量不断减小。这说明接触面温度的降低并不是由于空气带走的热量增大,而是上方储罐底部传入的热量减小。可见,增大保温层厚度减弱了自然对流散热效果,同时也减小了混凝土获得的热量,保温材料与混凝土接触面的温度整体而言不断降低。

4 结束语

笔者对塔式光热电站熔盐储罐基础自然对流散热进行分析,通过建模,验证了影响熔盐储罐基础自然对流散热的三个因素,包括散热通风管道管径、高度差和保温层厚度。

散热通风管道管径越大,管内空气流动越快,混凝土与保温材料接触部分温度越低。散热通风管道高度差越大,管内空气流动越快,混凝土与保温材料接触部分温度越低。保温层越厚,管内空气流动越慢,空气带走热量越小,同时从保温材料上方传递的热量也越来越小,整体而言,混凝土与保温材料接触部分的温度越来越低。