熔鹽儲(chǔ)罐基礎(chǔ)自然對(duì)流散熱分析

顧清之

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 分析背景

太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是一種新型發(fā)電技術(shù),相比光伏發(fā)電,最大優(yōu)勢(shì)是可以與便宜的儲(chǔ)熱系統(tǒng)匹配。太陽(yáng)能熱發(fā)電商業(yè)電站中,最常用的儲(chǔ)熱系統(tǒng)是高溫雙罐熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)[1-3]。

高溫雙罐熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)包含兩個(gè)熔鹽儲(chǔ)罐,分別為高溫罐和低溫罐。塔式光熱電站的兩個(gè)儲(chǔ)罐中,熔鹽的溫度分別達(dá)到565 ℃和290 ℃[4]。熔鹽儲(chǔ)罐中熔鹽溫度較高,儲(chǔ)罐內(nèi)的熱量會(huì)不斷傳導(dǎo)向基礎(chǔ)。為了避免基礎(chǔ)中溫度高于100 ℃,造成水分蒸發(fā),基礎(chǔ)沉降,在基礎(chǔ)中必須有散熱通風(fēng)管道,將基礎(chǔ)中的一部分熱量排出[5]。國(guó)外光熱電站建設(shè)較早,技術(shù)人員對(duì)熔鹽儲(chǔ)罐基礎(chǔ)中的散熱通風(fēng)做了一定研究。文獻(xiàn)[6]介紹了散熱通風(fēng)管道的排布方法,排布的形式為在儲(chǔ)罐底部鋪設(shè)平行的碳鋼管道,管道的兩端分別在儲(chǔ)罐的兩邊穿出地面,其中一端較高。國(guó)內(nèi)由于對(duì)光熱發(fā)電的研究剛剛興起,因此對(duì)基礎(chǔ)中散熱的研究不多,目前主要有幾個(gè)專利給出了熔鹽儲(chǔ)罐基礎(chǔ)中散熱通風(fēng)的方案。文獻(xiàn)[7]介紹了一種以鼓風(fēng)機(jī)為動(dòng)力源的通風(fēng)散熱方案,優(yōu)點(diǎn)是散熱快,所受外界環(huán)境的影響小。文獻(xiàn)[8]介紹了一種以冷卻水管為儲(chǔ)罐底部散熱的方案,優(yōu)點(diǎn)是散熱效率高,所獲得的熱水可用作供暖。已有文獻(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)散熱原理及儲(chǔ)罐基礎(chǔ)散熱影響因素的分析還較少,筆者對(duì)這兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

2 自然對(duì)流散熱原理

某塔式光熱電站熔鹽儲(chǔ)罐基礎(chǔ)散熱通風(fēng)管道兩端的現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1所示。該電站熔鹽儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的散熱方式是典型的自然對(duì)流散熱,若干根平行的散熱通風(fēng)管道穿過(guò)熔鹽儲(chǔ)罐底部,從儲(chǔ)罐的兩端穿出,進(jìn)口端較低,出口端較高。

圖1 熔鹽儲(chǔ)罐基礎(chǔ)散熱通風(fēng)管道照片

熔鹽儲(chǔ)罐基礎(chǔ)自然對(duì)流散熱原理如圖2所示。保溫材料用于控制儲(chǔ)罐傳至下方的熱量,保溫材料上部與儲(chǔ)罐接觸,由于儲(chǔ)罐內(nèi)溫度基本均勻,因此這部分的溫度可以認(rèn)為是儲(chǔ)罐內(nèi)熔鹽的溫度。保溫材料的下方是混凝土,為整個(gè)儲(chǔ)罐提供支撐。在混凝土的上方有散熱通風(fēng)管道,用于帶走上方傳來(lái)的熱量。左邊管道上方是環(huán)境中的空氣,溫度比右邊管道中的空氣低,密度比右邊管道中的空氣大,如果假設(shè)b點(diǎn)水平面壓力一致,那么在a點(diǎn)水平面,左邊冷空氣重力造成的壓力比右邊熱空氣重力造成的壓力大,空氣會(huì)從左邊流向右邊,流動(dòng)的空氣帶走混凝土中的熱量。自然對(duì)流散熱其實(shí)是煙囪效應(yīng)的一種應(yīng)用,在實(shí)際應(yīng)用中可以將散熱通風(fēng)管道低的一端設(shè)置在常吹風(fēng)向的迎風(fēng)面,并傾斜放置,進(jìn)而強(qiáng)化散熱效果[9-10]。

圖2 熔鹽儲(chǔ)罐基礎(chǔ)自然對(duì)流散熱原理

3 自然對(duì)流散熱影響因素分析

3.1 建模

為驗(yàn)證影響自然對(duì)流散熱的各種因素,建立了一個(gè)模型,模型尺寸及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)[5]中所述相同。考慮計(jì)算機(jī)資源的限制,選取低溫罐中心區(qū)域的一根散熱通風(fēng)管道建立模型,模型總長(zhǎng)為40 m,寬度為0.8 m,包括散熱通風(fēng)管道周圍的混凝土基礎(chǔ)及上方保溫材料。模型外觀如圖3所示。

圖3 散熱通風(fēng)管道模型外觀

模型上方為保溫材料,保溫材料兩端是提供支撐的耐火磚。在保溫材料及耐火磚的下方是混凝土,混凝土中有散熱通風(fēng)管道。散熱通風(fēng)管道從混凝土兩端伸出,一端較高,一端較低。散熱通風(fēng)管道進(jìn)出口處網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 散熱通風(fēng)管道進(jìn)出口處網(wǎng)格劃分

使用商業(yè)軟件ANSYS Fluent 14.5對(duì)模型進(jìn)行求解,模型中的流態(tài)選用k-ε模型,設(shè)置壁面增強(qiáng)及浮升力。使用SIMPLE方法求解,壓力離散格式選用PRESTO!,殘差收斂選擇默認(rèn)。環(huán)境溫度設(shè)為30 ℃,考慮無(wú)風(fēng)狀態(tài)[11]。

散熱通風(fēng)管道的出口設(shè)置壓力出口條件,壓力均為大氣壓力,溫度為30 ℃。

散熱通風(fēng)管道側(cè)部與空氣接觸的部分設(shè)置為對(duì)流換熱,環(huán)境溫度為30 ℃。

保溫材料的頂部設(shè)置為定壁溫290 ℃,兩側(cè)設(shè)置為絕熱,與混凝土接觸的邊界進(jìn)行耦合計(jì)算。

耐火磚的頂部設(shè)置為定壁溫290 ℃,前后兩側(cè)設(shè)置為絕熱,與空氣接觸的兩面設(shè)置為自然對(duì)流散熱,溫度設(shè)置為30 ℃。

混凝土與空氣接觸的部分設(shè)置為對(duì)流散熱,環(huán)境溫度設(shè)置為30 ℃,混凝土的其余部位均設(shè)置為絕熱。

以下從散熱通風(fēng)管道管徑大小、高度差及保溫層厚度三個(gè)方面進(jìn)行分析。參考文獻(xiàn)[5],以保溫層厚度500 mm、管徑140 mm、高度差2.5 m作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù),保持其中兩個(gè)數(shù)據(jù)不變,改變第三個(gè)數(shù)據(jù),分析對(duì)自然對(duì)流散熱的影響。

3.2 管徑

從理論上推測(cè),管徑增大可以降低空氣在散熱通風(fēng)管道中流動(dòng)的壓降,加快空氣流速,帶走更多熱量,從而使基礎(chǔ)中的溫度更低。選擇管徑為110 mm、120 mm、140 mm、160 mm、180 mm進(jìn)行模擬驗(yàn)證,模擬結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同管徑時(shí)自然對(duì)流散熱效果

由表1可以看到,隨著管徑的增大,混凝土與保溫材料接觸面的平均溫度不斷降低,空氣流量不斷增大,自然對(duì)流散熱的效果越來(lái)越好。

混凝土與保溫材料接觸面溫度分布如圖5所示,模型中心切面溫度分布如圖6所示。整個(gè)基礎(chǔ)中的溫度分布是不均勻的,散熱通風(fēng)管道高度低的一端比高度高的一端溫度低,主要是由于空氣從散熱通風(fēng)管道高度低的一端向高度高的一端流動(dòng),高度低的一端接觸的是剛從外界流入的冷空氣。可見(jiàn),在實(shí)際電站設(shè)計(jì)時(shí)，需要著重考慮散熱通風(fēng)管道空氣流出一端基礎(chǔ)的溫度是否超溫。

圖5 混凝土與保溫材料接觸面溫度分布

3.3 高度差

散熱通風(fēng)管道的高度差指散熱通風(fēng)管道兩端高度的差值,增大高度差會(huì)增大高溫段空氣的長(zhǎng)度,使圖2中a、b兩點(diǎn)的壓差增大,進(jìn)而增大空氣流動(dòng)的動(dòng)力。選擇散熱通風(fēng)管道高度差為1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m進(jìn)行模擬驗(yàn)證,模擬結(jié)果見(jiàn)表2。

圖6 模型中心切面溫度分布

表2 不同高度差時(shí)自然對(duì)流散熱效果

由表2可以看到,隨著散熱通風(fēng)管道高度差的增大,保溫材料與混凝土接觸面的平均溫度不斷降低,空氣流量不斷增大,可以認(rèn)為增大散熱通風(fēng)管道高度差增強(qiáng)了自然對(duì)流散熱效果。

3.4 保溫層厚度

保溫層厚度會(huì)影響從儲(chǔ)罐底部傳到基礎(chǔ)的熱量,保溫層厚度越厚,傳到混凝土的熱量越少,就此而言,保溫層增厚會(huì)降低保溫材料和混凝土接觸面的溫度。另一方面,空氣流動(dòng)的動(dòng)力是上部的熱源,所以增大保溫層厚度有可能會(huì)減慢空氣的流速。選擇保溫層厚度為300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、700 mm進(jìn)行模擬驗(yàn)證，模擬結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同保溫層厚度時(shí)自然對(duì)流散熱效果

由表3可以看到,隨著保溫層厚度的增大,保溫材料與混凝土接觸面的溫度不斷降低,空氣流量不斷減小。這說(shuō)明接觸面溫度的降低并不是由于空氣帶走的熱量增大,而是上方儲(chǔ)罐底部傳入的熱量減小。可見(jiàn),增大保溫層厚度減弱了自然對(duì)流散熱效果,同時(shí)也減小了混凝土獲得的熱量,保溫材料與混凝土接觸面的溫度整體而言不斷降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)塔式光熱電站熔鹽儲(chǔ)罐基礎(chǔ)自然對(duì)流散熱進(jìn)行分析,通過(guò)建模,驗(yàn)證了影響熔鹽儲(chǔ)罐基礎(chǔ)自然對(duì)流散熱的三個(gè)因素,包括散熱通風(fēng)管道管徑、高度差和保溫層厚度。

散熱通風(fēng)管道管徑越大,管內(nèi)空氣流動(dòng)越快,混凝土與保溫材料接觸部分溫度越低。散熱通風(fēng)管道高度差越大,管內(nèi)空氣流動(dòng)越快,混凝土與保溫材料接觸部分溫度越低。保溫層越厚,管內(nèi)空氣流動(dòng)越慢,空氣帶走熱量越小,同時(shí)從保溫材料上方傳遞的熱量也越來(lái)越小,整體而言,混凝土與保溫材料接觸部分的溫度越來(lái)越低。