李九如　董喜欣　陳巨輝　李欣

摘要：針對環(huán)境污染日益嚴重和電網(wǎng)谷峰差逐年加大給電網(wǎng)帶來安全隱患的兩個重大問題，結合熔鹽儲能技術提出了太陽能&谷電加熱蓄能系統(tǒng)。太陽能&谷電加熱蓄能系統(tǒng)不僅具有良好的節(jié)能減排效果，還有很好的經(jīng)濟性。針對熔鹽蓄熱技術傳熱規(guī)律研究較少的問題，理論計算了管道彎頭內表面的對流換熱系數(shù)，并且采用灰色關聯(lián)分析方法，對不同尺寸彎頭在不同流速時表面對流換熱系數(shù)進行研究，分析了幾何形狀和流速對內壁面對流換熱系數(shù)的影響程度。

關鍵詞：太陽能，谷電，熔鹽，灰色關聯(lián)度，表面對流換熱系數(shù)

中圖分類號：O359 文獻標志碼：A 文章編號：1007-2683（2017）01-0080-06

0 引言

能源是人類進步和發(fā)展的物質基礎，經(jīng)濟的發(fā)展和能源的利用有著密不可分的關系。我國工業(yè)化和現(xiàn)代化進程正向著深層次方向發(fā)展，這將對能源行業(yè)提出了更高的要求。我國能源結構是以煤為主的化石燃料。化石燃料的大量使用造成我國各地污染嚴重。開發(fā)和利用可再生能源的可謂“迫在眉睫”。太陽能有儲量大、分布廣、清潔型、經(jīng)濟性的優(yōu)點，被視為理想的替代能源。同時閱讀相關資料后知，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，電網(wǎng)的谷峰值逐年加大，給電網(wǎng)的安全運行帶來一定的安全隱患，為削減谷峰差《電力法》第四十一條規(guī)定國家實行分時電價，同時，政府對符合條件的低谷電用戶給予政策補貼。基于熔鹽蓄熱技術已在太陽能熱發(fā)電電站實現(xiàn)應用，考慮到開發(fā)利用可再生能源和削減電網(wǎng)谷峰差兩個問題。設計了太陽能&電加熱聯(lián)合加熱熔鹽系統(tǒng)。雖目前太陽能熔鹽蓄熱電站已實現(xiàn)運行，對于熔鹽蓄熱的傳熱規(guī)律研究較少同時，在北京工業(yè)大學馬重芳、吳玉庭等驗證了經(jīng)典關聯(lián)式對高溫熔融鹽傳熱的適用性的基礎上，考慮熔融鹽的流動與傳熱特性，直接關系到熔融鹽蓄熱循環(huán)系統(tǒng)和換熱器的設計與布置。

本文為解決管道彎頭的幾何形狀和熔鹽流速與彎頭內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的關系的問題。理論計算了管道彎頭內表面的對流換熱系數(shù)，并采用灰色關聯(lián)分析的方法，比較了彎頭幾何要素和熔鹽流速分別對彎頭內側表面對流傳熱系數(shù)的影響程度的大小關系。

1 太陽能&谷電加熱熔鹽蓄熱系統(tǒng)原理

本文設計的熔鹽蓄熱系統(tǒng)如圖1所示，太陽能&谷電加熱熔鹽系統(tǒng)的基本原理是將太陽能和谷電以熱能的形式儲存在熔鹽蓄熱介質中，考慮到太陽能與谷電時間上的互補性，利用儲能技術解決了太陽能間歇性和谷電周期性和固定時間段的弊端，達到日間用低谷電、夜間用太陽能的效果儲存的熱能可作為吸收式空調的熱源和用于采暖。太陽能&谷電聯(lián)合蓄能系統(tǒng)由太陽能集熱器、電加熱器、高溫熔鹽罐、低溫熔鹽罐、循環(huán)管道等組成。系統(tǒng)采用雙熔鹽罐設計高溫熔鹽罐（罐內熔鹽溫度550℃）主要作用為蓄熱作用；低溫的熔鹽流回低溫罐（罐內熔鹽溫度300℃），主要作用為：①熔化固體鹽；②儲存液態(tài)熔鹽，熔鹽在系統(tǒng)中運行的阻力由熔鹽泵克服。熔鹽蓄熱系統(tǒng)以混合熔鹽（60%硝酸鈉和40%硝酸鉀）作為傳熱和儲能介質，混合熔鹽作為蓄熱材料其優(yōu)勢為：液體溫度范圍寬、黏度低、流動性能好、蒸汽壓小、對管路承壓能力要求低、相對密度大、比熱容高、蓄熱能力強、成本較低等諸多優(yōu)點。

2 太陽能&谷電加熱熔鹽蓄熱系統(tǒng)與用能環(huán)節(jié)的匹配

太陽能是一種間歇性、不穩(wěn)定性的清潔能源，其能流密度受時間段、天氣情況、地理位置等諸多因素影響，同時蓄熱系統(tǒng)耗能模塊的能耗的變化會造成熔鹽蓄熱系統(tǒng)與耗能環(huán)節(jié)匹配不良。往往熔鹽蓄熱系統(tǒng)與用能環(huán)節(jié)匹配時需要依照用能環(huán)節(jié)的特性恰當選用補償器進行能源補償，因此匹配模式可分為

1）無補償理想模式

日間通過系統(tǒng)存儲的太陽能足以滿足夜間系統(tǒng)用能模塊的用能要求；夜間通過系統(tǒng)存儲的低谷電足以滿足日間系統(tǒng)用能模塊的用能要求。理想模式運行模式下的熔鹽蓄熱系統(tǒng)實現(xiàn)了日問太陽能夜用，夜間低谷電日用，此種模式是理想模式。

2）補償器補償太陽能

①由于夜間耗能模塊工作量的加大導致夜間工業(yè)設備的耗能量超過系統(tǒng)設計的日間存儲的太陽能能量；②由于天氣的不可控性和隨機性較大，日照量主要受天氣條件的影響因素較重，導致太陽能的系統(tǒng)輸入不穩(wěn)定，日間存儲的太陽能無法滿足夜間能量需求。

3）補償器補償?shù)凸入?/p>

相對于太陽能熔鹽系統(tǒng)電力供給相對穩(wěn)定，系統(tǒng)所裝配的電加熱爐的功率和數(shù)量是固定的，故此低谷電供給熔鹽系統(tǒng)的能量是穩(wěn)定的，熔鹽系統(tǒng)需要能量補給時主要由于日間耗能模塊工作量的加大導致日問工業(yè)設備的耗能量超過系統(tǒng)設計的日間存儲低谷電的能量。

4）補償器補償太陽能及低谷電

①由于夜間耗能模塊工作量的加大導致夜間工業(yè)設備的耗能量超過系統(tǒng)設計的日間存儲的太陽能能量；②由于天氣的不可控性和隨機性較大，日照量主要受天氣條件的影響因素較重，導致太陽能的系統(tǒng)輸入不穩(wěn)定，日間存儲的太陽能無法滿足夜間能量需求；③相對于太陽能熔鹽系統(tǒng)電力供給穩(wěn)定，系統(tǒng)所裝配的電加熱爐的功率和數(shù)量是固定的，故此低谷電供給熔鹽系統(tǒng)的能量是穩(wěn)定的，熔鹽系統(tǒng)需要能量補給時主要由于日間耗能模塊工作量的加大導致日問工業(yè)設備的耗能量超過系統(tǒng)設計的日間存儲低谷電的能量。此種模式為最不理想模式。

太陽能和低谷電在熔鹽蓄熱系統(tǒng)與用能環(huán)節(jié)的匹配是系統(tǒng)運行的難點，關鍵在于如何根據(jù)天氣預測，實時調整系統(tǒng)集能部分與用能部分工作狀態(tài)，使整個熔鹽蓄熱系統(tǒng)的運行在貼近無補償理想狀態(tài)下工作，已達到最佳的節(jié)能性、經(jīng)濟性和環(huán)保性。

3 經(jīng)濟性分析與節(jié)能減排效果分析

3.1 經(jīng)濟性分析

基于太陽能&谷電聯(lián)合加熱熔鹽儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性與用能模塊的具體工作性質密切相關，特別適合于對分別集中在日間和夜間的用能場所進行捆綁供能。本文對一棟北京市商住樓住宅（1～2層為商場，3～12層為住宅，每層1 040 m²）利用太陽能&谷電加熱熔鹽蓄熱系統(tǒng)驅動吸收式中央空調情況進行分析。

住宅空調制冷集中在夜晚，時間段主要集中在18：00-次日7：00，實需制冷率與實需供暖率相差甚微，參照文資料，將實需制冷率取為21.4%，且制冷時間段主要集中在18：00-次日7：00，住宅能流密度120 W/m²（按空調設計手冊查?。虉隹照{制冷集中在日間（商場的營業(yè)時間為9：30-21：30），營業(yè)時間不間斷制冷，商場24小時實需制冷率為50%，制冷所需能流密度為300 W/m²（按空調設計手冊查?。?，樓宇每層1 040 m²，則商場總面積為2 080 m²，住宅總面積為10 400 m²。計算得，該商住樓每月住宅樓層與商場制冷需能分別為192 292 kwh和224 640 kwh。北京非低谷電電價為0.488 3元/kwh，低谷電價0.3元/kwh，符合國家的補貼政策可享受0.2元/kWh的補貼，因此低谷電實際電價為0.1元/kWh。采用常規(guī)電網(wǎng)電力驅動中央空調工作，每月需花費203 588元。采用太陽能&低谷電聯(lián)合加熱熔鹽儲能系統(tǒng)驅動中央空調，無補償理想模式下分析，住宅制冷所需能源為儲存太陽能，目前太陽能是無償性能源。商場制冷所需能量為夜間谷電的電能，每月可花費電費19 229.2元，故該商住樓每月可節(jié)省電費184 358.8元（每月按30天計算），節(jié)省電費比率為90.5%。

3.2 節(jié)能減排效果分析

2010年我國燃煤發(fā)電的能耗為312 g/kwh，節(jié)約1 kWh的電力相當于節(jié)約0.312 kg標準煤，可減少1.029 6 kg CO₂排放。按上述商住樓分析，若采用常規(guī)電網(wǎng)電力驅動中央空調每月用電416 932 kWh，相當于消耗130 083 kg標準煤，產(chǎn)生429 273.2 kgCO₂排放。采用太陽能&低谷電聯(lián)合加熱熔鹽儲能系統(tǒng)驅動上述商住樓住宅中央空調每月可節(jié)省電力192 292 kWh，相對于59 995 kg標準煤，可減少197 983.8 k CO₂排放，節(jié)約標準煤比率、減排CO₂比率為46.1%。

4 熔鹽管道彎頭的傳熱特性計算

在熔鹽蓄熱系統(tǒng)中存在管道彎曲的結構，考慮到熔融鹽的流動與傳熱特性，直接關系到熔融鹽蓄熱循環(huán)系統(tǒng)和換熱器的設計與布置。彎曲處存在二次環(huán)流的現(xiàn)象，其傳熱特性不同于直管段。故對熔鹽管道彎曲處的傳熱特性進行研究。

熔鹽系統(tǒng)管段的熱能傳遞（如圖2）所示。

熔鹽在管道中流動符合熱量平衡原理，可知在單位時間內Φ₁、Φ₂、Φ₃之間存在數(shù)學關系式

Φ₁=Φ₂+Φ₃ （1）式中：Φ₁為流入管段的熱量；Φ₂為流出管段的熱量；Φ₃為經(jīng)管壁進入到環(huán)境中的熱量。

Φ₃為傳遞環(huán)境中的熱量，其大小將影響整個熔鹽系統(tǒng)和換熱器的效率。損失熱量傳遞過程中各個環(huán)節(jié)的換熱方式為，熔鹽存儲的熱量通過對流換熱方式傳遞到管道內側，又以導熱的方式傳遞到管壁外側，再以對流傳熱和輻射傳熱的方式傳遞到環(huán)境中。

熱量傳遞過程中的各個環(huán)節(jié)的數(shù)量關系為：

Φ₃=Φ_a=Φ_b=Φ_c+Φ_d （2）式中：Φ_a為熔鹽以對流換熱方式傳遞給內側管壁的熱量；Φ_b為內側管壁以導熱的方式傳遞給外側管壁的熱量；Φ_c為外側管壁以對流換熱方式傳給環(huán)境的熱量；Φ_d為外側管壁以輻射傳熱的方式傳給環(huán)境的熱量。

熔鹽與內側管壁的對流傳熱量Φ_a=Φ₃，通過計算熔鹽以對流換熱方式傳遞給內側管壁的熱量，與外界交換的熱量全部是由于熔鹽在內側管壁上的對流傳熱造成的，管道傳遞出熱能的數(shù)量與內壁的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)有直接關系。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小與流體的物性（λ、ρ、C_p等）以及換熱表面的形狀、大小、布置、流速有密切關系。假設彎頭入口熔鹽的溫度為350℃。

本文用理論分析的方法對彎頭在流速不同情況下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)進行計算，研究換熱表面的形狀、大小、流速與表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的關系。彎頭的示意圖見圖3。

需要說明的是：內徑d和彎頭半徑R均和換熱表面的形狀4、大小B存在函數(shù)關系。

A=f（d，R） （3）

B=g（d，R） （4）

用d，R可以間接描述換熱表面的形狀4和大小B。

為簡化研究做如下假設：①彎頭中熔鹽的流動為穩(wěn)態(tài)流動；②熔鹽的物性參數(shù)在流動過程中不變；③彎頭截面未發(fā)生畸變；④彎管的布置方式相同；⑤外部環(huán)境條件不變。

故表面對流換熱系數(shù)只與內徑d、彎道曲率R、流速u有關。

采用Dittus-Boeher實驗關聯(lián)式，特征長度為內徑d。

Nu=0.023Re^0.8Prⁿ （5）

流體被冷卻，n=0.3。

式中：Re-雷諾數(shù)；Pr-普朗德數(shù)。

Re=（u×d）/v （6）

Nu=（ud）/Aλ（7）

Dittus-Boeher實驗關聯(lián)式只適用于直管段對于彎管要加以修正。

螺旋管修正系數(shù)C_r

對于液體

（8）

聯(lián)立式（5）、（6）、（7）和式（8）得彎頭處的

（9）

圖4、圖5、圖6分別表示3個變量單獨變化時對表面對流換熱系數(shù)的影響效果。

圖4說明表面對流換熱系數(shù)隨管道內徑的增大呈遞減趨勢的。

圖5說明表面對流換熱系數(shù)隨流速的增加呈遞增趨勢，且趨于線性。流速增加，流體對于管壁的沖刷強烈，導致對流換熱系數(shù)加大。

圖6說明表面對流換熱系數(shù)隨曲率的增加呈遞減趨勢。曲率增大，流體在彎曲管道中流動的速度方向變化減小，二次環(huán)流現(xiàn)象不明顯，對管壁沖刷不強烈，導致對流換熱系數(shù)減小。

5 對流換熱系數(shù)與彎頭的R和d以及流速u的灰色關聯(lián)分析

如前所述，彎頭的形狀、大小可用d、R間接描述，為進一步探究對流表面換熱系數(shù)與彎頭的R和d以及流速u的關系，分別為下表中的不同流速、不同曲率半徑、不同內徑的5種情況進行分析。

由于彎頭內壁的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與彎頭的形狀、大小、流速之間（即d、R、流速）存在著相似或相異的關系，為衡量關系的遠近程度，故采用灰色系統(tǒng)理論中的灰色關聯(lián)發(fā)進行分析。具體過程

1）確定序列矩陣：系統(tǒng)參考序列因子（對流換熱系數(shù)）用X_n表示，灰色關聯(lián)分析中，內徑d為X₁、彎頭半徑為X₂、流速u為X₃這3個因子為比較序列因子，這4個序列構成一個矩陣。

（10）

2）無量綱化：為去除數(shù)據(jù)中的量綱，并在數(shù)量上統(tǒng)一，用“初值化”的方法數(shù)據(jù)處理，并得到無量綱矩陣。

（11）

得到無量綱矩陣

（12）

3）求差序列

（13）

得到差矩陣，同時找到差矩陣中的最大值、最小值，分別記作△_max，△_min

（14）

p為分辨系數(shù)，取0.5。得到關聯(lián)矩陣。

5）求解參考序列和3種比較序列的灰色關聯(lián)度γ_0k。

（15）

將表中的數(shù)據(jù)進行關聯(lián)度計算，得到3個參數(shù)對表面對流換熱系數(shù)的灰色關聯(lián)度。

γ₀₁=0.431 8，γ₀₂=0.451，γ₀₃=0.505

6）排序并分析

排序結果：γ₀₃>3/γ₀₂>γ₀₁ （16）

在本文研究的影響對流換熱系數(shù)的3個因素中，曲率半徑對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的關聯(lián)度最高，流速次之，管徑與對流表面換熱系數(shù)關聯(lián)度最小。

6 結論

1）太陽能&谷電聯(lián)合加熱熔鹽蓄熱系統(tǒng)充分利用太陽能與谷電時間的互補性，特別適合于對分別集中在日間和夜間的用能場所進行捆綁供能。利用太陽能可減少化石燃料的燃燒，有利于減少用能過程的環(huán)境污染、有利于減小電網(wǎng)的谷峰差、有利于電網(wǎng)的安全運行。

2）采用太陽能&低谷電聯(lián)合加熱熔鹽儲能系統(tǒng)驅動上述商住樓住宅中央空調每月可節(jié)省電力136 200 kWh，相對于42 494.4 kg標準煤，可減少140 231.5 kgCO₂排放。該商住樓每月可節(jié)省電費124 659元（每月按30天計算），節(jié)省電費比率為89.3%。

3）通過對影響管道彎頭處表面對流換熱系數(shù)的3個參數(shù)的灰色關聯(lián)分析，3種參數(shù)對彎頭表面對流傳熱系數(shù)的關聯(lián)度依次是曲率半徑、流速、管徑。對熔鹽系統(tǒng)管道彎曲處的設計和布置有一定的指導意義。

（編輯：關毅）