折流板的设计方法及内置折流板的蓄冷/热器

本发明涉及能量存储技术领域，尤其涉及一种折流板的设计方法及内置折流板的蓄冷/热器。

背景技术：

随着化石能源的日益枯竭，可再生能源占比越来越大，能源结构向绿色低碳转型势在必行，可再生能源在全球能源需求中的占比日益增大。但是，由于可再生能源固有的波动性和间歇性，其发展面临着多方面挑战，而储能技术是解决这一问题的关键。储能技术能够实现能源在应用时及时存储和输送，众多储能技术中，储热和储冷技术有广泛的应用前景，其中的核心部件是蓄热/冷器。

目前，填充床式的蓄热/冷器受到广泛关注，具有安全系数高、成本较低等优势。而填充床形式的蓄热/冷器的储能效率、传热性能直接依赖于蓄热/冷器内部换热流体的分布均匀性，因此，保证蓄热/冷器的流场均匀性尤为重要。

填充床式蓄热/冷器在储能和释能过程中，换热流体沿轴向进入填充床中，与填充床中储能工质进行换热，以实现能量的存储和释放。

现有填充床式蓄热/冷器的流道设置较为单一，换热流体由填充床一端进入，并由另一端流出，对于储能规模较大，直径较大的填充床式蓄热/冷器，会存在流场分布不均的问题，而流场分布不均匀会直接影响蓄热/冷器内部温度场，即造成填充床内储能工质沿径向方向温度差异较大，填充床的有效容量减小，影响储能效果。

技术实现要素：

本发明提供一种折流板的设计方法及内置折流板的蓄冷/热器，用以解决现有技术中蓄热/冷器内流场分布不均匀，影响储能效果的缺陷，实现保证蓄热/冷器内良好的流动均匀性，提高填充床有效容量，保证储能效果。

本发明提供一种折流板的设计方法，包括如下步骤：

获取填充床式蓄热/冷器的基本参数；

建立具有折流板的填充床物理模型，选择传热模型和流动模型，并计算所述填充床的温度场和速度场；

获得初始模型结果，改变所述折流板的设置参数，分别计算并对比不同设置参数的所述折流板对应的所述填充床的温度场和速度场；

计算不同设置参数的所述折流板下所述填充床式蓄热/冷器的压降值；

设定所述填充床式蓄热/冷器的目标压降值和目标速度值，确定所述折流板的目标设置参数。

根据本发明提供的一种折流板的设计方法，所述填充床式蓄热/冷器的基本参数包括理论储能量、直径、填充孔隙率、储能工质物理性质参数、第一换热流体通口的参数和第二换热流体通口的参数。

根据本发明提供的一种折流板的设计方法，所述建立具有折流板的填充床物理模型，选择传热模型和流动模型，并计算所述填充床的温度场和速度场的步骤中，选择所述传热模型的方式具体包括：

选择一维两相局部热非平衡模型。

根据本发明提供的一种折流板的设计方法，所述建立具有折流板的填充床物理模型，选择传热模型和流动模型，并计算所述填充床的温度场和速度场的步骤中，选择所述流动模型的方式具体包括：

计算换热流体流经填充床的雷诺数，确定换热流体流动状态，并对应选择层流模型或湍流模型。

根据本发明提供的一种折流板的设计方法，所述折流板的设置参数包括所述折流板的面积和相邻所述折流板之间的间距。

根据本发明提供的一种折流板的设计方法，所述计算不同设置参数的所述折流板下所述填充床式蓄热/冷器的压降值的步骤中，具体包括：

分析所述折流板对流动阻力造成的影响，通过理论模型或经验公式，并依据换热流体设计参数计算流体流经设置有不同设置参数的所述折流板的所述填充床式蓄热/冷器的压降值。

本发明还提供一种内置折流板的蓄冷/热器，包括填充床和如上所述的折流板的设计方法设计的折流板，所述折流板沿所述填充床的径向设置于所述填充床内，并沿所述填充床的轴向设置多个，相邻所述折流板交错设置，以形成弯曲流道，所述填充床的第一端侧沿所述填充床的径向设有第一换热流体通口，所述填充床的第二端侧沿所述填充床的径向设有第二换热流体通口。

根据本发明提供的一种内置折流板的蓄冷/热器，所述填充床的内侧壁和外侧壁之间设有保温层。

根据本发明提供的一种内置折流板的蓄冷/热器，所述折流板与所述填充床的内侧壁的连接端侧设有拐角，所述拐角与所述填充床内的换热流体的接触面为圆弧面。

根据本发明提供的一种内置折流板的蓄冷/热器，所述填充床内填充储能工质，所述储能工质为固体储能材料或相变储能封装材料。

本发明提供的折流板的设计方法及内置折流板的蓄冷/热器，通过获取填充床式蓄热/冷器的基本参数；建立具有折流板的填充床物理模型，选择传热模型和流动模型，并计算所述填充床的温度场和速度场；获得初始模型结果，改变所述折流板的设置参数，分别计算并对比不同设置参数的所述折流板对应的所述填充床的温度场和速度场；计算不同设置参数的所述折流板下所述填充床式蓄热/冷器的压降值；设定所述填充床式蓄热/冷器的目标压降值和目标速度值，确定所述折流板的目标设置参数，实现对折流板之间形成的流道进行优化，提高填充床式蓄热/冷器中的换热流体分布的均匀性，换热流体与储能工质换热更为充分，提高填充床有效容量，保证储能效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的折流板的设计方法的流程示意图；

图2是本发明提供的内置折流板的蓄冷/热器的纵向剖视图；

图3是本发明提供的内置折流板的蓄冷/热器的横向剖视图；

附图标记：

1：第一换热流体通口；2：第二换热流体通口；3：折流板；4：储能工质；5：内侧壁；6：保温层；7：外侧壁。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1描述本发明的一种折流板的设计方法，包括如下步骤：

获取填充床式蓄热/冷器的基本参数；

建立具有折流板3的填充床物理模型，选择传热模型和流动模型，并计算填充床的温度场和速度场；

获得初始模型结果，改变折流板3的设置参数，分别计算并对比不同设置参数的折流板3对应的填充床的温度场和速度场；

计算不同设置参数的折流板3下填充床式蓄热/冷器的压降值；

设定填充床式蓄热/冷器的目标压降值和目标速度值，确定折流板3的目标设置参数。

根据本发明提供的一种折流板3的设计方法，填充床式蓄热/冷器的基本参数包括理论储能量、直径、填充孔隙率、储能工质4物理性质参数、第一换热流体通口1的参数和第二换热流体通口2的参数。

根据本发明提供的一种折流板3的设计方法，建立具有折流板3的填充床物理模型，选择传热模型和流动模型，并计算填充床的温度场和速度场的步骤中，选择传热模型的方式具体包括：

选择一维两相局部热非平衡模型。

根据本发明提供的一种折流板3的设计方法，建立具有折流板3的填充床物理模型，选择传热模型和流动模型，并计算填充床的温度场和速度场的步骤中，选择流动模型的方式具体包括：

计算换热流体流经填充床的雷诺数，确定换热流体流动状态，并对应选择层流模型或湍流模型。

根据本发明提供的一种折流板3的设计方法，折流板3的设置参数包括折流板3的面积和相邻折流板3之间的间距。

根据本发明提供的一种折流板3的设计方法，计算不同设置参数的折流板3下填充床式蓄热/冷器的压降值的步骤中，具体包括：

分析折流板3对流动阻力造成的影响，通过理论模型或经验公式，并依据换热流体设计参数计算流体流经设置有不同设置参数的折流板3的填充床式蓄热/冷器的压降值。

本发明的一种折流板3的设计方法，具体包括如下步骤：

s01、获取填充床式蓄热/冷器的基本参数，其中，包括填充床式蓄热/冷器的理论储能量、直径、填充孔隙率、储能工质4物理性质参数、第一换热流体通口1的参数和第二换热流体通口2的参数；

s02、建立具有折流板3的填充床物理模型，选择传热模型和流动模型，通过编程或软件计算填充床的温度场和速度场；

其中，传热模型选择一维两相局部热非平衡模型，流动模型的选择方式为计算换热流体流经填充床的雷诺数，确定换热流体流动状态，并对应选择层流模型或湍流模型；

s03、获得初始模型结果，改变折流板3的设置参数，分别计算并对比不同设置参数的折流板3对应的填充床的温度场和速度场，其中折流板3的设置参数包括折流板3的面积和相邻折流板3之间的间距；

s04、分析折流板3对流动阻力造成的影响，通过理论模型或经验公式，并依据换热流体设计参数计算流体流经设置有不同设置参数的折流板3的填充床式蓄热/冷器的压降值；

s05、以填充床的最小压降值为目标压降值，以与换热流体的流动方向垂直方向的速度分布均匀性最优为目标速度值，进行折流板3的间距的优化与确定，其中，与换热流体的流动方向垂直方向的速度分布均匀性的定量分析依据沿此方向的温度标准差进行确定。

下面结合图2和图3对本发明提供的内置折流板3的蓄冷/热器进行描述，下文描述的内置折流板3的蓄冷/热器与上文描述的折流板3的设计方法可相互对应参照。

本发明还提供一种内置折流板3的蓄冷/热器，包括填充床和如上的折流板3的设计方法设计的折流板3，折流板3沿填充床的径向设置于填充床内，并沿填充床的轴向设置多个，相邻折流板3交错设置，以形成弯曲流道，填充床的第一端侧沿填充床的径向设有第一换热流体通口1，填充床的第二端侧沿填充床的径向设有第二换热流体通口2。可以理解的是，填充床内设置有折流板3，折流板3沿填充床的径向即水平方向设置，并沿填充床的轴向即竖直方向设置多个。相邻折流板3等间距设置，且交错设置，以形成弯曲流道，使换热流体沿弯曲流道流动，增加换热流体的流程，实现换热流体与储能工质4充分接触，从温度场和速度场两方面有效提升填充床式蓄热/冷性能。填充床的第一端侧即上端侧设有第一换热流体通口1，第一换热流体通口1沿填充床的径向设置。填充床的第二端侧即下端侧设有第二换热流体通口2，第二换热流体通口2沿填充床的径向设置。使得换热流体由第一换热流体通口1沿填充床的径向流入填充床内，并沿填充床的径向由第二换热流体通口2流出，或换热流体沿填充床的径向由第二换热流体通口2流入填充床内，并沿填充床的径向由第一换热流体通口1流出填充床，保证换热流体流入和流出填充床的均匀性。

相邻折流板3交错设置的具体设置方式为：

参见图2，设定填充床内由上到下的折流板3分别为面积和间距相同的第一折流板、第二折流板、第三折流板、、、第n折流板；

第一折流板靠近第二换热流体通口2的左端侧与填充床的第一侧的内侧壁5固定连接，第一折流板的右端侧与填充床的第二侧之间留有第一间隙，其中第一侧与第二侧为相对两侧；

第二折流板的右端侧与填充床的第二侧的内侧壁5固定连接，第二折流板的左端侧与填充床的第一侧之间留有第二间隙，其中，第一间隙位于第二折流板的上侧，第二间隙位于第一折流板的下侧；

第三折流板的左端侧与填充床的第一侧的内侧壁5固定连接，第三折流板的右端侧与填充床的第二侧之间留有第三间隙，第三间隙位于第二折流板的下侧；

依次类推，第n折流板靠近第一换热流体通口1的右端侧与填充床的第二侧的内侧壁5固定连接，第n折流板的左端侧与填充床的第一侧之间留有第n间隙；

至此，由第一折流板、第一间隙、第二折流板、第二间隙、、、第n折流板和第n间隙构成弯曲流道。

在储热阶段，高温换热流体，包括气体、液体一种或多种混合物由填充床式蓄热/冷器顶部的第二换热流体通口2进入，沿折流板3构建通道进入填充床主体内。高温换热流体流经储能工质4，与其直接接触进行换热后温度降低，降温后的低温流体从底部第一换热流体通口1流出填充床式蓄热/冷器。储能工质4获得热能后，温度升高，当换热流体在第一换热流体通口1处温度到达到低温设计温度时，关闭第二换热流体通口2和第一换热流体通口1进入保温阶段，完成储热。

在释热阶段，低温换热流体从底部第一换热流体通口1进入填充床式蓄热/冷器，流经储能工质4后，与其进行热交换，获得储能工质4存储的热能后，换热流体温度升高，从顶部第二换热流体通口2流出，同时储能工质4温度下降。当换热流体在第一换热流体通口1处温度到达到高温设计温度时，关闭第二换热流体通口2和第一换热流体通口1，完成释热。

储释冷过程与储释热过程相似，区别在于储冷时低温换热流体由填充床式蓄热/冷器底部第一换热流体通口1进入填充床，常温换热流体由顶部第二换热流体通口2流出；在释冷时，常温换热流体由填充床式蓄热/冷器顶部第二换热流体通口2进入填充床，低温换热流体由底部第一换热流体通口1流出。

值得说明的是，折流板3采用抗压强度大、化学性质稳定且导热系数低的金属或非金属材料，例如不锈钢或玻璃，还能起到隔热作用，将储能工质4分段隔离，有效削弱填充床内的轴向导热的累计作用对其性能造成的负面影响。

本实施例中，第一换热流体通口1和第二换热流体通口2分别设置于填充床的两相背侧。

根据本发明提供的一种内置折流板3的蓄冷/热器，填充床的内侧壁5和外侧壁7之间设有保温层6。可以理解的是，填充床设有内侧壁5和外侧壁7，且内侧壁5和外侧壁7之间设置有保温层6，有效避免填充床的能量损失，提高储能效果。值得说明的是，保温层6可采用在内侧壁5和外侧壁7之间设置绝热材料的方式或在内侧壁5和外侧壁7之间设置真空层实现隔热保温的效果。

根据本发明提供的一种内置折流板3的蓄冷/热器，折流板3与填充床的内侧壁5的连接端侧设有拐角，拐角与填充床内的换热流体的接触面为圆弧面。可以理解的是，折流板3与内侧壁5的连接端侧设有拐角，拐角与换热流体的接触面为圆弧面，即采用不完全直面的折流板3，可大幅减小换热流体的流动阻力，即相比于直面折流板3，在直角弯道处流体旋涡较多，进而有较大的热耗散，同时，采用圆弧面可起到导流作用，提高流动均匀性。

根据本发明提供的一种内置折流板3的蓄冷/热器，填充床内填充储能工质4，储能工质4为固体储能材料或相变储能封装材料。可以理解的是，填充床内填充储能工质4，用以与换热流体进行热交换并吸能储能。储能工质4可选用固体储能材料或相变储能封装材料。

本发明提供的折流板的设计方法及内置折流板的蓄冷/热器，通过获取填充床式蓄热/冷器的基本参数；建立具有折流板的填充床物理模型，选择传热模型和流动模型，并计算填充床的温度场和速度场；获得初始模型结果，改变折流板的设置参数，分别计算并对比不同设置参数的折流板对应的填充床的温度场和速度场；计算不同设置参数的折流板下填充床式蓄热/冷器的压降值；设定填充床式蓄热/冷器的目标压降值和目标速度值，确定折流板的目标设置参数，实现对折流板之间形成的流道进行优化，提高填充床式蓄热/冷器中的换热流体分布的均匀性，换热流体与储能工质换热更为充分，提高填充床有效容量，保证储能效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。