太阳能显热储热技术发展现状201101(3)

6 储热模型的传热分析

6.1 传热分析

储热过程的热量传递路线：传热流体与换热管间发生对流换热，然后，热量以导热形式传递给混凝土储热材料，大部分热量会储存在混凝土中，少量热量会散失到环境（空气）。 1 对流换热方程

q?hA(Tf?Tw)式中：

q：对流换热量，w；

（10）

h：表面传热系数，W/(m2·K)； A：传热面积，m2； Tf：传热流体的温度，K； Tw：换热管壁的温度，K；

2 换热管壁的导热方程

q?Tw1?Tw212??llnd2d1 （11）

式中：

q：长度为l的换热管壁的导热量，w； λ：换热管的导热系数，W/(m·K)； l：换热管长，m；

Tw1：换热管内壁面的温度，K； Tw2：换热管内壁面的温度，K； d1：换热管内径，m； d2：换热管外径，m；

3 混凝土的导热方程

无内热源的二维瞬态导热微分方程式

?t?????c?x(?t22??t22?y （12）

)

按照傅里叶定律，热流密度矢量沿x和y轴的分量应为

qx???A?t?x?t?x （13）

qx???A （14）

6.2 储热块导热过程的单值性条件

1 几何条件

说明参与导热过程的物体的几何形状和大小。如传热管的壁厚和管径，混凝土的尺寸。 2物理条件

说明参与导热过程的物体的物理特征。如换热流体，传热管和储热材料的密度，导热系数和比热等。 3时间条件

说明在时间上过程进行的特点。稳态导热过程没有单值性的时间条件。对于非稳态导热过程，应该说明过程开始时刻物体内的温度分布，故时间条件又称初始条件。储热过程开始时刻，物体的各部分具有相同的温度，那么初始条件表示式可简化为：

t︱?=0=t0=const

测试开始前，测量混凝土初始温度，这一温度可当作初始温度。

4边界条件

说明物体边界上过程进行的特点，反映过程与周围环境相互作用的条件称为边界条件。常见的边界条件的表达方式可分为三类：

1 第一类边界条件是已知任何时刻物体边界面上的温度值。

2 第二类边界条件是已知任何时刻物体边界面上的热流密度值。

3 第三类边界条件是已知边界面周围流体温度和边界面与流体之间的表面传热系数。 储热元的边界条件为第三类边界条件：已知换热流体和周围空气的温度，和两种流体与边界面的表面传热系数。

6.3 二维瞬态ansys传热模型

有限元法[14]就是根据变分原理来求解热传导问题微分方程的一种数值计算方法，它的解题步骤是先将连续求解域分割为有限个单元组成的离散化模型，再用变分原理将各单元内的热传导方程转化为等价的线性方程组，最后求解全域内的总体合成矩阵。有限元分析软件ANSYS是集结构、流体、电场、磁场和声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。它的热分析基于能量守恒原理的热平衡方程。进行热分析的基本原理是先将所处理的对象划分为有限个单元，每个单元包括几个节点，然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一个节点处的热平衡方程，由此计算出各节点的温度值，然后进一步求出其他相关量，如温度梯度、热量的获取或损失、热流密度等。

在储热实验中，循环传热流体通过管壁与周围混凝土进行热交换，这是一个三维非稳态传热过程，影响因素和参数复杂多变，不可能用解析法来精确求解，为了方便建立模型，用有限元分析热分析法对其进行模拟，特做如下假设：

1 不考虑竖直方向的传热情况，将三维传热问题简化为二维。

2 混凝土的热物性均匀，且不随温度变化而变化。

3 换热器、混凝土、保温层和地层具有相同的初始温度且初始温度均匀一致。 利用ansys有限元分析法，可模拟不同因素对储热模型传热过程的影响，可以模拟不同的混凝土导热系数，换热流体的温度，流速，模拟的初始温度条件下，储热块温度场的分布和储热速率的变化。

7 总结

储热系统对太阳能热发电站的电力的平稳输出有重要作用。太阳能储热形式可分为显热储热，潜热储热和可逆化学反应储热。显热蓄热是各种蓄热方式中原理最简单、技术最成熟、材料来源最丰富,成本最低廉的一种，因而也是实际应用和推广得最普遍的一种。混凝土储

热热测试的成功运行，证实了混凝土储热技术是一种合适的显热储热方式。混凝土储热在材料，模拟，测试和实际应用取得了很大的发展。显热储热技术在较高温度（高于500℃）的运行，高导热率混凝土材料的开发和强化传热换热器的研究方面还有很大的发展空间。

参考文献

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