单罐熔盐储热系统中自然对流与传热特性的优化研究：电加热器配置对中规模企业能源成本的影响

本文针对中规模用能企业(106 kWh/年)提出单罐熔盐储热(TES)系统，通过数值模拟研究电加热器数量、径向位置和高度比(C)对熔盐流动与传热的影响。研究发现采用N=6、C=0.9的加热器布局可降低128.2%垂直温差，实现夜间低谷电(220°C/7h)高效利用，为平衡安全性与成本提供设计阈值。

　　

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研究亮点

上述综述表明，尽管对熔盐在储热系统(TES)中的应用已有广泛研究，但单罐熔盐TES系统中电加热器不同排布方式对充能过程中熔盐流动与传热的影响及优化策略尚未得到充分关注。作为单罐系统主要加热方式，电加热对熔盐内部行为具有显著影响。

物理模型

本研究通过SOLIDWORKS构建的几何模型包含熔盐、电加热器、管式换热器和挡板（图3）。原型来自合作企业DT Ltd.的单罐储热蒸发器（图4），外覆保温层减少热损失，内置7个K型热电偶监测熔盐温度。

熔盐瞬态加热特性

采用Arrangement 0参数的瞬态加热过程中，熔盐温度在25,070秒（约6.96小时）内上升220°C，完美匹配8小时谷电时段。图12显示平均温度变化曲线：t₁阶段因热传导主导升温缓慢；t₁-t₂阶段自然对流增强形成"热羽流"；t₂后系统趋于稳态，垂直温差达34.15°C。

结论

建立的三维非稳态模型揭示：

1. 电加热器数量N=6可平衡安全与成本（总功率480kW）

2. 加热器径向分布直径/罐径比0.52-0.76对流动结构影响微弱

3. 高度比C从0.5增至0.9可提升浮力驱动流，降低23.88%加热器温度

创新点

首次提出适用于中型企业的单罐熔盐TES电加热优化方案，通过多参数耦合分析为系统设计提供量化阈值，其"夜间谷电-日间供能"模式兼具经济性与减排效益。