面向液态空气储能的新型径向流储冷填充床性能研究

作者：张子澳 1 王星宇 1路新亮 1,2殷勇高 3王晨 1,2

单位：1. 石家庄铁道大学机械工程学院低温储能研究中心； 2. 石家庄铁道大学河北省新型储能国际联合研究中心 3. 东南大学能源与环境学院

引用本文：张子澳, 王星宇, 路新亮, 等. 面向液态空气储能的新型径向流储冷填充床性能研究[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(9): 3311-3318.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0609

本文亮点：首次提出适用于液态空气储能的径向流储冷填充床结构，显著降低低压工况下充放冷压降；系统比较径向流与轴向流填充床性能，验证径向流在低压下具备高?效率（87.7%）；为大规模液态空气储能储冷单元设计提供理论依据。

摘 要 大规模长时储能技术是实现双碳目标的重要路径之一。其中，液态空气储能因能量密度高、不受地理条件限制、寿命长和对环境友好等优势而备受关注。储冷填充床作为液态空气储能中的关键储冷单元，其热力性能直接影响系统的循环效率与经济性。传统的储冷填充床采用轴向流形式，充冷过程换热流体由底部进入，与储冷材料进行热量交换后由顶部流出，存在压降大、泵功高、速度场波动剧烈等问题，限制了其综合性能的提升。为解决上述问题，本研究提出一种新型的储冷填充床，充冷过程流体由底部进入中心通道，沿径向方向流动，与储冷材料换热后经中心通道流出(即径向流储冷填充床)。通过数值模拟研究径向流储冷填充床在不同流体工作压力下的流速、间隙对流传热系数、压降及㶲效率，并与轴向流储冷填充床进行对比。研究结果表明，在储冷量为150 MWh和流体工作压力0.1 MPa条件下，径向流填充床充放冷过程压降为2 kPa，远低于轴向流82.8 kPa；径向流填充床的㶲效率高达87.7%，显著优于轴向流的59.8%。当工作压力升高至0.8 MPa时，径向流和轴向流储冷填充床充放冷过程压降均显著降低，泵工对㶲效率影响很小，轴向流具有更高的㶲效率达93.1%。因此，径向流储冷填充床更适合运行在低压充放冷工况。本文为优化储冷填充床结构提供了理论支持与设计参考，展示了径向流填充床在工程应用中的良好潜力。

关键词 液态空气储能；储冷填充床；径向流；轴向流

当今世界面临能源需求持续增长与减排增效的双重压力，可再生能源利用成为化解这一挑战的关键。然而，可再生能源的间歇性和波动性问题是其稳定发电和全球范围内大规模应用的主要挑战。大规模储能技术，通过低谷时段存储电能，高峰时段释放电能，可以解决可再生能源的瞬时性及不稳定性，在推动可再生能源利用和普及问题中起着关键作用。在众多储能技术中，液态空气储能具有储能密度大、安全性高、选址灵活、使用寿命长、对环境友好等优势，在近些年备受关注。液态空气储能原理如图1所示。充电过程利用低谷电力将空气液化储存，并回收压缩热供放电加热使用；放电过程将液态空气加压加热，驱动膨胀机组发电，同时回收冷能供充电冷却使用。在液态空气储能中，冷能存储循环对系统循环效率影响显著。Morgan等通过对液态空气储能系统中各组件的分析表明，想要往返效率大于50%，冷量的回收、储存和再利用是关键点。

图1   液态空气储能原理

目前，轴向流填充床是存储循环中常见的结构形式，具备结构简单、传热效率高等优势。冷能存储主要采用以岩石作为填充床的储存介质，其具有易获取、热稳定性好、成本低以及可直接传热等优点。然而，在实际应用中，由于密度变化引起，轴向流动时工作流体与储冷介质之间接触造成的压降高、流动均匀性差等问题，限制了其进一步发展与应用。研究人员提出了径向流填充床来克服上述存在的问题。McTigue等对径向流与轴向流填充床进行了数值模拟，比较了两者的热力性能，研究结果表明，径向流在压降方面具有显著优势。Skuntz等对一个22.5 MW的储热单元进行了模拟研究，比较了不同高径比条件下轴向流与径向流填充床的性能。研究表明在高径比低于0.5的情况下，径向流的热效率优于轴向流。Trevisan等搭建了一个储热容量为49.7 kWh的径向流填充床，实验证明该结构在973 K的换热温度下，存储阶段仅有1.11%的热损失。

综上所述，径向流填充床在储热系统中已有一定研究基础，但在液态空气储能领域的研究极其有限。本文提出了一种新型径向流储冷填充床的结构形式，研究了在工作压力0.1 MPa与0.8 MPa下的流速、间隙对流传热系数、压降及㶲效率，并与轴向流储冷填充床进行了对比。研究结果将为储冷结构优化与性能提升提供理论依据与工程参考。

1 径向流储冷填充床

1.1物理模型

本研究以基于10 MW/80 MWh的液态空气储能电站，对比了轴向流与径向流填充床的性能。按照系统充冷、储冷及放冷时间4 h、8 h、12 h进行分析，表1给出了储冷填充床入口冷量数据。

表1   液态空气储冷系统储冷单元参数

根据文献中给出的数据计算得填充床的总体积。考虑到使用单一罐体的高度过高，因此将填充床分为两个且罐体之间的连接为串联。在轴向流储冷填充床中，每个床体高径比均为3。在径向流储冷填充床中，每个床体高径比均为0.25，其中，中心通道长度为填充床半径的0.25倍。其他模拟参数如表2。

表2   储冷填充床模拟参数

图2为轴向流填充床与径向流填充床的结构示意图。图2(a)为径向流结构，换热流体由底部流入内部通道进入第一储冷填充床，沿径向方向流动并与储冷材料进行热量交换，后通过环形通道流向第二储冷填充床并进行热量交换，最终由内部通道经顶部流出。图2(b)为轴向流结构，换热流体由底部进入后由顶部流出流入下一储冷填充床，与填充材料换热后由顶部流出。

图2   填充床的结构示意图

1.2数学模型

填充床储能系统的数值模型主要分为两大类：当假设固体材料与传热流体在任意位置的温度相等时，采用单相模型；当需分别考虑固体与流体的热扩散过程时，则需在舒曼模型、连续固相模型或考虑固体颗粒内部热梯度的模型中选择。单相模型和舒曼模型结构简单但精度不足，考虑颗粒内部热梯度的模型精度高但计算量过大。本研究选用连续固相模型以平衡精度与计算效率，并作以下简化假设：

（1）流体流动状态为牛顿塞流；

（2）固体颗粒直径相同，且各向同性，填充床内孔隙率均匀；

（3）低温填充床顶部和底部不发生热损失，忽略辐射传热；

（4）忽略颗粒内部温度梯度。

对于轴向流传热流体，能量平衡方程为：

(1)

对于轴向流固体颗粒，能量平衡方程为：

(2)

对于径向流传热流体，能量平衡方程为：

(3)

对于径向流固体颗粒，能量平衡方程为：

(4)

式中，代表孔隙率，和分别代表传热流体与储冷介质的密度；和分别代表传热流体与储冷介质的温度；和分别代表传热流体与储冷介质的比热容；为速度矢量；和分别为传热流体与储冷介质的导热系数；为固体颗粒的比表面积；为颗粒直径；为流固间隙对流传热系数。

换热流体在储冷填充床里流动会有阻力损失，采用Ergun方程来计算换热流体在填充床内的压降：

(5)

其中，为动力黏度；为空塔流速；对于轴向流为高度，对于径向流为填充区域半径。

㶲效率是常用的填充床性能指标，定义为：

(6)

当考虑泵工消耗时，定义为：

(7)

其中，为空气的质量流量；是比㶲。下标和分别表示充冷、释冷过程，下标和分别表示进口、出口。

1.3模型验证

使用COMSOL Multiphysics有限元求解方法，对低温储冷填充床进行仿真。由于文献中缺少对低温储冷填充床的实验结果，而储冷与储热填充床的主要区别是由于流体和固体在不同温度范围内的热物性不同而导致的换热系数的差异，因此储热填充床的实验结果可以被使用来去预测储冷填充床模型。为了准确比较，轴向流床体默认参数与参考文献一致，径向流床体参数与参考文献一致，模拟结果如图3所示，可以看出，模拟结果与现有的文献结果吻合。

图3   轴向流与径向流填充床模型验证

2 结果与讨论

2.1流动分布特性

图4为流速随流体流动路径无量纲位置的变化图。图4(a)显示了在不同的流体工作压力下轴向流与径向流在充冷结束时，流速随流体流动路径无量纲位置的变化。对于轴向流填充床充冷过程，速度场分布呈明显分层特性。速度场变化与密度变化相关，流速改变集中于温跃层段，具体表现为密度降低驱动流速变化。在0.1 MPa工况下，流体速度由入口处1.48 m/s上升，最高至3.87 m/s，表明在温跃层内密度迅速下降，引起局部速度增强。相比之下，径向流填充床流速变化除了受密度影响外，还因自身结构特性使得在第一储罐内沿流动方向速度由1.5 m/s降至0.28 m/s，在第二储罐内沿流动方向速度由0.28 m/s升至3.55 m/s。速度场呈靠近内径区域速度较大，外径区域速度较低。该结构导致流体在流动过程中经历先减速后加速。

图4   流速随流体流动路径无量纲位置的变化

图4(b)显示了在不同的流体工作压力下轴向流与径向流在放冷结束时流速随流体流动路径量纲为1位置的变化。放冷阶段流体质量流量为充冷阶段的0.5倍，使得床体内整体速度降低。由于放冷阶段温跃层几乎占尽整个床体，因此，放冷结束时的轴向流填充床速度场分布较为平缓。径向流填充床的温跃层区间与轴向流基本相同，在流速上的表现形式为斜率较充冷结束时更小。而在径向流填充床中，速度变化趋势依然体现出结构分区特性。在第一储罐中，流速由约0.93 m/s降至0.31 m/s，第二储罐中则由0.31 m/s升至1.9 m/s。尽管整体速度较充冷阶段降低，但速度场的非对称性依然显著。

对于工作压力为0.8 MPa，轴向流与径向流相比，流速变化差距并不明显。具体原因为0.8 MPa的空气密度远大于0.1 MPa的空气。因此，相对于0.1 MPa的工作压力，流速变化趋势虽与0.1 MPa相同，但由于变化值相对较低使得对其他变化过程造成的影响不显著。

本研究模拟并分析了其在充、放冷过程中的压降数据，比较了轴向流与径向流填充床在不同工作压力下的流动阻力特性。图5为不同运行工况下填充床压力损失图。如图5(a)所示在0.1 MPa工况下，轴向流在充冷与放冷过程中的压降分别为57.37 kPa和25.38 kPa，而图5(b)中径向流对应压降仅为1.83 kPa和0.17 kPa，轴向流填充床的压降远高于径向流。在0.8 MPa工况下，轴向流的充冷与放冷压降分别为5.5 kPa和2.75 kPa，而径向流仅为0.17 kPa和0.019 kPa，压降差为5.3 kPa和2.73 kPa。

图5   不同运行工况下填充床压力损失

这种显著的差距主要源自于两种流动结构的路径分布与流动特性。在轴向流中，流体穿过两个罐体的长度，路径与径向流相比较长，填充颗粒阻力累计效应明显，因此压降更大。在径向流中，由于结构特性使得沿着流动方向上流体流速减小，流体在较小的速度下穿过填充颗粒，使得整体阻力较小，压降也相对降低。此外，在高压条件下，气体密度显著增加，单位体积内的质量更多，导致流速降低，从而减小了压降。因此，当流体工作压力由0.1 MPa升高至0.8 MPa时，无论是轴向流还是径向流，系统压降均显著下降。

2.2传热特性对比

在填充床系统中，气体流经固体颗粒间的孔隙时，会与颗粒表面发生热交换。为描述该过程，本研究采用间隙对流传热系数来表征流固界面上的对流换热能力。该系数不仅依赖于流体本身的物性参数，还与流速、颗粒尺寸及孔隙结构密切相关，该系数数值越大表明换热效果越好。

间隙对流传热系数主要受努赛尔特数的影响，而努塞尔特数又随雷诺数变化。因此流速与密度成为决定其大小的关键因素。图6分别揭示了充放冷过程结束阶段间隙对流传热系数随流体流动路径无量纲位置的变化。如图6(a)所示，在充冷过程结束阶段，轴向流在温跃层区域内流速显著增加，在0.1 MPa工况下，流速由1.48 m/s提升至3.87 m/s，在该区域气体密度同速度上升而下降。根据雷诺数定义，雷诺数随流速升高而升高，随密度下降而下降，在充冷过程结束阶段，流速增长速率强于密度下降速率，流速与密度共同作用下使得间隙对流传热系数较0.8 MPa下更强。对于径向流来说，充冷过程结束阶段分别在第一与第二储罐分别出现了两处局部强换热区。这主要归因于入口和出口处的流动截面积相对较小，导致局部流速升高，从而增强了换热能力。整体来看，径向流的间隙对流传热系数在不同工况下的变化幅度小于轴向流，表现出更强的稳定性。如图6(b)所示，在放冷过程结束阶段，间隙对流传热系数的变化趋势与充冷过程结束阶段具有相似性。对于轴向流和径向流而言，流速变化对传热系数的影响显著大于密度变化的影响。因此，在0.1 MPa工况下，由于流速较高，即使气体密度较低，依然能够维持较高的雷诺数，从而实现更强的对流换热效果。平均对比下，0.8 MPa工况下虽具有较高的气体密度，但受限于较低的流速，其间隙对流传热能力整体较弱。因此0.1 MPa下的放冷过程在两种流动方式中均表现出更优的换热性能。

图6   间隙对流传热系数随流体流动路径无量纲位置的变化

图7为径向流储冷填充床充放冷结束时温度云图。如图7(a)所示，充冷结束时第一填充床内已经完全充满，温跃层(温度变化区域)出现在第二填充床内。如图7(b)所示，放冷结束时第二填充床内冷能基本释放完全，温跃层集中出现在第一填充床内。径向流的流动特点造成了温度场的分布没有与间隙对流传热系数形成强烈的相关性。

图7   径向流储冷填充床充放冷结束时温度云图

本研究对轴向流与径向流两种不同流动形式的填充床㶲效率及引入泵工后的修正效率进行了对比分析。如图8所示，展示了轴向流与径向流填充床在不同压力条件下的㶲效率及考虑泵功后的修正效率。在不考虑泵工影响的前提下，轴向流系统在0.1 MPa和0.8 MPa下的㶲效率分别为95.01%与94.34%，优于径向流的88.53%与87.31%，显示出其良好的热交换能力。在引入泵工后，轴向流在0.1 MPa下由于密度变化显著造成压降较大，结果为泵工上升，其修正后的㶲效率下降至59.78%，显著低于径向流的87.71%。而在0.8 MPa高压条件下，泵工对效率的影响减弱，轴径两种流动形式的㶲效率分别93.07%和87.29%，两者相差5.78%。

图8   径向流储冷填充床充放冷结束时温度云图

3 结论

本研究提出了一种新型径向流储冷填充床的结构形式，研究了储冷量为150 MWh的填充床充放冷过程流速、间隙对流传热系数、压降及㶲效率，并与轴向流储冷填充床进行了对比。主要结论如下：

（1）径向流储冷填充床可以显著降低压降，当工作压力为0.1 MPa时，其充放冷过程压降为2 kPa，显著低于轴向流储冷填充床的压降82.8 kPa，证明了径向流在流动压力损失小上的显著优势。

（2）在工作压力0.1 MPa下，径向流储冷填充床㶲效率为87.7%，显著优于轴向流的59.8%，这是由于流体流动过程中速度发生变化，沿着径向流动阻力损失小，减少了泵工。

（3）将流体工作压力提升至0.8 MPa时，工作流体密度显著提高，径向流与轴向流储冷填充床压力损失降低，泵工对㶲效率的影响不明显，此时轴向流有着更高的㶲效率达93.1%。因此，径向流储冷填充床适合应用于低压运行工况。

第一作者：张子澳（1999—），男，硕士研究生，研究方向为低温储冷填充床；

通讯作者：王晨，副教授，研究方向为液态空气储能。