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[学位]

高温套管式相变蓄热器蓄热性能实验与数值模拟研究

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Author:

马朝 (马朝.)

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Abstract:

作为世界上最丰富、清洁、可广泛获取的可再生能源,太阳能的高效利用将改善我国能源短缺现状和不合理的能源消费结构。受昼夜变化和天气的影响,太阳能的利用存在着供需双方时间和空间上不匹配等缺点,需要发展高温蓄热技术才能实现太阳能光热电站持续高效的发电。高温蓄热技术通常分为显热蓄热、相变蓄热以及热化学蓄热等3种不同的形式,其中高温相变蓄热技术由于具有蓄热密度大、蓄放热过程温度变化小等优点,成为高温蓄热系统的首要选择。 
高温相变蓄热系统由于运行温度高,系统内的传热蓄热规律较为复杂,目前缺乏相关方面的实验研究;同时,由于高温相变蓄热器内相变材料的导热性能通常较差,蓄热器的蓄热速率较低,需要探讨高温相变蓄热器强化传热与蓄热性能的方法。为此,本文以高温套管式相变蓄热器为研究对象,分别从实验和数值模拟两方面开展了相变传热基本规律以及传热强化等方面的研究。在实验方面,设计搭建了高温相变梯级蓄热实验台,该实验台实现了高温相变梯级蓄热器的性能测试;利用高温相变梯级蓄热实验台,对高温相变蓄热器在不同空气进口温度、质量流量等运行参数下的蓄/放热性能开展了深入的实验研究,获得了高温相变蓄热器的蓄放热特性。在理论与数值模拟方面,建立高温相变蓄热器的数值模型,获得了高温相变蓄热器内部基本传热蓄热特性;为强化相变蓄热器的传热和蓄热性能,提出了利用非均匀肋片管进行强化改进的措施,对其进行了数值模拟,并与均匀肋片管对比分析,证明了非均匀肋片管的有效性。具体工作如下。
在实验研究方面:
1)设计搭建了高温相变梯级蓄热实验台,并进行了误差分析,为实验的正常进行奠定了基础。设计搭建的高温相变梯级蓄热实验台由高温空气输送系统、实验段、流量和温度调节系统、空气冷却系统以及数据采集系统等5部分组成,最多可以同时安装4级实验段,在不同实验段中填充不同熔点的相变材料可以实现进行梯级蓄/放热性能实验。高温相变梯级蓄热实验台使用空气作为传热流体,无机盐(主要为氯化盐、碳酸盐以及氟化盐等)作为相变材料,其中空气流经蓄热器的管侧,无机盐填充在蓄热器的壳侧。该实验台空气的最高温度可达800 ℃,质量流量最大可达270 kg·h-1,可以用于相变材料性能强化、相变蓄热过程传热强化以及梯级蓄热强化等各方面的蓄热强化技术。
2)探究了高温套管式相变蓄热器的蓄/放热性能,分别对光管和肋片管高温相变蓄热器在不同的空气进口温度、质量流量等运行工况下的总蓄/放热时间、平均蓄/放热速率以及蓄热效率等性能参数进行研究,研究结果可以为高温相变蓄热系统的实际应用提供指导。在实验中,空气经中心管流经套管式相变蓄热器,相变材料存储于壳侧。环形肋片在相变材料侧,用以强化相变蓄热器的传热与蓄热性能。相变材料选用本小组人员前期研究所筛选蓄热性能优良的二元碳酸盐(62 mol%Li2CO3-38 mol%K2CO3),研究结果表明,(1)肋片的添加对潜热蓄/放热过程的强化作用显著,而对显热蓄/放热的强化作用较小,改善了相变材料的温度分布均匀性。在所研究的空气温度流量范围内,添加肋片后,蓄热过程结束时,相变材料的最大温差由51.1 ℃下降到了43.2 ℃,下降了15.4 %;高温相变蓄热器整体的平均蓄热速率提高了29.1~70.4 W,即提高了5.2~10.4 %;平均放热速率提高了33.8~57.2 W,即提高了9.1~19.4 %。(2)提高蓄热过程中传热流体空气的进口温度,可以大幅提高相变蓄热器的平均蓄热速率,最高可达42.0 %,但对放热过程的影响不大。(3)提高传热流体空气的质量流量,可以大幅提高蓄热以及放热速率,最高分别可提高16.1 %和26.5 %,同时蓄热效率也有一定的上升。因此在实际运行中,可以采用添加肋片的方式对高温相变蓄热器的蓄放热性能进行强化,同时在条件允许的范围内可以采用提高传热流体进口温度以及质量流量的方式进行进一步的强化。
在数值模拟方面:
在蓄热过程中潜热蓄热量在总蓄热量中所占比重最大,为改善相变蓄热器的蓄热性能,本文运用数值模拟方法,针对高温相变蓄热器的潜热蓄热特性及其强化方法进行了研究:
3)研究了高温套管式相变蓄热器温度和热流密度分布以及平均蓄热功率、总蓄热时间等基本蓄热性能,为相变蓄热器传热蓄热性能强化研究奠定基础。研究结果表明:受自然对流以及传热流体沿轴向温度分布不均匀的影响,相变材料的熔化过程存在非均匀性,使相变蓄热器的蓄热速率降低,蓄热时间延长,因此为提高蓄热性能,需要减小相变材料熔化过程中的不均匀性。一般为改善套管式相变蓄热器中相变材料的熔化不均匀性,可以采用添加肋片等措施。与光管相比,肋片管相变蓄热器中的相变材料熔化过程更加均匀,平均蓄热速率最大可提高38.1 %,总蓄热时间最多可以减少35.0 %同时传热管管壁最高温度降低10.9 K,最大温度梯度降低6.0 %,潜热蓄热阶段持续时间更长,有利于高温蓄热系统的稳定长期运行。
4)对不同运行工况和肋片参数下相变蓄热器的蓄热性能进行了研究,并在此基础上提出了非均匀均匀肋片管,进一步强化了相变蓄热器的蓄热性能。研究结果表明:空气温度和速度等运行参数对光管以及肋片管相变蓄热器蓄热性能影响显著,在实际运行中需要根据需求,对运行工况进行合理选择。在所研究的肋片高度、厚度和间距等参数范围内,肋片参数存在最佳值:肋片高度H=12 mm,肋片间距S=10 mm,肋片厚度δ=2 mm。所提出的非均匀肋片管相变蓄热器可以改善相变材料熔化过程中的不均匀性,在所研究的参数范围内,可以使相变蓄热器的总蓄热时间减小6.5%。

Keyword:

非均匀肋片强化传热 高温相变蓄热 实验研究 数值模拟 太阳能

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  • [ 1 ] 西安交通大学能源与动力工程学院

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Basic Info :

Degree: 工程硕士

Mentor: 何雅玲

Year: 2016

Language: Chinese

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30 Days PV: 24

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