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[学位]

高温熔盐相变球填充床储热器储放热性能的实验与数值模拟研究

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Author:

金波 (金波.)

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学位论文库

Abstract:

随着日益严峻的能源危机和环境污染问题,新能源越来越多地受到广泛的关注。太阳能作为一种清洁、无污染的可再生能源,具有储量巨大,来源广泛等优点,因此,对于太阳能热利用的相关研究得到了快速的发展。太阳能热发电系统中,为了解决太阳能波动性与不连续性等问题,通常会采用储热系统。储热系统可以有效地解决太阳能热发电中热能供需双方在空间和时间上的不匹配问题,缓解短期的天气变化带来的波动影响,提高发电系统的稳定性和能源的利用效率。常见的储热技术包括显热储热、相变储热以及热化学储热,其中采用熔盐作为相变储热材料的填充床储热技术因储能密度高、储放热过程温度稳定、储热系统成本低等优点受到了研究者的广泛研究。
目前少有关于高温熔盐相变球填充床储热器储热性能的实验研究,对于高温熔盐相变球填充床内温度的分布规律实验研究也较少,同时缺乏不同参数对储热器性能的影响规律,需要进一步提出提高相变球填充床储热器储热性能的方法,并对储热系统的循环性能以及经济性能等进行分析。基于此,本文以高温熔盐相变球填充床储热器为研究对象,采用实验测试和数值模拟优化相结合的方法,对相变球填充床储热器的储放热规律以及性能优化进行了研究。首先,实验测试了高温熔盐的物性参数,制备了高温熔盐相变储热球;其次,对高温熔盐相变球填充床储热器储放热性能开展了深入的实验研究,测试了不同运行工况下储热器的储放热性能;进一步,提出了一种沿流动方向减小球径的两层变球径填充床储热器结构,采用数值模拟的方法对储热器的储热性能进行了优化并开展了实验测试;最后,设计了50 MWht相变球填充床储热系统,建立了储热系统的经济模型,分析了储热系统储热-放热循环性能及储热系统的经济性。具体研究工作如下:
1)实验测试了高温熔盐的物性参数,制备了一种熔点高、储能密度大、密封性良好的高温熔盐相变储热球。采用的高温熔盐相变储热材料为Li2CO3-K2CO3-Na2CO3(32-35-33 wt%),实验测试了其物性参数,熔点为395.1 ℃,相变焓为273.0 kJ•kg-1。通过焊接工艺将熔盐封装在不锈钢金属球内,封装工艺主要包括线切割、填充、加热、焊接等过程。校核了储热球内部的许用应力,满足实验要求条件。所制备的储热球具有储热密度高、导热性好、机械强度高、密封性好、制备工艺简单等特点,可以作为高温熔盐相变球填充床储热器的储热介质。
2)搭建了高温熔盐相变球填充床储热实验装置,开展了储热器的储/放热性能的实验研究,获得了填充床内换热流体和储热球温度分布,分析了储热球内外温差随时间变化的关系,探究了不同进口温度和质量流量对于储热器储/放热性能的影响规律,并与套管式相变储热器的储/放热性能进行了对比。在实验中,以高温空气作为换热流体,对填充床储热器内的换热流体和储热球温度变化进行了测试。实验结果如下:(1)获得了填充床内换热流体和储热球温度分布,在储热球与换热流体之间存在一定的温差,热阻分析法表明储热球与换热流体的对流换热热阻是影响整个换热过程的主要因素;(2)提高填充床储热器进口温度和质量流量均可以提高储热器的储/放热速率,提高进口温度,储热器总效率从77.4%增加到86.1%;提高质量流量,储热器总效率从80.6%增加到83.6%,进口温度对储热器的储放/热性能影响更显著;(3)填充床储热器与套管式相变储热器相比,具有更高的储/放热速率及储/放热总效率,其储/放热速率是套管式相变储热器的1.8~3.2倍,总效率是套管式相变储热器的1.9~2.4倍,是一种高效的相变储热方式。
3)提出了一种沿流动方向减小球径的两层变球径填充床储热器结构,采用数值模拟方法对储热器的储热性能进行了优化研究,并开展了实验研究。首先通过数值模拟方法研究了不同储热球直径对储热器储热速率、储热密度等参数的影响规律;其次,提出了一种沿流动方向减小球径的两层变球径填充床储热器结构,获得了两层变球径储热器的储热性能,并优化得到了具有最高储热速率密度的分层结构;最后,通过实验测试了两层变球径储热器的储热性能,研究了不同空气进口温度和质量流量对两层变球径储热器储热性能的影响规律,并与单层储热器储热性能进行了对比,结果表明:(1)采用两层变球径相变填充床储热器结构后,填充床下层的储热球能够较快的熔化,提高了填充床下层的换热效果,改善了储热器的换热温度不均匀性,从而提高了储热器的储热性能;(2)当空气进口温度从425 ℃增加到465 ℃时,储热速率提高了60.5%,储热效率从84.8%提高到了91.1%;当质量流量从180kg•h-1时增加到260kg•h-1时,储热速率提高了23.5%,储热效率略有下降;(3)在相同进口温度和质量流量下,两层变球径储热器的储热速率优于单层储热器,储热速率最大可比单层储热器提高12.4%,储热速率密度最大可提高13.0%。
4)设计了50 MWht相变球填充床储热系统,研究了储热系统不同结构参数和运行参数对储热系统放热过程的影响,分析了储热系统储热-放热循环性能,并建立了储热系统的经济性模型,分析了储热系统的经济性。研究结果表明:(1)在储热系统放热过程中,随着换热流体流速的降低,放热速率会明显提升、放热效率略有下降,而有效放热率却逐渐下降;随着储热球直径的增大,放热速率不断下降,放热效率略有下降,而有效放热率随着储热球直径的增大明显下降;随着相变材料熔点的降低,放热速率、有效放热率、放热效率均有所下降,其中当熔点小于阈值时,有效放热率显著下降;(2)储热系统在经过6次储-放热循环过程后,出口温度随时间变化趋势不再发生变化,系统达到稳定;(3)经济性分析表明,在储热系统总成本中,相变储热材料的占比为27.0%,不锈钢材料的占比为21.1%,辅助设备成本占比为9.1%,而封装成本占比为43.8%,是储热系统的主要投资成本,并且封装成本的波动对于储热系统总成本的影响最大。

Keyword:

高温相变储热 实验研究 数值模拟 太阳能 填充床

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学能源与动力工程学院

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Basic Info :

Degree: 硕士

Mentor: 何雅玲

Year: 2018

Language: Other

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30 Days PV: 1

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