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 - Details

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金波 (金波.)

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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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Translated Abstract

With　the　increasing　severe　energy　crisis　and　environmental　pollution,　the　development　of　new　energy　has　attracted　the　extensive　attention.　Because　of　the　characteristics　of　the　wide　collection,　clean　and　environmental-friendly,　solar　energy　is　increasing　of　interest.　The　related　research　on　solar　thermal　utilization　has　been　rapidly　developed.　In　the　field　of　the　concentrating　solar　power　plants(CSP),　a　thermal　energy　storage　system　is　usually　equipped　to　solve　the　fluctuation　and　discontinuity　issues　of　solar　energy.　The　thermal　energy　storage　system　can　significantly　solve　the　spacial　unmatched　problem　between　the　thermal　energy　supply　and　demand　of　the　solar　thermal　power　generation　system.To　further　relieve　the　influence　of　weather　change　on　the　performance　of　CSP　system　and　improve　the　stability　of　electricity　generation　and　utilization　efficiency　of　energy.　The　common　thermal　energy　storage　technology　is　consist　of　sensible　thermal　energy　storage,　latent　heat　thermal　energy　storage　and　chemical　energy　storage.　Among　these　three　thermal　energy　storage　techonology,　the　packed-bed　thermal　energy　storage(PBTES)　system　adopting　molten　salt　as　phase　change　material　has　the　advantage　of　high　thermal　energy　storage　density,　constant　temperature　output　and　low　system　cost　that　leads　it　become　a　frontier　study　　nowadays.

Because　of　the　complexity　of　heat　transfer　process　and　energy　storage　characteristics,　according　to　our　acknowledgment,　there　is　few　experimental　studies　on　the　performance　of　PBTES.　It　is　critical　to　observe　the　temperature　evolutions　of　the　PBTES　and　further　investigate　the　effects　of　different　parameters　on　the　thermal　performance　that　results　in　an　enhanced　method　to　further　improve　the　thermal　performance.　Being　motivated　by　these　issues,　a　high　temperature　PBTES　is　studied　experimentally　and　numerically.　At　first,　the　thermophysical　properties　of　PCM　is　tested　and　a　new　phase　change　material　(PCM)　capsule　is　fabricated.　Then,　a　series　of　experimental　studies　are　carried　out　to　investigate　the　charging　and　discharging　characterisics　with　the　different　operating　condition.　Moreover,　a　new　two-layered　PBTES　is　established.　The　thermal　performance　of　two-layered　PBTES　is　numerically　optimized　and　experimentally　investigated.　Finally,　a　50　MWht　PBTES　system　is　designed　and　an　economic　model　is　developed.　The　charging-discharging　cyclic　behaviors　are　investigated　and　the　investment　cost　of　the　whole　PBTES　system　was　analyzed　as　well.　The　detailed　contents　are　as　follows.
1)　A　new　PCM　capsule　is　fabricated　with　the　properties　of　high　melting　point,　high　thermal　heat　storage　density　and　good　sealing.　The　thermophysical　properties　of　the　molten　salt　is　tested.　The　ternary　carbonate　Li2CO3-K2CO3-Na2CO3　(32-35-33　wt%)　has　been　selected　as　the　optimal　option　of　PCMs.　The　melting　point　is　395.1℃　and　the　energy　storage　density　is　174.7　kJ•kg-1.　The　PCM　capsules　are　encapsulated　by　welding　procedure　including　wire-electrode　cutting,　filling,　heating　and　welding.　The　Allowable　stress　of　the　stainless　steel　is　tested　and　the　result　is　satisfied　with　the　experimental　environment.　The　PCM　capsule　has　the　characteristics　such　as　high　thermal　heat　storage　density,　good　thermal　conductivity,　high　mechanical　strength,　good　sealing　property　and　easy-fabrication.　That　make　this　new　capsule　be　a　good　thermal　energy　storage　material　for　high　temperature　PBTES.

2)　A　new　high-temperature　PBTES　with　PCM　capsules　is　designed.　The　temperature　evolution　of　heat　transfer　fluid　and　that　of　PCM　capsule　are　obtained.　The　temperature　difference　between　the　capsule　and　the　heat　transfer　fluid　is　further　analyzed.　The　influence　of　inlet　temperature　and　mass　flow　rate　are　studied　and　compared　with　that　of　shell　and　tube　thermal　energy　storage.　In　the　experimental　study,　the　air　is　selected　as　the　heat　transfer　fluid　and　the　temperature　of　air　and　PCM　capsules　are　tested　as　well.　The　results　are　concluded　as　follows.　(1)　The　temperature　evolutions　of　the　heat　transfer　fluid　and　that　of　capsule　in　the　PBTES　are　obtained.　There　is　a　certain　temperature　difference　between　the　capsule　and　the　heat　transfer　fluid.　Moreover,　the　convection　heat　transfer　resistances　of　the　capsule　and　the　heat　transfer　fluid　are　the　main　influential　factors　in　the　heat　exchange　process.　It　can　be　improved　by　the　inlet　temperature　and　mass　flow　rate　of　fluid.　(2)　The　improvement　of　both　inlet　temperature　and　mass　flow　rate　in　PBTES　can　increase　its　charging　and　discharging　efficiencies.　The　overall　efficiency　of　the　system　can　be　increased　to　86.1%　from　77.4%　through　increasing　inlet　temperature　from　425℃　to　465℃.　The　efficiency　will　up　to　83.6%　from　the　level　of　80.6%　by　the　rise　of　mass　flow　rate.　(3)　To　Compare　to　the　shell　and　tube　thermal　storage　system,　the　charging　and　discharging　rate　of　PBTES　are　1.8-3.2　times　higher　than　the　former　one.　The　overall　efficiency　of　PBTES　is　1.9-2.4　times　greater　than　that　of　shell　and　tube　thermal　storage　system.

3)　A　new　two-layered　packed-bed　thermal　energy　storage　system　is　developed　and　the　thermal　performance　of　the　PBTES　is　experimentally　investigated　either.　First,　the　effects　of　different　diameters　on　thermal　energy　storage　(TES)　charging　rate　and　TES　density　are　numerically　analyzed.　Second,　a　new　two-layered　PBTES　is　proposed　with　the　diameter　of　the　capsule　changed　along　the　flow　direction.　The　optimized　hierarchical　structure　of　PBTES　is　further　constructed　with　the　optimal　comprehensive　index　called　TES　rate　density.　Finally,　thermal　performance　of　two-layered　PBTES　is　experimentally　examined.　The　influence　of　different　inlet　temperature　and　mass　flow　on　the　thermal　performance　of　system　are　investigated　and　compared　with　that　of　single-layered　PBTES.　The　results　are　concluded　as　follows.　(1)　The　PCM　capsules　of　lower　layer　are　melted　faster　by　adopting　the　two-layered　PBTES　system.　The　improvement　of　heat　transfer　performance　and　enhancement　of　uneven　heat　transfer　temperature　can　further　increase　the　thermal　performance　of　system.　(2)　When　the　air　inlet　temperature　increases　from　425℃　to　465℃,　the　TES　charging　rate　can　be　increased　by　60.5%　and　the　heat　storage　efficiency　rises　from　84.8%　to　91.1%.　The　TES　charging　rate　is　grew　by　23.5%　when　the　mass　flow　rate　increases　from　180　kg•h-1　to　260　kg•h-1,　and　the　heat　storage　efficiency　is　decreased　slightly.　(3)　With　the　same　inlet　temperature　and　mass　flow,　the　TES　charging　rate　of　diameter-changed　two-layered　PBTES　is　better　than　that　of　single-layered　PBTES.　The　maximum　TES　charging　rate　of　former　system　can　be　increased　by　12.4%　comparing　to　that　of　latter　system,　and　TES　rate　density　of　two-layered　PBTES　can　be　improved　by　13%　as　well.

4)　A　50　MWht　PBTES　system　is　designed.　The　influence　of　different　parameters　on　the　thermal　performance　of　discharging　process　is　investigated　and　the　cyclic　behavior　is　analyzed　to　obtain　the　total　performance　in　the　charging/dicharging　processes.　An　economic　model　is　established　to　investigate　the　investment　of　whole　PBTES　system.　The　results　are　concluded　as　follows.　(1)　In　the　discharging　process,　with　the　reduction　of　heat　transfer　fluid　velocity,　the　discharging　rate　is　obviously　improved　and　the　disharging　efficiency　is　decreased,　the　effective　disharging　ratio　decreases　slightly.　With　the　increase　of　PCM　capsule　diameter,　the　discharing　rate　is　continuously　decreased.　The　disharging　efficiency　and　the　effective　disharging　ratio　are　declined　as　well.　When　the　PCM　melting　temperature　decreases,　the　discharing　rate,　the　disharging　efficiency　and　the　effective　disharging　ratio　are　all　reduced.　Particularly,　when　the　melting　temperature　below　the　cut-off　temperature,　the　effective　disharging　ratio　decreases　obviously.　(2)After　6　times　charging/discharging　processes,　the　outlet　temperature　keeps　constant　and　the　system　reaches　a　stable　state.　(3)　The　economic　analysis　presents　that　the　investment　of　PCM　materials　takes　27.0%　of　total　system.　The　cost　of　stainless　steel　possesses　21.1%　of　total　system　and　the　cost　of　auxiliary　equipment　takes　9.1%　of　total　system.　The　cost　of　encapsulation　is　43.8%　of　total　system　that　becomes　the　main　element　of　investment　cost　of　the　system.　And　the　fluctuation　of　encapsulation　cost　has　the　prominently　influence　on　the　investment　cost.

Translated Keyword

[Experiment study, High-temperature latent heat thermal energy storage, Numerical analysis, Packed-bed thermal energy storage, Solar energy]

Research Interests

Classification

Corresponding authors email

Basic Info ：

Degree：硕士

Mentor：何雅玲

Student No.：

Year： 2018

Language： Other

Cited Count：

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30 Days PV： 6

Affiliated Colleges：

能源与动力工程学院本学院/部未明确归属的数据

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