高温填充床蓄热过程传热特性的实验研究

高温蓄热是太阳能热发电、高温热利用等的重要组成部分.本文建立了高温填充床蓄热系统实验装置,采用高温三元熔盐作为传热流体介质,分别采用陶瓷球颗粒和相变球颗粒作为填充材料对蓄热系统进行了实验研究,对蓄热系统进行了整体性能测试.分别得到了显热蓄热和相变蓄热过程中不同时刻、不同测点的温度变化和蓄热量的变化规律,可为蓄热系统的设计提供实验参考.     

填充泡沫金属的熔盐相变蓄热过程模拟

本文以管肋式熔盐相变蓄热结构为对象,将相变材料填充入高孔隙率泡沫金属中以弥补熔盐导热系数低的缺陷。考虑周期性边界和重力方向相邻结构的影响,以三层管肋式结构代替整个系统建立多孔介质固-液相变输运三维物理数学模型。利用数值模拟方法,探讨在重力环境中,管式加热条件下相变材料蓄热过程的传热性能。揭示出相变界面随时间的演化,以及自然对流对蓄热过程的作用机制;讨论了泡沫金属、肋片参数及加热温度对蓄热能力的影响。     

低熔点混合硝酸盐相变传热过程研究

为得到混合熔盐在单罐蓄热系统内的相变传热规律,本文针对具有低熔点的四元混合硝酸盐展开研究,采用VOF与焓-多孔介质耦合模型对底部加热条件下蓄热单元内相变材料(PCM)的相变蓄热过程进行模拟,并利用实验进行验证。结果表明:相变过程中罐内出现明显温度分层现象,固液界面出现波动。蓄热单元中所产生的自然对流强弱直接影响热量传递,同时固液相界面的位置决定自然对流的发展。本文研究结果对相变材料的高效利用与单罐蓄热系统的优化提供理论依据。     

熔盐单罐蓄热系统中斜温层黏性指进的稳定性分析

单罐填充床蓄热是一种重要的高温蓄热方式,而在充放热过程中不发生黏性指进现象,保持斜温层的稳定是蓄热系统是否可行的重要依据。本文对充放热过程中熔盐的流动方向、熔盐的密度和黏度对黏性指进的影响进行了详细的理论分析。结果表明熔盐自上而下流动,热熔盐置换冷熔盐时,熔盐流速不能超过临界流速;冷熔盐置换热熔盐时,熔盐流速要大于临界流速才能维持斜温层的稳定。熔盐自下而上流动,热熔盐置换冷熔盐时,必然会发生黏性指进;冷熔盐置换热熔盐时,没有流速的限制,斜温层能自然保持稳定。     

太阳能热发电系统蓄热过程熵产分析

蓄热技术是平衡热量供应和需求的有效手段,可以提高系统的热稳定性和延长工作时间。应用于太阳能高温热发电中的单罐斜温层蓄热系统越来越受到重视。本文从热力学第二定律出发对蓄热系统的不可逆损失进行了研究,分析了蓄热过程中蓄热材料的密度、导热系数、颗粒直径和熔盐的流速等参数对蓄热系统熵产的影响。结果表明当蓄热材料密度较小,导热系数较小、蓄热球颗粒直径较小时,系统的熵产值较小;当熔盐流速较低时,系统的熵产值也较小。     

操作参数对熔融盐高温斜温层蓄热性能的影响

首先提出了一种新型熔融盐高温斜温层耦合蓄热单罐系统,然后基于多孔介质局部热平衡理论,建立了熔融盐高温斜温层蓄热的局部热平衡数值模拟模型,研究了熔融盐进口流速、进口温度及工作温差等操作参数对斜温层蓄热单罐热性能的影响,并在熔融盐传热-蓄热实验平台上进行了试验研究。发现:当进口速度为0 001 m/s级及降低工作温差等有利于降低斜温层厚度,模拟得到的蓄热单罐轴向温度分布变化与实验结果趋于一致。因此,合理选取这些参数对蓄热单罐的正常运行是非常必要的,结果可以用于指导蓄热单罐的设计。     

熔融盐单罐储热系统释热传热规律研究

熔融盐单罐储热相对于双罐储热可以节省储热成本,为了得到单罐储热系统内熔融盐释热传热规律,本文将螺旋盘管换热器布置在圆柱形隔板与罐壁形成的环形通道内,实验分析圆柱形隔板调整流场前后单罐储热系统性能。实验结果表明,圆柱形隔板起到了罐内熔盐流场的调节作用,进而提高了螺旋盘管内释热介质出口温度、换热器换热量以及换热器的瞬时效率,缩短了取热时间。这些研究结果为熔盐单罐储热系统设计提供理论依据。     

新型低熔点熔盐黏度的实验研究

熔盐因其具有广泛的使用温度范围,低蒸气压,大热容量,低黏度,良好的稳定性,低成本等诸多特性已成为聚光太阳能热发电中颇有潜力的传热蓄热介质。准确的熔盐热物性对于太阳能发电过程中介质的传热蓄热性能有重要影响。其中熔盐黏度作为重要的热物性之一,对于提高传热效率和降低流动阻力具有决定作用。本文利用研制的高温黏度测量仪对水和HITEC盐的黏度温度特性进行了实验研究,实验结果与文献数据具有较好的一致性,证明了该高温熔盐黏度仪的可靠性。为了降低混合熔盐的熔点,改进其热物性能,本文对Solar Salt进行改性研究,得到两种新型低熔点混合熔盐,并测定得到了黏度温度特性曲线。结果表明,改性后的高温熔融盐黏度有所降低,有利于降低太阳能热发电熔盐传热管路系统的阻力和成本。     

新型三元氯化物熔盐材料的设计及热稳定性研究

为了满足规模化太阳能热发电高温传热蓄热和工业余热回收利用的要求,分析并设计了NaCl-CaCl_2-MgCl_2三元熔盐体系作为传热蓄热介质。在已有的二元相图的基础上通过共形离子溶液(conformal ionic solution,CIS)模型模拟计算获得计算相图,根据计算相图所预测的低共熔点配比制样,采用热重差热联用分析仪(TG-DSC)对样品的熔点、相变潜热进行了表征,采用高温静态法对熔盐的稳定性进行了初步分析。结果表明:计算相图预测的低共熔点(424℃)与测试结果(428.5℃)基本一致,该熔盐相变潜热高达到191.7 J/g,熔盐在低于600℃下较稳定,适合作为高温潜热蓄热材料。研究为氯化物熔盐相图和热物性提供了宝贵的数据。     

阻燃型高真空多层绝热材料性能的实验研究

通过实验研究了用于低温储液罐的阻燃型高真空多层材料的绝热性能,得出了该材料的比热流与层数的关系和工程应用时的最佳层数。结合实验数据进行传热分析,表明:玻璃纤维纸和铝箔构成的高真空多层材料中固体导热和层间残余气体导热占主要部分,绝热性能还有改善空间;绝热层瞬态比热流随大气压力和环境温度的变化而成余弦曲线变化;绝热层有蓄热能力。     

甲醇脉动热管相变蓄热器蓄热实验分析

为了优化脉动热管传热性能,提出了一种脉动热管强化相变材料蓄热的新思路,设计并搭建了一套脉动热管式相变蓄热装置试验平台.以甲醇为工质,八水氢氧化钡为相变材料,分析不同工况下相变材料在蓄热装置中温度随时间的变化.结果 表明,相变材料在蓄热器中的温度和流量越大,装置相变蓄热效果更为显著,但温度与流量不宜过大,否则会影响强化传...     

带环状翅片管式相变储热器的数值模拟

相变材料的低导热性是相变储热器传热过程的主要障碍。在相变材料侧进行强化,是目前提升相变储热器蓄热速率的主要方法。本文采用有限容积法对带有环状翅片的管式相变储热器的蓄热过程进行了数值模拟,得到了温度场、相界面随时间的变化。在此基础上,本文对翅片导热系数、翅片厚度和翅片间距等影响储热速率的因素进行了计算和分析。为相变储热器的优化设计提供了一定的参考。     

工作温度对高温碳酸熔盐热物性的影响

熔融盐由于具有工作温度高、蒸气压力低、热稳定性良好等优势,在集中式太阳能热发电系统中可作为传热和蓄热工质。工作温度对熔盐的传热蓄热性能具有显著影响。本文利用分子动力学模拟方法研究了温度对二元混合碳酸盐(K₂CO₃:Li₂CO₃=38.0:62.0,摩尔分数)热导率、黏度、比热容及热扩散系数的影响。结果表明,随着温度升高,熔盐的热导率和黏度均降低,比热容和热扩散系数均增加。进一步分析径向分布函数发现,温度升高导致离子间距变小,熔盐结构变得更为紧凑,使得热导率和黏度均下降。温度越高,离子间碰撞越剧烈,因而能传输更多的热量导致热扩散系数增大。本文对高温熔盐热物性的研究可为光热发电蓄热技术发展提供指导。     

翅片管式熔盐—气体换热器传热性能的实验研究

对一台翅片管式熔盐-气体换热器进行了传热性能实验。实验热介质为混合硝酸盐,冷却介质为空气。利用修正的威尔逊法获得了熔盐在空气冷却边界条件下的管内流动传热准则关系式,该关系式适用于2378Re12075,10.5Pr11。本文对换热器传热过程中的热阻进行了对比分析,分析结果表明,管程熔盐的对流传热热阻对该换热器传热性能的影响基本可以忽略不计,翅片管的导热热阻和壳程气体的对流传热热阻是影响该换热器性能的两个重要影响因素,并且随着气体流速和换热系数的提高,翅片的导热热阻将会逐渐成为影响换热器性能的最主要因素。     

相变介质填充床斜温层蓄热罐蓄放热联合循环运行特性实验

蓄热装置的应用有利于热电联产机组获得更大的调峰裕度,在传统热水单罐中增加相变储热介质可以大幅提升蓄热罐的储能密度。以石蜡作为相变材料,制备成相变球并以填充床的形式布置在蓄热罐内。通过实验研究其循环蓄放热过程中的运行特性,以蓄放热截止温度、蓄放热流量为变量,分析不同运行工况对各循环的所需时间、罐内温度场、容量利用率等参数的影响。实验结果表明:循环蓄放热过程具有稳定的"收敛"特性,蓄放热截止温度对"收敛"速度等参数具有重要影响,而蓄放热流量的增大有利于缩短"收敛"所用时间,但较大的流量会导致蓄放热容量利用率的下降。     

爆炸粉末烧结颗粒间摩擦引起的界面温升研究

 针对爆炸粉末烧结过程中颗粒间的摩擦效应提出了一种无夹角斜碰撞模型,分析了烧结过程中颗粒间摩擦力随温度的变化规律,借助于LS-DYNA有限元程序研究了冲击压力、颗粒大小、材料强度等因素对孔隙闭合时间的影响,给出了颗粒界面温升的表达式。研究结果表明,由摩擦引起的颗粒界面的温升与材料特性、颗粒度、冲击角度、冲击压力等因素有关,随材料的蓄热能力、传热能力和材料强度的增加而减小,并随着材料疏松程度、颗粒直径、冲击压力的增加而增加;在粉末颗粒直径和冲击压力不是太小的情况下,颗粒表面温度将达到材料的熔点。     

蓄热单元尺寸对融化传热增强作用的数值研究

为提高板式相变蓄热单元融化过程的传热速率,本文在传统矩形单元的基础上改变装置尺寸得到楔形截面蓄热装置。利用焓法模型分析了单元结构尺寸(包括高宽比,上下边长比)对蓄热过程材料融化及传热特性的影响。结果显示,蓄热单元高度(热源面积)一定时,装置上下边长比、高宽比均对其热性能有显著影响。具体表现为:减小矩形单元的高宽比有利于强化传热;采用上下边长比大于1的楔形单元可在一定程度上消除蓄热过程的融化死角,蓄热时间最大缩短32.8%;蓄热单元的最优上下边长比与高宽比存在对应关系。     

非稳态人口温度下相变材料蓄热性能研究

太阳能辐射强度随时间发生变化,造成蓄热单元入口处传热流体温度呈现非稳态变化。为了分析非稳态的入口温度对相变材料蓄热特性的影响,假设传热流体入口温度1 h内随时间呈线性变化,并且1 h内的平均温度恒定在60℃。讨论了入口温度随时间线性增加及线性降低两种变化形式,对相变材料的熔化速率、熔化分数、蓄热量、固液界面位置等参数的影响。结果表明,当1 h内平均入口温度不变,而初始入口温度在30～90℃的范围内变化时,随初始入口温度增加,尽管熔化速率增加,熔化时间从42.75 min减小到20.58 min;但1 h内的总蓄热量却从72.6 kW减小到45.3 kW。     

平板微热管式相变蓄热装置蓄放热特性研究

本文提出一种基于平板微热管阵列的低温相变蓄热装置。该装置以平板微热管阵列为核心传热元件,以月桂酸为相变蓄热材料。搭建实验测试系统对该相变蓄热器在不同空气流量和进口温度的工况下进行蓄放热试验,对蓄放热过程中平板微热管阵列的均温性能、蓄热器内部的温度变化及蓄放热功率进行了实验研究及分析。结果表明;微热管阵列组件在蓄热、放热过程中表现出良好的均温性,工作高效且稳定;相变蓄热装置的实际蓄放热性能优良,平均蓄热、放热功率分别为418 W和353 W。     

相变蓄热体的热工特性数值模拟

为了深入研究蓄热式换热器的蓄放能效果,提出了采用具有相变材料的蓄热体强化蓄放热,通过gambit软件建立了三维蓄热体相变传热过程的物理模型和数学模型,利用fluent软件模拟了具有相变材料的蓄热体与具有变截面管强化的蓄热体传热,得到了两者蓄放热过程温度场分布。根据模拟结果分析了相变材料及缩放结构对蓄热体蓄放热效果的影响,为优化设计蓄热式换热器提供了理论参考。