文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123021
多孔介质中熔融盐流体高温斜温层蓄热的热特性
左远志1,杨晓西1,丁静2
(,东莞 523808;2. 中山大学工学院,广州 510006)
(Tel:0769-22861808,E-mail:zuoyuanzhi@)
摘要:对熔融盐高温斜温层蓄热过程进行了较深入的理论与实验研究。讨论了蓄热系统性能的评价方法。基于多孔介质局部热平衡理论,建立了多孔介质中熔融盐流体斜温层蓄热的局部热平衡数值模拟模型,研究了熔融盐、多孔介质孔隙结构以及工况参数对多孔介质中熔融盐流体传热与流动的影响规律,并在熔融盐传热-蓄热实验平台上进行了试验研究。结果表明:与熔融盐单相流体斜温层(无填充多孔介质)蓄热系统相比,多孔介质填料能够减少斜温层的厚度和改善其形状,采用单位体积热容量(ρc)s大于(ρc)f,。揭示了多孔介质中熔融盐流体斜温层蓄热系统的蓄热特性,为熔融盐高温斜温层蓄热的设计和运行控制提供重要依据。
关键词:熔融盐材料;多孔介质;斜温层蓄热;传热强化
中图分类号: 文献标识码:A
0 前言
目前,我国在电力、钢铁、建材和化工等大规模工业的整个工艺过程中余热平均回收利用率远低于,直接导致工业能源利用效率低,主要原因之一是间歇式高品质余热没有得到有效利用;规模化可再生能源是未来我国能源的发展重点,但由于其间歇性和不能稳定供应的缺陷,不能满足工业化大规模连续供能的要求。因此高温高效蓄热技术研究对工业系统节能和可再生能源利用均具有关键性意义[1-3]。必须开发低成本传热蓄热材料和发展高效蓄热技术,以有效地解决能源的储存与转换问题。近年兴起的超超临界发电技术[4],也使得600℃以上的熔融盐高温蓄热技术成为潜在的需要。Sandia国家实验室的James等[5]为了降低双罐熔融盐蓄热的成本,提出了熔融盐斜温层单罐蓄热系统。Brosseau等[6]采用三元熔融盐做热循环与等温实验,证实了熔融盐与多孔介质填料的相容性问题。Yang等[7-9]采用理论建模对其热特性进行了计算。这些研究表明,熔融盐斜温层蓄热是一种具有潜在应用前景的高温蓄热技术。斜温层单罐是利用密度与温度冷热关系,当蓄/放热时罐中会存在一个温度梯度很大的自然分层,即斜温层。为了维持罐内温度梯度良好分层,就必须严格控制液体盐液的注入和出料过程,在罐内合理填充固体蓄热介质以及配置合适的成层设备。蓄热单罐内存在大温差斜温层多孔介质中对流换热过程,其流动和换热特性规律研究是提高其能量储存与交换效率的重要途径。为了揭示多孔介质填料在熔融盐斜温层高温蓄热中的作用机理,本文通过数值模拟和实验分析其蓄热特性,为熔融盐高温斜温层蓄热的设计和运行控制提供理论基础
。
基金项目:国家自然科学基金重点项目(50930007);国家973项目(2010CB227306)
1蓄热系统性能的评价方法
德国科隆Pilkington太阳能公司[10]在研究太阳能热发电的蓄热系统时,认为蓄热器的性能取决于蓄热密度、传热介质与蓄热介质间的热传递、蓄热介质的机械与化学稳定性、热损失、传热介质/蓄热介质与换热器的相容性、长期稳定性等。这里把蓄热密度、有效蓄热容积与蓄放热速率等作为蓄热器性能描述参数,前两个参数反映了热力学能量平衡的要求,并间接反映了经济性的要求,第三个参数反映了传热学的要求。显然,不同的蓄热装置其侧重点不同,对于双罐熔融盐蓄热,蓄放热速率比较大,可以不做要求,而蓄热密度与有效蓄热容积则是两个重要的考量参数,例如Solar Two的双罐熔融盐蓄热每一个罐中残留有近1m深的熔融盐液不能用于蓄热,导致其有效蓄热容积为罐容积的85%[5];对于相变蓄热装置,蓄放热速率则成为优先考量的参数,常采用强化措施增加相变蓄热材料导热能力来提高蓄放热速率,由此不得不牺牲蓄热密度与一些有效蓄热容积。而对于单罐斜温层蓄热,斜温层厚度定义为冷热流之间斜温层的轴向位置大小,可根据温度等值线分布得到,其蓄放热速率较大,但斜温层厚度越大,其有效蓄热容积越少,另外,斜温层的移动速度越大,其有效蓄热容量会越少,因此斜温层厚度与斜温层的移动速度是表述单罐斜温层蓄热性能的重要指标。
2 实验装置
多孔介质中熔融盐流体斜温层蓄热单罐实验装置系统如图1所示。图中V1~V10为闸阀。熔融盐传热蓄热介质在熔融盐槽内加热熔化后通过熔融盐泵抽入管路,然后流经过滤器、流量计或进入蓄热罐流回熔融盐槽,或通过旁通管流回熔融盐槽,从而实现整个熔融盐回路的循环。单罐内填充多孔介质填料(陶瓷多孔介质的物性参数:密度r为2750 kg/m3, W/(m·