熔融盐在蓄热混凝土中传热过程的数值模拟

用数值模拟的方法对熔融盐与蓄热混凝土组合式换热模型进行了研究．该组合模型以混凝土为蓄热介质,熔融盐（Hitec）为传热介质,分析混凝土的导热系数、流体管道长度、热流体进口温度与进口流速等因素对蓄热单元储热规律及其特性的影响。计算结果表明：当混凝土的导热系数在2．0～3．0W/（m·K）左右、管长为0．5—2m、热流体进口温度为420℃、进口流速为O．15～0．25m／s时,蓄热单元可获得较高的储热效率。     

碟式聚光斯特林系统地面混凝土桩储热研究

为了解决碟式太阳能斯特林发电系统的储能问题,建立1 kW β型碟式斯特林发动机储能的地上混凝土储热单元,采用计算流体力学方法,针对熔融盐流速v、储热时间t、换热管管径D、熔融盐初始温度T对混凝土桩蓄热量Q和对流换热系数h的影响进行双因素分析。结果表明：v与Q呈线性关系,但v的增大导致接触时间减少而不能充分换热,最佳流速为3 m/s;D越大达到相同Q所需时间就越短,但大管径会导致混凝土体积降低、蓄热量减少,管径为25 mm最佳;随着v的增加达到相同h所需温度越低;h随D的增大而减小,D越大达到相同h所需温度越高。通过优化管型,采用S型换热管,使得对流换热系数、蓄热量、蓄热效率都较直型换热管有所提高。     

单罐熔融盐释热传热规律实验研究

为得到单罐内熔融盐释热传热规律以提高换热量,分析无隔板下进上出、无隔板上进下出和有隔板上进下出3种不同取热条件下熔盐的释热实验规律。通过对单罐内熔盐温度分布、释热换热器出口温度、释热换热量、能量释放率及释热换热器的瞬时效率5个评价指标对单罐蓄热系统释热性能进行分析。结果表明,单罐系统内布置圆柱形隔板,且以释热介质从蓄热罐顶部流入底部流出的取热形式,熔盐温度出现微小分层,释热换热器出口温度及释热换热量均达到最高,盘管换热器的瞬时效率最高,取热时间最短。此研究结果可为熔盐单罐蓄热系统设计提供依据。     

太阳能热发电站中固体储热模块的优化设计

以修正集总热容方法建立固体储热单元的1D非稳态模型,并利用模型的解析解推导发电量与传热流体温度的关系式;提出以流体出口温度和发电量为约束条件及单位发电成本为目标函数的优化设计方法。该文以混凝土和铸铁2种固体储热材料为例对储热模块进行优化设计,并对比分析上述2种储热材料的储热成本。     

基于分层蓄热水箱的相变球释热实验研究

相变蓄热水箱可有效调节集热器和负载端之间供求不匹配的矛盾,设计了环形布水器进水结构和蓄热水箱,并搭建相变蓄热水箱性能测试平台,对比直进型蓄热水箱和环形布水器蓄热水箱的温度分层,探究孔隙率、进水流速和变温进水等变量下相变蓄热水箱的热分层和相变球的释热性能。实验研究表明：环形布水器能有效抑制进水水流对温度场的扰动,保持良好的温度分层,使相变球逐层放热,增大相变球与传热流体（HTF）的温差,提高释热效率,保证高温水能够源源不断地提供给用户端;孔隙率越小分层效果越好;流速越大分层效果越差,但是释热效率有所提高;变温进水比恒温进水,释热时间延长约40%。     

新型地下跨季节复合储热系统性能规律

可再生能源受天气、地域、季节限制,具有间歇性和不稳定性属性,从而导致供需不匹配,跨季节储热是解决上述问题的有效方法.然而,传统地下跨季节储热具有储热方式单一、热量损失大等缺点,本文将水箱储热和地埋管储热相结合,组成新型跨季节复合储热系统.建立并通过实验验证了复合储热系统模型,在此基础上,分析了储/释热质量流量、储热体模匹配、地埋管数量和层间距以及土壤热导率等参数对储热体温度、储/释热量、储/释热功率和热量损失等的影响规律.结果表明,随着储/释热质量流量的增加,系统效率也逐渐增加;储热体规模匹配α值增加,系统效率随之上升,但水箱体积占比的提高,会导致热量损失增大,故储热体规模匹配需综合考虑,既要能达到较高的系统效率,获得较大的储/释热功率,又需尽量减少投资成本,同时降低热量损失;提高地埋管数量,有利于增加储/释热量,提升系统效率;地埋管层间距的增大,增加了储热体土壤体积,从而降低了储热温度,不利于释热的进行,导致系统效率降低;土壤热导率的增加,强化了土壤间热量传递,地埋管储热功率增加,储热峰值温度也因此提高,然而热量散失也加快,释热功率显著降低,导致系统效率下降.     

熔盐单罐释热过程圆柱形隔板径向尺寸优选

圆柱形隔板在熔盐单罐蓄热器中具有显著的强化传热作用。为获得单罐内圆柱形隔板的最佳径向尺寸,通过数值模拟的方法研究隔板径向尺寸对熔盐单罐蓄热系统释热性能规律的影响,同时分析释热过程中熔盐侧流场变化。结果表明,圆柱形隔板直径为罐体直径的0.6倍时具有最佳的盘管换热器出口温度、单罐释热功率和释热效率,该文研究结果为熔盐单罐蓄放热系统设计提供了理论依据。     

基于潜热填充床的双向变粒径结构热性能分析

为改善潜热填充床的储/释热性能，提出了一种优化的双向变粒径球形储热单元填充结构，并基于实验室搭建的中高温相变储热实验系统，模拟分析了该结构相较于传统结构对填充床储/释热效率和时间的影响。结果表明，在保证相同储热量下，双向变粒径结构能够有效的提升储/释热效率，延长有效热流输出的时间。其中20:30:20（体积比1:1:1）的双向变粒径结构输出有效热流的时间为6685 s，放热功率为846.1 W，相对于其他的填充结构，综合热性能最好。该研究能够为进一步实现储热系统能量的高效稳定与梯度利用做铺垫。     

氢氧化镁热化学储热系统流化床反应器性能分析

热化学储热具有储能密度高、储存时间长、温度范围宽的优点,是目前极具前景的储能技术,流化床反应器具有出色的传热传质性能,非常适合应用于热化学储热系统.本工作基于双欧拉模型,耦合了传热方程与反应动力学方程,构建了二维轴对称非稳态的多相流化学反应模型,以氢氧化镁和氧化镁作为储热材料,对热化学储热系统流化床反应器内的储、放热过程进行了研究,并且分析了床层膨胀率、气体流量对储放热效率的影响.通过实验验证了模型的准确性,探究了反应器内的能量流动过程与能耗优化方向.结果表明,床层温度不受传热效率的影响,反应器内不同区域间以及气相与固相间的温度差值均小于1.0 K,放热反应动力学限制了反应器性能;高温气固反应能显著提高床层膨胀率,床层膨胀率和气体流量的变化对储热效率影响较大,对放热效率影响较小;放热过程中的气体预热量和储热过程中的颗粒显热是反应器能量优化的重点方向.本研究对热化学储热系统中的流化床反应器数值建模分析以及实验设计优化具有指导价值.     

玻璃真空集热管相变储能单元特性实验测试

以改性石蜡为相变储能材料,翅片热管为强化传热元件,开发设计以集热、储热和散热集成为一体的新型玻璃真空集热管相变储能单元装置。通过实验研究,测试不同太阳辐射强度、环境温度和释热对流风速条件下储能单元的储热和释热性能。研究结果表明,储能单元储热速率随太阳平均辐射强度的增大而显著提高,而太阳能热利用效率随太阳平均辐射强度的增大呈降低趋势;较高释热风速和较低环境温度有利于提高储能单元的释热性能。在环境温度为18℃和对流风速为6.0 m/s的条件下,储能单元的释热量、释热速率分别可达1056 kJ和72 W,释热效率可达93.37%。     

Experimental investigation of a molten salt thermocline storage tank

Thermal energy storage is considered as an important subsystem for solar thermal power stations. Investigations into thermocline storage tanks have mainly focused on numerical simulations because conducting high-temperature experiments is difficult. In this paper, an experimental study of the heat transfer characteristics of a molten salt thermocline storage tank was conducted by using high-temperature molten salt as the heat transfer fluid and ceramic particle as the filler material. This experimental study can verify the effectiveness of numerical simulation results and provide reference for engineering design. Temperature distribution and thermal storage capacity during the charging process were obtained. A temperature gradient was observed during the charging process. The temperature change tendency showed that thermocline thickness increased continuously with charging time. The slope of the thermal storage capacity decreased gradually with the increase in time. The low-cost filler material can replace the expensive molten salt to achieve thermal storage purposes and help to maintain the ideal gravity flow or piston flow of molten salt fluid.     

Experimental research on thermal characteristics of a hybrid thermocline heat storage system

Considering the high-temperature thermal utilization of solar energy as the research background in this paper and focussing on the heat storage process, a kind of hybrid thermocline heat storage method in multi-scale structure and relevant experimental systems are designed by using the mixed molten nitrate salt as the heat storage medium and two representative porous materials, i.e. zirconium ball and silicon carbide (SiC) foam, as the heat storage fillers. The fluid flow and heat storage performance of molten salt in multi-scale structure are experimentally investigated. The results show that the theoretical heat storage efficiencies amongst the three experimental heat storage manners are less than 80% because of the existence of thermocline layers. Comparing to the single-phase molten salt heat storage, the two hybrid thermocline heat storage manners with porous fillers lead to a certain decrease in the effective heat storage capacity. The presence of porous fillers can also help to maintain the molten salt fluid as ideal gravity flow or piston flow and partially replace expensive molten salt. Therefore, it requires a combination of heat storage capacity and economical consideration for optimization design when similar spherical particles or foam ceramics are employed as the porous fillers.     

熔融盐斜温层蓄热的热特性研究

对熔融盐高温斜温层蓄热过程进行较深入的理论与实验研究,建立熔融盐单相流体斜温层蓄热的瞬态热分析模型,模型考虑熔融盐的变物性。利用Fluent软件,通过求解N-S方程与能量方程,对熔融盐单相流体斜温层蓄热罐在各工况条件下的传热蓄热过程进行数值模拟。研究时间进程、初始条件以及结构尺寸等对蓄热性能的影响。结果表明:斜温层的厚度随时间的推移而增加,达到一定厚度后增加量趋缓;流体进口流速、长径比等是影响有效蓄热容量的主要因素,当进口速度为0.001m/s级、长径比为2∶1时,将减少斜温层厚度。     

Thermal analysis of solar thermal energy storage in a molten-salt thermocline

A comprehensive, two-temperature model is developed to investigate energy storage in a molten-salt thermocline. The commercially available molten salt HITEC is considered for illustration with quartzite rocks as the filler. Heat transfer between the molten salt and quartzite rock is represented by an interstitial heat transfer coefficient. Volume-averaged mass and momentum equations are employed, with the Brinkman-Forchheimer extension to the Darcy law used to model the porous-medium resistance. The governing equations are solved using a finite-volume approach. The model is first validated against experiments from the literature and then used to systematically study the discharge behavior of thermocline thermal storage system. Thermal characteristics including temperature profiles and discharge efficiency are explored. Guidelines are developed for designing solar thermocline systems. The discharge efficiency is found to be improved at small Reynolds numbers and larger tank heights. The filler particle size strongly influences the interstitial heat transfer rate, and thus the discharge efficiency.     

Research and application of molten salts for sensible heat storage

熔融盐具有液体温度范围宽,黏度低,流动性能好,蒸汽压小,对管路承压能力要求低,相对密度大,比热容高,蓄热能力强,成本较低等诸多优点,已成为一种公认的良好的中高温传热蓄热介质.本文对熔融盐显热蓄热技术原理和发展现状进行了简要概述,包括熔融盐的种类,熔融盐显热蓄热技术的原理,关键技术,研发现状及其在太阳能热发电和间歇性余热利用中的应用.认为开展高温熔融盐传热蓄热介质制备,热性能表征和熔融盐流动与传热性能研究,进而完善整个熔融盐蓄热系统,提高蓄热效率,降低管路腐蚀性,提高系统可靠性仍将是未来熔融盐蓄热技术的研究重点.     

Advances in thermal energy storage development at the German Aerospace Center(DLR)

Thermal energy storage(TES)is a key technology for renewable energy utilization and the improvement of the energy efficiency of heat processes.Sectors include industrial process heat and conventional and renewable power generation.TES systems correct the mismatch between supply and demand of thermal energy.In the medium to high temperature range(100~1000℃),only limited storage technology is commercially available and a strong effort is needed to develop a range of storage technologies which are efficient and economical for the very specific requirements of the different application sectors.At the DLR's Institute of Technical Thermodynamics,the complete spectrum of high temperature storage technologies,from various types of sensible over latent heat to thermochemical heat storages are being developed.Different concepts are proposed depending on the heat transfer fluid(synthetic oil,water/steam,molten salt,air)and the required temperature range.The aim is the development of cost effective,efficient and reliable thermal storage systems.Research focuses on characterization of storage materials,enhancement of internal heat transfer,design of innovative storage concepts and modelling of storage components and systems.Demonstration of the storage technology takes place from laboratory scale to field testing(5 kW^1 MW).The paper gives an overview on DLR's current developments.     

基于Workbench的固体电蓄热装置换热通道参数优化

为了解决固体电蓄热装置储释热过程的温度分布均匀性问题,需要对蓄热体换热通道结构参数开展优化设计。根据对称性建立了表征空气与蓄热材料传热过程的传热单元,以传热单元平均温度最大和压力损失最小为优化目标,基于ANSYS Workbench的响应面优化模块对蓄热砖的几何参数(高度、宽度、厚度)和换热通道宽度开展优化设计。结果表明：恒定入口流速下,换热通道高度和宽度的增加,对传热单元平均温度的提高影响较小,但是换热通道宽度对压力损失的改变有显著影响;蓄热砖宽度或高度对于蓄热过程平均温度的改变影响明显,水平方向蓄热砖宽度由15 mm增加到40 mm平均温度降低约7.5 K,竖直方向蓄热砖高度由15 mm增加到30 mm整体蓄热温度线性降低(降温幅度7.5 K),竖直方向蓄热砖高度为20 mm、入口温度1 023 K时升温速度达到297.5 K/h;通过传热单元结构参数敏感性分析可知,设计换热通道选择的蓄热砖宽度和高度均不宜过大。     

Analysis of thermal performance of electromagnetic induction based molten salt heating system

将电磁感应加热技术应用到低谷电加热熔盐储热供暖领域,搭建熔盐电磁感应加热实验系统,以感应加热器为研究对象,探究熔盐以及线圈冷却水在不同熔盐流速和线圈电流工况下的温度变化规律,计算加热效率和冷却水热损失率。结果表明：电磁感应加热器可以快速加热熔盐,熔盐温升主要集中在开始加热80～240 s之间,温升速率在100 s时最大;改变线圈电流或熔盐流速,可以产生不同终温的熔盐,流速0.177 m/s时,熔盐在不同电流下出口温度分别为201.452 ℃、203.891 ℃、207.599 ℃、212.975 ℃和221.454 ℃;熔盐流速一定,熔盐和线圈冷却水吸热量随线圈电流的增加而升高;线圈电流不变,熔盐吸热量随流速的增加而升高、线圈冷却水吸热量随流速增加而降低;熔盐流速0.296 m/s、线圈电流600 A时,熔盐加热效率为69.28%,线圈冷却水热损失率为16.45%。     

Simulation modeling and analysis of a high temperature phase change heat storage and exchange device

相变储热因单位体积储热量大,储热和放热过程温度基本恒定等优点而成为目前研究的热点。相变过程中涉及固液两相间融化和凝固的传热问题,其储放热过程是一个复杂的非稳态相变过程。本文对高温相变储热换热装置进行换热特性研究,通过研究储热单元的换热特性,基于FLUENT软件,结合装置的设计参数和相变复合材料的物性参数,对相变储热系统储/放热过程中内部的温度分布、传热速率和储放热效率进行了数学建模及模拟分析,重点研究了不同传热流体速度对单元储/放热性能的影响规律。根据仿真结果,在相变储热装置的设计中,可选择合适的空气流速,以实现不同的散热功率及储放热时间,满足不同用户的用热需求。物理实验表明仿真结果偏差较小,可为高温相变储换热装置设计、优化等工作提供依据。