固体蓄热器填充床阻力损失的理论分析和实验研究

建立气体流经不规则蓄热体填充床阻力损失的物理数学模型,分析主要影响因素并确定阻力计算的理论分析式;通过搭建填充床阻力特性实验装置,调节空气流量和温度,对不同形状和尺寸的蓄热体进行阻力特性实验,获得相关实验数据,确定填充床阻力系数f中的相关常数和边界层影响修正项,从而获得气体流经不规则蓄热体填充床阻力损失的计算公式,为光热发电系统中高温固体蓄热器的工业化设计提供理论依据。     

岩石填充床蓄热性能试验研究

储能系统可以有效地提高能源利用率,是解决能量供需不平衡以及可再生能源不稳定问题的重要方式,近些年来已经成为国内外的研究热点。填充床是热能存储的主要形式之一,它是一个充满填充材料的热量存储装置,岩石和鹅卵石是最常用、最可靠的填充材料。文章分析了以高压空气作为传热流体的岩石填充床的蓄热特性,讨论和研究了不同试验参数对蓄热效率的影响。结果表明,岩石填充床的蓄热效率随空气压力的升高而降低,随空气质量流量的增大而增大,因而在较大的空气质量流量和较低的空气压力条件下可以得到较高的蓄热效率。     

扰流参数和非均匀颗粒结构参数对填充床相变蓄热器蓄热特性的影响

以填充床式相变蓄热器作为研究对象,将60%NaNO₃和40%KNO₃混合而成的二元硝酸盐作为传热流体,将59.98%MgCl₂、20.42%KCl、19.6%NaCl混合熔盐作为相变材料,建立无需对每个封装颗粒网格离散化的多孔介质局部非热平衡模型。通过数值计算对填充床式相变蓄热器的蓄热性能进行研究,分析了扰流参数以及颗粒结构参数等对蓄热器蓄热性能的影响。为提升蓄热器的蓄热性能,采用非均匀颗粒直径分布,并与等颗粒直径进行比较。结果表明：与填充0.025 m和0.015 m的等颗粒直径相比,蓄热器上端填充0.025 m和下端填充0.015 m的非均匀颗粒直径分布的相变材料完全融化时间分别缩短了3.81%和1.90%。     

新型定形板状相变材料的蓄/放热特性

对填充了新型定形板状相变材料的蓄热槽的蓄／放热特性进行了数值计算分析和实验比较。根据数值计算，对影响蓄热槽蓄／放热特性的主要因素——相变材料的几何尺寸、相变材料的导热系数、流体流速、对流放热系数、相变材料填充率等的影响规律进行了分析研究，计算出了蓄热槽内温度分布随时间的变化；并在实验台上测试了蓄热槽初始温度、流人和流出蓄热槽流体温度、作为蓄热体的相变材料测点温度随时间的变化，计算结果与实验结果具有较好的一致性。     

混合式填充床熔盐蓄热系统热性能分析

基于混合扩散中心对称(D-C)模型,考虑自然对流现象对液态相变材料(PCM)导热性能的影响,建立填充床蓄热系统的热力学模型,开发数值计算程序并通过文献实验数据对其进行验证。研究混合式填充床熔盐蓄热系统在工程规模下蓄、放热过程的循环热特性;从温度分布和填充床热装载率分布的角度评价蓄热系统的热力性能;并研究填充床结构对蓄热系统放热时间和系统容量因子的影响规律。结果表明随着总相变填充比例的增加,系统容量因子呈先增大后减小的趋势,系统放热时长则一直增加,且增幅逐渐减小;在一定的总相变填充比例下,存在最优的高、低温相变填充层体积比使系统的放热时长和容量因子达到最大值。     

高温相变蓄热器数值模拟与实验研究

高温相变蓄热器是空间太阳能热动力发电系统的关键部件之一,相变材料(PCM)蓄热是其中的关键技术。对以LiF-CaF2为PCM和以干空气为工质的蓄热系统进行了地面实验,并分别建立了相应条件下填充纯PCM和泡沫复合相变材料(FCPCM)的蓄热单元管数学模型。经过数值计算得到结果表明,纯PCM蓄热单元管计算值与实验数据吻合得很好,表明了计算模型的有效性;此外,对填充纯PCM和FCPCM的蓄热单元管的计算结果进行了比较,结果表明,泡沫的填充强化了PCM的导热性能,提高了蓄热系统的热性能。     

太阳能地面采暖系统蓄热水箱容积分析

通过分析太阳能采暖系统所需蓄热鼍与建筑热负荷、太阳能集热量日变化规律之间的关系,得出太阳能采暖系统所需蓄热水箱容积的理论算式.根据拉萨、银川、西宁、西安等地的太阳辐射强度及建筑热负荷的日变化规律,模拟得出系统所需蓄热量变化规律;并对各种蓄热温差下对应的蓄热水箱容积进行了模拟分析,结果表明:太阳能采暖系统所需蓄热量随太阳集热器的集热量与建筑热负荷之间的差值增大而增加;蓄热水箱容积随蓄热温差增大而减小,当蓄热水温达到80℃时,在各种地面采暖系统取水温度下,单位集热器面积所需蓄热水箱容积趋于相等.     

三分仓回转式空气预热器传热的数值解法

根据回转式空气预热器的工作机理,通过理论分析,把金属蓄热元件视为某一假想的流体,将非稳态传热与金属蓄热元件的机械运动等同于稳态换热过程,采用控制容积法建立了回转式空气预热器的流体动力学传热微分方程组与对应的差分方程组,详细给出了数值解法的计算过程,并以某220 MW锅炉机组的三分仓冷、热分段回转式空气预热器为例,结合实际运行参数进行了校核热力计算.结果表明:该数值解法合理、收敛快且具有合理的计算精度,可以得到空气预热器运行中金属蓄热元件、烟气与空气的温度分布;经与实际运行参数校核,与设计工况参数较吻合.     

光热发电高温固体蓄热系统的优化设计

为了解决原有光热发电蓄热系统蓄热温度低和蓄热成本高等问题,设计出一种由取热、蓄热和用热三个子系统组成的新型高温固体蓄热系统。以空气作为热媒介质、安全耐高温蓄热体作为蓄热材料的高温固体蓄热系统为研究对象,分析计算了蓄热器的保温特性以及蓄热系统整体热效率和流动阻力。结果表明,蓄热系统运行稳定,蓄热器散热损失小于5%,系统整体热效率大于85%,可供实际工程设计参考。     

变比例相变级联堆积床的蓄热特性研究

为了探究级联堆积床内不同相变材料(PCM)的比例对热性能的影响,共建立7种堆积比的相变胶囊蓄热堆积床物理模型,通过数值模拟方法监测换热流体和PCM温度等指标,并对比分析了蓄热量、?效率、蓄热速率和蓄热速率密度等表征堆积床热性能的指标。结果表明：随着高熔点相变材料占比的增加,堆积床可以获得较高的?效率,但其他指标均随着低熔点相变材料占比的增加而升高;与均分的级联堆积床相比,按熔点从低至高,PCM占比呈梯级升高或降低的级联堆积床的蓄热品质及蓄热效率提升显著,证明合理优化级联堆积床内相变材料的比例可有效提升级联堆积床的热性能。     

多区相变材料填充床储热性能数值分析

为进一步提高相变储能填充床储热性能,运用计算流体力学软件Fluent采用DEM-CFD数值模拟方法对轴向填充不同熔点颗粒的填充床进行了储热过程的数值分析。在分别填充了240和480个相变材料颗粒的直径为200 mm的相变储能填充床内,探究沿热流体流动方向分层逐级排布更低熔点相变材料的排布方式对填充床的储能速率、储能效率、热流体和相变储热材料温度分布的影响。研究表明：在轴向分层排布不同相变点的相变材料会对床内轴向温度场有显著影响;分层排布的方式使填充床的储能速率、储能效率均得到了提高,240和480颗粒填充床平均储能速率分别提升约31.0%和25.1%。     

一种新型单罐多层填充床蓄热器蓄热性能研究

针对单罐熔盐填充床蓄热器中斜温层影响蓄热性能的问题,以控制斜温层厚度扩展进而提高蓄热性能为研究目标,建立蓄热器二维、瞬态、轴对称流动传热数值模型。基于此模型,研究填料比热容和导热率关键热物性参数对斜温层扩展与蓄热性能的影响规律,并对比5种典型填料的斜温层扩展与各项蓄热性能。在此基础上,提出一种可控制斜温层厚度扩展的新型多层填充床蓄热器设计方法。与传统单层石英岩蓄热器相比,利用该方法设计的一种石英岩-铸铁-高温混凝土三层蓄热器可在放热效率仅降低0.64%的情况下,使有效蓄热量提高27.09%。     

基于固体蓄热材料的蓄热过程分析

以实际工程中固体蓄热装置的蓄热砖体作为研究对象,将蓄热砖体简化为仿真模型,添加不同蓄热材料属性,通过定容及定功率两种分析路径,得出现有几种蓄热材料基于实际工程结构的温度场变化。结果表明:镁砖、硅砖、陶瓷在定容分析中最终时刻的蓄热温度差值率分别为:1.15、0.82、1.31,在定功率分析中最终时刻的蓄热温度差值率分别为:1.36、0.73、1.47,由此得出在性能方面,镁砖是现有固体蓄热材料中最优蓄热材料,相比硅砖、陶瓷蓄热材料,其基于工程结构的蓄热温差范围小,单位蓄热密度高。     

固体蓄热模块蓄热特性研究

固体蓄热装置可利用谷电时将蓄热装置充满,在峰电时将能量释放。固体蓄热模块通过电加热丝将电能转化为热能,采用的传热流体是空气,具有安全、无污染、不受地理条件限制、无需预热等优点。选用氧化镁为固体蓄热材料,固体蓄热模块入口空气的温度为23.85℃,蓄热模块初始温度为500℃。通过瞬态计算,分析和研究在相同蓄热模块体积的条件下,不同空气流量、孔道占比、孔道数量、蓄热模块长度以及分成多段对蓄热模块放热性能的影响,并分析不同情况下蓄热模块的功率特性。结果表明,蓄热模块中空气流量越小、孔道占比越小、孔道数量越多、蓄热模块长度越长,达到450℃出口温度时,蓄热模块放热越充分。增加蓄热模块的空气流量、减小蓄热模块长度,可以提高蓄热模块的平均放热功率,同时减少了总放热量。减小蓄热模块的孔道占比、增加孔道数量,可以提高蓄热模块的平均放热功率,增大蓄热模块的总放热量。将蓄热模块进行分段处理,可以进一步提高放热时长。     

漏风分配对回转式空气预热器热力性能的影响

通过对回转式空气预热器进行机理分析,将旋转运动的蓄热元件作为金属流体,与烟气(一、二次风)在微元控制体中进行直接换热,建立了传热微分方程及差分方程.根据某600 MW亚临界机组的空气预热器的结构参数及设计参数,通过模型求解得到空气预热器蓄热元件壁温及工质温度分布,并改变漏风分配系数,得到排烟温度及空气出口温度的变化规律.结果表明:漏风率增大会导致排烟损失增大,锅炉效率下降;随着热端漏风占比增大,空气预热器排烟温度呈上升趋势,一、二次风出口温度呈下降趋势.     

适用于废热回收的相变蓄热装置数值模拟与实验研究

固-液相变潜热蓄热技术是一种极具前景的工业废热回收方式,通过管壳式换热器可利用相变材料(PCM)吸收工业废热加以储存再用于加热水,从而实现了工业废热的回收利用.对填充高导热多孔筛网的管壳式潜热蓄热单元(LHSU)建立了二维数学模型,并对填充与未填充筛网的蓄热容器一同进行了相变蓄热实验.实验结果表明,填充筛网能够有效改善PCM的传热性能;实验数据和计算值吻合的较好,证明了计算模型的有效性.利用计算模型,对3种PCM(石蜡P116、硬脂酸和软脂酸)蓄热系统进行了数值计算.结果表明,采用软脂酸的蓄热系统热性能最佳,能很好地满足供应生活热水的设计要求.研究结论对蓄热系统的设计和性能优化有一定的指导作用.     

高温空气燃烧系统中陶瓷蓄热体传热特性分析研究

针对小球、圆孔、方格孔、三角孔和正六边形孔蜂窝体等不同几何结构下的陶瓷蓄热体对高温空气燃烧系统的非稳态交替加热和冷却的传热过程的影响进行了理论分析，得出了正方形蜂窝体具有最佳的比表面积和开孔率的结论。建立了陶瓷蓄热体和气体的温度变化微分方程和数值计算的离散方程，并选取实例进行了数值计算，得出了温度变化和传热变化的特性曲线，其与实验测试结果变化规律基本一致。研究结果可以为高温空气燃烧过程中合理有效地控制蓄热体中交替换热过程提供理论依据。     

圆柱形相变蓄热单元性能的理论与数值研究

对以石蜡为相变材料的圆柱形蓄热单元进行三维计算流体力学仿真并进行验证,研究蓄热单元的高度和内外半径尺寸对蓄热时间影响变化规律的同时提出理论计算方法,结果表明计算结果与模拟吻合较好,计算误差随蓄热时间增加而增大,当蓄热时间在104s以内时误差小于6%,可满足工程需要,为相变蓄热器的设计与开发奠定理论基础。     

相变蓄热型空气源热泵系统蓄、释热特性与供暖节能运行温度条件的研究

文章通过对典型城市最冷月的日逐时室外空气的平均温度进行分析,并结合空气源热泵的运行特性、建筑供暖负荷规律和人们的用能规律,提出了一种相变蓄热型空气源热泵系统,实现了通过日蓄、夜释的方式弥补低温时段空气源热泵供热能力不足的目的。文章设计了新型翅片管式相变蓄热器,开展了相变蓄热型空气源热泵系统蓄、释热特性实验。实验结果表明:翅片管式相变蓄热器蓄热时,相变蓄热材料温度分布均匀,空气源热泵的冷凝温度与相变蓄热材料之间的温度差为1.1℃,这有利于降低空气源热泵冷凝温度、提高空气源热泵性能系数;翅片管式相变蓄热器释热时,相变蓄热器入口水温对释热速度具有重要影响。同时,对相变蓄热型空气源热泵系统的蓄热能效进行分析,得到了相变蓄热型空气源热泵系统供暖节能运行温度条件。     

填充床内对流换热的数值研究

为研究空气流入高温填充床时小球直径和空气流速变化对填充床内对流换热和压力损失等的影响,利用孔隙尺度介观方法对顺序排列多孔介质小球的三维填充床进行数值计算,数值计算与实验结果吻合较好。结果表明:填充床内固相和气相间存在热的非平衡性;当小球直径从2.8增大到5.6 mm时,在最高温度上游对流换热强度减小,在最高温度下游对流换热强度增大,同时,压力损失和最大无量纲速度减小;气体流速增大时,填充床内产生湍流运动。