高温蓄热堆积床蓄热单元传热特性的数值模拟.pdf

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1、228化工机械2016年高温蓄热堆积床蓄热单元传热特性的数值模拟车德勇“蒋文强1刘炜1李少华2沈辉1高龙(1．东北电力大学能源与动力1-程学院；2．中国大唐集团科学技术研究院)摘要采用焓一多孔介质模型对高温蓄熟堆积床蓄熟单元相变过程进行模拟，探讨不同的封装材料、相变材料、熔化温度．和运动粘度对相变材料熔化过程的影响。结果表明：当封装材料的导热系数远大于相变材料的导热系数时，封装材料对相变的影响非常小。可忽略不计；通过对比不同相变材料的熔化时间争蓄热能力可知NaNO，、KNO，、LiNO，的完全相变熔化时间相差不大；高粘度的相变材料在相变过程中自然

2、对流较弱，低粘度有利于相变材料熔化过程中的自然对流；熔化温度范围越小，越有利于相变材料的熔化。关键词高温蓄热堆积床相变材料蓄热单元传热特性中国分类号TQ051文献标识码A文章编号0254-6094(2016)02-0228-07近年来，能源和环境问题促使人们对新能源的利用越来越重视，太阳能光热发电就是其中具有代表性的新能源之一。由于太阳能不稳定，光热发电站通常引入高温相变蓄热技术来维持系统的稳定运行。高温相变储能技术的主要装置是高温蓄热堆积床，白天由导热油将蓄热球内的盐从固态变成液态，晚上再用400℃左右的熔融盐通过导热油将热量带出，通过换热将水

3、变成蒸汽推动汽轮机发电¨一。，因此发展高效蓄热技术，提高太阳能的转换效率和热能储存密度．对于太阳能高温利用非常重要"1。近年来出现了较多对堆积床相变蓄热的研究报道。郭茶秀等针对高温相变材料的特点，提出了采用膨胀石墨结构强化储能系统的放热过程，并通过Fluent软件进行数值模拟和结果验证H“o。何钦波和郑兆志对低温相变蓄冷(TiO，．BaCI：一H：O)纳米流体粘度特性进行分析o“，结果表明，作为一种新型工业用低温相变蓄冷体，加入纳米粒子后可提高其导热系数、降低其成核过冷度，纳米流体的粘度随粒子体积分数的增加呈加速上升的趋势，与温度成反比。冯小江等

4、针对木材太阳能干燥间歇性的不足，在原有太阳能干燥装置的基础上，提出了多管道叉排石蜡相变储热系统，实现太阳能干燥室热能的储放¨1，研究认为，随着储热系统管排数的增加，放热时间缩短，换热系数呈增加趋势。同时，国内外在相变材料方面做了很多研究，SariA和KaygusuzK以硬脂酸作为相变材料进行了相变储热方面的分析归1，SariA选取共晶混合物为相变材料进行研究‘iol，NaganoK等研究了以氯化物作为相变材料的储热装置，而国内相变材料主要包括锅炉、热水器及建筑保温材料等¨¨。夏莉等利用膨胀石墨良好的吸附性能的特点，制备了一种导热系数较高的石蜡／膨

5、胀石墨复合相变材料，并对这种复合相变材料充／放热过程的换热特性进行实验研究¨引。结果表明，添加膨胀石墨对充／放热速率有较大幅度提高，且换热方式以导热为主。赵岩等针对填充床储热／换热器的储热过程进行数值模拟研究，研究认为，填充床储热方式能提高循环工作时的热效率和火用效率¨“。李伟采用模拟和实验的方法对管式和低温球式储热单元进行了探讨¨41。李传等通过对单一熔盐下填充球传热规律的分·车德勇，女，1975年4月生，教授。吉林省吉林市，132012。第43卷第2期化工机械229析，探讨了热传导与对流的关系以及热传导下的传热规律¨“。以往堆积床蓄热单元相变

6、的模拟中，通常用焓法来进行模拟研究，均假设相变温度为恒定温度，而实际的相变过程并不是一个恒温过程，相变材料的相变在一个熔化温度范围内，笔者将运用焓一多孔介质模型对高温蓄热堆积床蓄热单元相变过程进行模拟，探讨不同熔化温度、封装材料、相变材料和运动粘度对相变材料熔化过程的影响，为发展高效蓄热技术，提高太阳能的转换效率提供理论参考。1数学模型1．1模型与材料图1为高温堆积床蓄热系统结构示意图。蓄热单元球体处于垂直简体中，球体中密封着的相变材料多为无机盐。导热油流经床体时，与蓄热单元球体发生热交换，且流体在床体中流动经常改向，导致传热过程的强化。故文中研

7、究对象为蓄热单元球体，其物理模型如图2所示。曹导热油图2蓄热单元球体的物理模型1．2数学模型笔者使用焓一多孑L模型来处理相变材料的熔化／凝固过程，相变计算区域被分为固相、液相和液固相模糊区3个区域，液固模糊区按照多孔介料来处理，多孔部分等于液体所占的份额。通过液相率来间接地跟踪相界面位置的变化，同时在动量方程中加入动量修正项来计算由于固相的增加而引起的压力下降。连续性方程、动量方程和能量方程如下：连续性方程V(正)=0动量方程盟掣+V(∥。；)=V(肛V；)一缸0pot+dZPg．+户能量方程pC，i01'+pC，；·VT=V(kVT)+lsk=

8、OkPh⋯】+(1一日)kph。。。2C。=OC。‰一(1_O)C。‰一L等。一生￡型!业型：!!二!!坠竺!!_型’OC，．Ph。。，