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1、多孔介质中熔融盐流体高温斜温层蓄热多孔介质中熔融盐流体高温斜温层蓄热的热特性的热特性 一、一、一、一、 背景主要内容主要内容主要内容主要内容二、实验装置二、实验装置三、数值模拟三、数值模拟四、数值模拟结果与分析四、数值模拟结果与分析 五、模拟计算与实验结果的比较五、模拟计算与实验结果的比较 六、结论与下一步工作六、结论与下一步工作一、一、一、一、 背景背景背景背景聚光集热子系统聚光集热子系统热热- -功功- -电转换子系统电转换子系统蓄热子系统蓄热子系统1 1）蓄热系统是太阳能高温热利用的关键子系统之一。）蓄热系统是太阳能高温热利用的关键子系统之一。冶金冶金 能源开采能源开采 交通交通30.4
2、%10.6%6%10%建材建材 23.5%化工化工工业能耗统计工业能耗统计 污染物和污染物和COCO2 2排放与能耗基本一致排放与能耗基本一致 有有色色钢钢铁铁2) 2) 高效高温蓄能技术在工业节能中具有重要意义高效高温蓄能技术在工业节能中具有重要意义以钢铁、有色金属、建材、以钢铁、有色金属、建材、石化等为代表的大规模原石化等为代表的大规模原材料工业占全国工业总产材料工业占全国工业总产值的值的43%43%，但其能耗占工业，但其能耗占工业总能耗的总能耗的72%72%，占全国能源，占全国能源消费总量的消费总量的52%52%。高效蓄能技术在高效蓄能技术在国家中长期科技发展规划国家中长期科技发展规划中
3、是重中是重点优先发展的点优先发展的战略性能源技术战略性能源技术！ 一、一、一、一、 背景背景背景背景一、一、一、一、 背景背景背景背景2 2）高效高温蓄能技术在工业中的余热利用）高效高温蓄能技术在工业中的余热利用）高效高温蓄能技术在工业中的余热利用）高效高温蓄能技术在工业中的余热利用a) a) 冶金部门总余热资源冶金部门总余热资源冶金部门总余热资源冶金部门总余热资源占其燃料消耗量的占其燃料消耗量的占其燃料消耗量的占其燃料消耗量的5050以上；机械、化工、以上；机械、化工、以上；机械、化工、以上；机械、化工、玻璃搪瓷、造纸等企业占玻璃搪瓷、造纸等企业占玻璃搪瓷、造纸等企业占玻璃搪瓷、造纸等企业占
4、2525以上。以上。以上。以上。b) b) 高温余热高温余热高温余热高温余热。高于。高于。高于。高于500500的余热资源，大部分来自工业炉窑。的余热资源，大部分来自工业炉窑。的余热资源，大部分来自工业炉窑。的余热资源，大部分来自工业炉窑。 直接燃烧燃料：如熔炼炉、加热炉、水泥窑等；直接燃烧燃料：如熔炼炉、加热炉、水泥窑等；直接燃烧燃料：如熔炼炉、加热炉、水泥窑等；直接燃烧燃料：如熔炼炉、加热炉、水泥窑等； 炉料自身燃烧：如沸腾焙烧炉、炭黑反应炉等；炉料自身燃烧：如沸腾焙烧炉、炭黑反应炉等；炉料自身燃烧：如沸腾焙烧炉、炭黑反应炉等；炉料自身燃烧：如沸腾焙烧炉、炭黑反应炉等； 国外城市垃圾焚烧炉
5、的烟温达到国外城市垃圾焚烧炉的烟温达到国外城市垃圾焚烧炉的烟温达到国外城市垃圾焚烧炉的烟温达到840-1100840-1100。c) c) 中温余热中温余热中温余热中温余热。温在。温在。温在。温在200500200500的余热资源。各种热能动力装置及的余热资源。各种热能动力装置及的余热资源。各种热能动力装置及的余热资源。各种热能动力装置及某些炉窑设备中的高温气体在燃烧室或炉膛中做功或传热后排出某些炉窑设备中的高温气体在燃烧室或炉膛中做功或传热后排出某些炉窑设备中的高温气体在燃烧室或炉膛中做功或传热后排出某些炉窑设备中的高温气体在燃烧室或炉膛中做功或传热后排出的气体一般在中温范围内。的气体一般在
6、中温范围内。的气体一般在中温范围内。的气体一般在中温范围内。3 3）蓄热的作用意义）蓄热的作用意义容量缓冲容量缓冲可调度性和时间延迟可调度性和时间延迟提高年利用率提高年利用率电力输出更平稳电力输出更平稳高效满负荷运行高效满负荷运行一、一、一、一、 背景背景背景背景4 4）国内外研究现状）国内外研究现状存在大温差对流换热过程，其流动和换热特性规律研究存在大温差对流换热过程，其流动和换热特性规律研究是提高能量储存与交换效率的重要途径是提高能量储存与交换效率的重要途径 一、一、一、一、 背景背景背景背景带双罐熔融盐蓄热装置的塔式系统带双罐熔融盐蓄热装置的塔式系统带双罐熔融盐蓄热装置的塔式系统带双罐熔
7、融盐蓄热装置的塔式系统Fig. from Sun Lab一、一、一、一、 背景背景背景背景JamesJames等等 斜温层单罐间接蓄热系统斜温层单罐间接蓄热系统双罐系统与斜温层双罐系统与斜温层双罐系统与斜温层双罐系统与斜温层单罐系统的经济性单罐系统的经济性单罐系统的经济性单罐系统的经济性比较：比较：比较：比较：65%65%65%65%4 4）国内外研究现状）国内外研究现状5 5）熔融盐高温斜）熔融盐高温斜温层混合蓄热温层混合蓄热方法方法 （idea）31257498101- 高温壳管式相变换热器高温壳管式相变换热器2- 斜温层显热蓄热段斜温层显热蓄热段3- 低温壳管式相变换热器低温壳管式相变换
8、热器4- 底部进出口底部进出口5- 泡沫碳化硅陶瓷片泡沫碳化硅陶瓷片7- 罐体罐体8- 顶部进出口顶部进出口9- 安全阀安全阀10- 罐盖罐盖一、一、一、一、 背景背景背景背景斜温层斜温层热流体热流体冷流体冷流体565565290290蓄热过程蓄热过程斜温层斜温层热流体热流体冷流体冷流体565565290290放热过程放热过程一、一、一、一、 背景背景背景背景5 5 5 5）熔融盐高温斜温层混合蓄热方法）熔融盐高温斜温层混合蓄热方法）熔融盐高温斜温层混合蓄热方法）熔融盐高温斜温层混合蓄热方法 （PrinciplesPrinciples）一、一、一、一、 背景背景背景背景6) 6) 蓄热系统性能
9、的评价方法蓄热系统性能的评价方法蓄热系统性能的评价方法蓄热系统性能的评价方法 德国科隆德国科隆德国科隆德国科隆PilkingtonPilkingtonPilkingtonPilkington太阳能公司认为蓄热器的性能太阳能公司认为蓄热器的性能太阳能公司认为蓄热器的性能太阳能公司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、蓄取决于蓄热密度、传热介质与蓄热介质间的热传递、蓄取决于蓄热密度、传热介质与蓄热介质间的热传递、蓄取决于蓄热密度、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、传热介质热介质的机械与化学稳定性、热损失、传热介质热介质的机械与化学稳定性、热损
10、失、传热介质热介质的机械与化学稳定性、热损失、传热介质/ / / /蓄热蓄热蓄热蓄热介质与换热器的相容性、长期稳定性等。介质与换热器的相容性、长期稳定性等。介质与换热器的相容性、长期稳定性等。介质与换热器的相容性、长期稳定性等。双罐熔融盐蓄热：双罐熔融盐蓄热：双罐熔融盐蓄热：双罐熔融盐蓄热： 蓄热密度蓄热密度蓄热密度蓄热密度、有效蓄热容积；有效蓄热容积；有效蓄热容积；有效蓄热容积；相变蓄热装置：相变蓄热装置：相变蓄热装置：相变蓄热装置： 蓄放热速率；蓄放热速率；蓄放热速率；蓄放热速率；单罐斜温层蓄热单罐斜温层蓄热单罐斜温层蓄热单罐斜温层蓄热 ：斜温层厚度斜温层厚度斜温层厚度斜温层厚度、斜温层的
11、移动速度斜温层的移动速度斜温层的移动速度斜温层的移动速度。二、二、二、二、 实验装置实验装置实验装置实验装置熔融盐槽熔盐泵控制柜数据采集仪N路信号旁通管蓄热单罐过滤器流量计熔融盐炉吹N2入口V3V2V6V9V8V5V1V7V10V4实验装置系统示意图实验装置系统示意图TC11x = 0mmTC2TC3TC4TC10TC1TC12x =420mmTC9a)b)二、二、二、二、 实验装置实验装置实验装置实验装置蓄热单罐实验件蓄热单罐实验件 温度测点布置温度测点布置建模建模 ,TaTin，uinrxoTfho0m0.10.40.30.2a)局部热平衡模型局部热平衡模型;b)FLUENT软件软件 rx
12、velocity inletwalloutflowsymmetry GAMBIT 网格划分网格划分o三、三、三、三、 数值模拟数值模拟数值模拟数值模拟t1）斜温层厚度与斜温层的移动速度的定义）斜温层厚度与斜温层的移动速度的定义 轴向位置/m斜温层厚度斜温层厚度a) 云图云图b) 等值线图等值线图c)忽略了斜温层两端的过渡段忽略了斜温层两端的过渡段 四、数值模拟结果与分析四、数值模拟结果与分析四、数值模拟结果与分析四、数值模拟结果与分析 斜温层轴向位置斜温层轴向位置 2 2） 斜温层厚度随多孔介质单位体积热容量的变化斜温层厚度随多孔介质单位体积热容量的变化a) a) 斜温层厚度随斜温层厚度随 (
13、 (cc) )s s 的的减少而增大减少而增大，但趋势较缓慢，但趋势较缓慢 b)b)斜温层前锋面的轴向移动位置随斜温层前锋面的轴向移动位置随 (c)s的增大而滞后，意的增大而滞后，意味着斜温层的移动速度随味着斜温层的移动速度随 (c)s的增大而减少，可见，的增大而减少，可见，增增大大(c)s有利于增加蓄热单罐的蓄热容量有利于增加蓄热单罐的蓄热容量 c) c) 当当( (cc) )s s( (cc) )f f时，填充多孔介质却将增加总蓄热容量时，填充多孔介质却将增加总蓄热容量 多孔介质的第一选择原则为：多孔介质的第一选择原则为：选择选择( (cc) )s s大于大于( (cc) )f f的多孔介
14、的多孔介质质 四、数值模拟结果与分析四、数值模拟结果与分析四、数值模拟结果与分析四、数值模拟结果与分析 3 3） 斜温层厚度随多孔介质孔隙率斜温层厚度随多孔介质孔隙率的变化的变化a a）孔隙率）孔隙率对斜温层厚度影响较少。对斜温层厚度影响较少。 b)b)斜温层前锋面的轴向移动位置随斜温层前锋面的轴向移动位置随 的增大而超前，意味着斜温层的移动速的增大而超前，意味着斜温层的移动速度随度随的增大而增大，可见，孔隙率的增大而增大，可见，孔隙率越小，越小，有利于增加蓄热容量有利于增加蓄热容量。 四、数值模拟结果与分析四、数值模拟结果与分析四、数值模拟结果与分析四、数值模拟结果与分析 四、数值模拟结果与
15、分析四、数值模拟结果与分析四、数值模拟结果与分析四、数值模拟结果与分析 4 4）蓄热过程中）蓄热过程中斜温层随多孔介质颗粒平均当量直径斜温层随多孔介质颗粒平均当量直径dp的变化的变化 颗粒当量直径颗粒当量直径颗粒当量直径颗粒当量直径dpdp对斜温层厚度影响对斜温层厚度影响对斜温层厚度影响对斜温层厚度影响很少很少很少很少，斜温层前锋面的轴向，斜温层前锋面的轴向，斜温层前锋面的轴向，斜温层前锋面的轴向移动位置受移动位置受移动位置受移动位置受dpdp的影响也的影响也的影响也的影响也很少很少很少很少 四、数值模拟结果与分析四、数值模拟结果与分析四、数值模拟结果与分析四、数值模拟结果与分析 5 5）蓄热
16、过程中斜温层厚度的瞬态变化）蓄热过程中斜温层厚度的瞬态变化斜温层的厚度随着时间的进程不断增加，达到一定厚度后增加量逐渐趋缓斜温层的厚度随着时间的进程不断增加，达到一定厚度后增加量逐渐趋缓斜温层的厚度随着时间的进程不断增加，达到一定厚度后增加量逐渐趋缓斜温层的厚度随着时间的进程不断增加，达到一定厚度后增加量逐渐趋缓 五、模拟计算与实验结果的比较五、模拟计算与实验结果的比较五、模拟计算与实验结果的比较五、模拟计算与实验结果的比较 1 1）蓄热过程中进出口温度的变化）蓄热过程中进出口温度的变化 五、模拟计算与实验结果的比较五、模拟计算与实验结果的比较五、模拟计算与实验结果的比较五、模拟计算与实验结果
17、的比较 2 2）蓄热过程中轴向温度分布）蓄热过程中轴向温度分布 1 1）斜温层厚度斜温层厚度与与斜温层的移动速度斜温层的移动速度是表述单罐斜温层蓄热性能的是表述单罐斜温层蓄热性能的重要指标。重要指标。2）多孔介质填料能够多孔介质填料能够减少减少斜温层的厚度和与斜温层的移动速度以斜温层的厚度和与斜温层的移动速度以及改善其形状；及改善其形状；3） 斜温层的厚度随着多孔介质斜温层的厚度随着多孔介质单位体积热容量单位体积热容量(c)s(c)s的增大而的增大而减少；采用单位体积热容量减少；采用单位体积热容量(c)s大于大于(c)f，可降低斜温层厚度。，可降低斜温层厚度。孔隙率孔隙率对斜温层厚度直接影响较
18、少，但影响斜温层的移动速对斜温层厚度直接影响较少，但影响斜温层的移动速度；孔隙率度；孔隙率小于小于0.4有利于降低斜温层厚度。斜温层厚度几乎有利于降低斜温层厚度。斜温层厚度几乎不受颗粒当量直径不受颗粒当量直径dp的影响。的影响。4 4）实验研究结果：斜温层的厚度随着时间而增加，达到一定厚度）实验研究结果：斜温层的厚度随着时间而增加，达到一定厚度后增加量逐渐趋；采用单位体积热容量后增加量逐渐趋；采用单位体积热容量大于大于熔融盐热容量的多熔融盐热容量的多孔介质填料，可增加单罐的蓄热量。孔介质填料，可增加单罐的蓄热量。 六、结论与下一步工作六、结论与下一步工作六、结论与下一步工作六、结论与下一步工作
19、六、结论与下一步工作六、结论与下一步工作六、结论与下一步工作六、结论与下一步工作下一步工作下一步工作下一步工作下一步工作开展熔融盐在多孔介质中开展熔融盐在多孔介质中流动阻力特性流动阻力特性的研究，优化分析使得的研究，优化分析使得传热蓄热与流阻之间达到平衡。传热蓄热与流阻之间达到平衡。进一步完善斜温层混合蓄热实验样机，进行中试，进一步建立进一步完善斜温层混合蓄热实验样机，进行中试，进一步建立与完善熔盐斜温层混合蓄热器整体性能的耦合模型，使系统具与完善熔盐斜温层混合蓄热器整体性能的耦合模型，使系统具有更高的有效蓄热量。有更高的有效蓄热量。发展高温条件下发展高温条件下多孔介质输运性质的机理分析多孔介质输运性质的机理分析，也成为高温蓄，也成为高温蓄热研究的一个关键课题。热研究的一个关键课题。
