耦合热管的圆柱形封装相变胶囊蓄放热特性的数值研究

发布时间：2020-07-17 15:31

【摘要】：填充床式相变蓄热器由于具有运行效率高、占地面积小、结构简单以及经济性好的优势,正日益受到国内外学术界和工业界的广泛关注。然而,由于相变材料的低导热系数,使得相变蓄热系统的蓄/放热时间较长。因此,在对比分析目前强化换热的主要技术手段的基础上,本研究针对采用热管技术强化填充床内部的传热过程进行了数值分析。本文采用ANSYS Fluent软件建立三维瞬态模型,基于集总热阻网络法(热管模型)与焓-多孔介质法(相变模型)相结合的方法分析了换热流体流动状态、热管耦合长度、换热流体种类以及发展中流动对单EPCM-HP单元蓄、放热过程的影响特性。并对发展中流动下多EPCM-HP单元阵列排布方式(顺排、叉排)对蓄/放热特性的影响进行了数值分析。在单个EPCM-HP单元的蓄热过程中,耦合热管时单元总融化时长可缩短约11.26%。换热流体流动状态对EPCM-HP单元蓄热过程影响较大。层流时EPCM-HP单元总融化时间是紊流流态下总融化时长的十多倍,且紊流中流线分布的对称性较差。随着热管耦合长度的增加,EPCM-HP单元的总融化时长减少,但其强化效果并不显著。换热流体为Therminol/VP-1导热油时单元总融化时长(1115 s)小于空气(2021 s),但当换热流体为空气时热管对单元蓄热过程的强化换热效果更加显著。与充分发展流动相比,发展中流动可缩短EPCM-HP单元融化时长约9.58%。在单EPCM-HP单元的放热过程中,耦合热管可缩短单元放热时间约13.25%;紊流流态下EPCM-HP单元总放热时间(2140 s)缩短至层流流态(11230 s)下的1/5。热管对单元放热过程的强化效果随热管耦合长度的增加而显著增加,25 mm、35 mm以及45 mm的耦合长度可分别缩短单元的放热时间约13.25%、27.04%以及42.44%。采用Therminol/VP-1导热油时单元总放热时长(4630 s)小于空气(7362 s),但采用空气时热管的强化效果更加显著。发展中流动对单元放热过程影响较小。此外,本文分析了发展中流动下多EPCM-HP单元阵列的排布(顺排、叉排)对蓄、放热特性的影响。结果表明,单元的叉排布置可明显增加换热流体与单元间的扰动,强化了热量传递过程,缩短了单元的蓄、放热时长。在叉排模型中,第二、四排单元的液相分数、温度以及蓄、放热量的变化均呈现交替增减的趋势。本文结果可为填充床系统内EPCM-HP单元的设计及应用提供参考。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK172.4;TK11
【图文】：

占比,蓄热装置,太阳能辐射,光热

■核电■风电■太阳能邋水电■火电逡逑图１－１邋２０１５年我国能源发电占比逦图１－２邋２０１３－２０３０年我国主要类型电源装机逡逑占比统计与预测逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｈｅ邋ｐｏｗｅｒ邋ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｒａｔｉｏ邋ｏｆ邋ｏｕｒ逦Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ邋ａｎｄ邋ｆｏｒｅｃａｓｔ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｍａｉｎ邋ｔｙｐｅｓ逡逑ｃｏｕｎｔｒｙ邋ｉｎ邋２０１５逦ｏｆ邋ｐｏｗｅｒ邋ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｉｎ邋Ｃｈｉｎａ邋ｉｎ邋２０１３－２０３０逡逑太阳能辐射具有间歇性的特点，太阳能辐射受到天气状况以及昼夜时间等因逡逑素的影响较大，这就导致以太阳能辐射作为动力来源的光热发电系统的电力输出逡逑会出现大幅波动，也会对整个电网系统的平稳运行带来影响。通常为了解决这一逡逑难题，在太阳能光热发电系统中会加装技术上相对成熟、成本较为低廉的蓄热装逡逑备，在日照强烈但电力需求较低时，将多余的热量储存在蓄热装置中，以避免发逡逑电量超出电网需求；而在能见度较低甚至夜间的时候，利用蓄热装置中蓄存的热逡逑量，补给动力发电设备的不足。因此蓄热器保障了太阳能热发电系统可以向电网逡逑供应稳定、灵活的电力［１］。逡逑目前

占比,电源,蓄热装置,太阳能辐射

２０１３邋２０１４邋２０１５邋２０１６邋２０１７邋２０１８邋２０１９邋２０２０邋２０２５邋２０３０逡逑■核电■风电■太阳能邋水电■火电逡逑图１－１邋２０１５年我国能源发电占比逦图１－２邋２０１３－２０３０年我国主要类型电源装机逡逑占比统计与预测逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｈｅ邋ｐｏｗｅｒ邋ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｒａｔｉｏ邋ｏｆ邋ｏｕｒ逦Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ邋ａｎｄ邋ｆｏｒｅｃａｓｔ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｍａｉｎ邋ｔｙｐｅｓ逡逑ｃｏｕｎｔｒｙ邋ｉｎ邋２０１５逦ｏｆ邋ｐｏｗｅｒ邋ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｉｎ邋Ｃｈｉｎａ邋ｉｎ邋２０１３－２０３０逡逑太阳能辐射具有间歇性的特点，太阳能辐射受到天气状况以及昼夜时间等因逡逑素的影响较大，这就导致以太阳能辐射作为动力来源的光热发电系统的电力输出逡逑会出现大幅波动，也会对整个电网系统的平稳运行带来影响。通常为了解决这一逡逑难题，在太阳能光热发电系统中会加装技术上相对成熟、成本较为低廉的蓄热装逡逑备，在日照强烈但电力需求较低时，将多余的热量储存在蓄热装置中，以避免发逡逑电量超出电网需求；而在能见度较低甚至夜间的时候，利用蓄热装置中蓄存的热逡逑量，补给动力发电设备的不足。因此蓄热器保障了太阳能热发电系统可以向电网逡逑供应稳定、灵活的电力［１］。逡逑目前

示意图,太阳能热发电系统,示意图,定日镜

光镜的焦点处。塔式系统的集热装置由两部分组成：定日镜和接收塔。定日镜的逡逑安装方位角度不同，其目的是可以反射利用不同方位角的太阳能辐射。三种形式逡逑的热电站系统如图１－３所示。三种形式的太阳能光热发电系统由于自身集热技术的逡逑不同，系统可以达到的工作温度范围以及对太阳能的集热效率也有很大差异。表逡逑１－１为三者系统的性能比较。塔式太阳能系统由于较高的能量利用率、较高的聚光逡逑倍率、较小的集热装置占比等优势，成为最具商业价值的发电方式。本文以塔式逡逑太阳能电站为背景进行后续研究。逡逑槽式集热场逡逑NNNN＿邋Ｉ碰蓄热装置逡逑逦！汽轮机逡逑ｘ邋ｘ逦ｂ逡逑ＪＵＵＵ逦交换装Ｓ邋”逡逑＾邋￣冷凝器逡逑５：彡邋Ｘ邋ｉＳ：邋５５邋５：邋｛邋＾逦“逦一Ｉ一厂逡逑Ｉ邋ｉ＿０ｉｒ逡逑十十十十％翻热装岅逡逑ａ）槽式系统逡逑３逡逑

【参考文献】