亚临界水蓄热技术的研究

发布时间：2017-09-22 10:27

  本文关键词：亚临界水蓄热技术的研究

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【摘要】：蓄热技术可以解决能源的间歇性和不稳定性等问题,广泛应用于国民经济中的电力、钢铁、航天等行业。水是一种良好的蓄热材料,水蓄热技术是应用最广的蓄热技术之一。但是,目前的水蓄热技术是基于常压条件下的,属于低温蓄热的范畴。本文旨在将水蓄热技术的温度范围拓展至中高温范围,也就是广义上的亚临界状态。通过实验和数值模拟方法,重点研究亚临界水在保温过程中的蓄热特性及其机理。首先,本文搭建了亚临界水蓄热实验平台,最高蓄热温度为280℃,最高压力达到10MPa。对不同初始温度的保温过程进行了实验研究。结果表明：在保温过程中,水箱内液体区域存在热分层现象,气相区温度均匀,略低于液相区温度。无量纲温度随初始温度的上升而略有下降。随初始温度的上升,初始蓄热量、初始蓄(?)量、散热率、(?)损失率、蓄热效率和蓄(?)效率明显上升。随后,建立了层流自然对流条件下的数学模型及其数值求解方法。在实验和数值模拟结果对比的基础上,分析了保温过程中蓄热水箱内部流场、温度场的演变过程及各部分间的传热特性。结果表明：亚临界水的保温过程可以划分为非稳态阶段和准稳态阶段。非稳态阶段分为初始阶段和发展阶段。初始阶段主要受初始条件中的阶跃性温差影响。液相区和气相区形成热分层现象,壁面区温度快速下降。发展阶段主要受水箱各部分之间温度不均匀性影响。液相区热分层程度逐渐加强,流动逐渐减弱。气相区内热分层结构逐渐被涡旋结构占据,内部温度均匀。壁面区中部温度重新上升,内部存在轴向传热。保温过程中,保温层区温度首先从内壁面上升,逐渐向外壁面扩散。准稳态阶段主要受水箱内部与环境之间的温差影响。液相区分为顶部涡旋区、中部环流区和底部滞止区。气相区中心被大涡旋占据,右下角存在小涡旋,内部温度均匀。壁面区呈现中部温度高,两端温度低的特点,在气液交界面附近温度梯度较大。保温层区的内壁面温度高,外壁面温度低,等温线与壁面平行。根据数值模拟的结果,分析了亚临界水保温过程蓄热特性随影响参数的变化规律。结果表明：较高的初始温度有助于提高初始蓄热量、初始蓄(?)量和蓄(?)效率,蓄热效率随初温的上升先下降后上升。升高水箱长径比、壁面材料的比热和密度、壁面层厚度或者降低环境温度,有利于提高初始蓄热量和初始蓄(?)量；降低水箱长径比、壁面材料的比热和密度、保温层导热系数、对流换热系数或者提高壁面层厚度、保温层厚度,有利于蓄热效率和蓄(?)效率升高。其它参数变化对蓄热性能没有明显影响。搭建了大规模亚临界水蓄热实验平台,进行了不同工况条件下的保温实验,并且对亚临界水蓄热技术开展了应用研究。实验结果表明：在初温为150℃、液位高度为3.5m时,系统拥有最大初始蓄热量和初始蓄(?)量,分别为4.12GJ和682.7MJ。经过8小时和24小时,其蓄热效率分别为97.95%和93.81%,蓄(?)效率分别为96.17%和88.67%。初始蓄热量、散热率、初始蓄(?)量和(?)损失率随初始温度和液位高度的升高而升高。蓄热效率和蓄(?)效率随初始温度的升高而降低,随液位高度的升高而升高。以提供热量为目标时,应选择初始温度低、液位高的初始工况,此时蓄热量和蓄热效率都较高；以提供炯量为目标时,选择初始温度高、液位低的工况,其蓄(?)量较高,而蓄炯效率低；选择初始温度低、液位高的工况,其蓄(?)量较低,而蓄(?)效率高。
【关键词】：亚临界水 保温过程 热分层 流动传热分析 蓄热性能
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK11
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-20
• 主要符号表20-22
• 第一章 绪论22-50
• 1.1 蓄热的作用及意义22-24
• 1.2 蓄热方式的分类24-25
• 1.3 水蓄热技术25-29
• 1.3.1 水的蓄热特性25-26
• 1.3.2 水蓄热的应用方式26-28
• 1.3.3 水蓄热的温度范围28-29
• 1.4 国内外研究现状29-47
• 1.4.1 研究方法29-33
• 1.4.2 基础研究进展33-40
• 1.4.3 工程应用研究40-47
• 1.5 主要研究内容47-50
• 第二章 亚临界水保温过程的实验研究50-66
• 2.1 引言50
• 2.2 实验系统与主要设备50-55
• 2.2.1 实验系统50-51
• 2.2.2 主要设备51-55
• 2.3 实验内容与步骤55-57
• 2.3.1 实验内容55
• 2.3.2 实验步骤55-57
• 2.4 数据处理与误差分析57-60
• 2.4.1 数据处理方法57-58
• 2.4.2 热电阻的标定58-59
• 2.4.3 误差分析59-60
• 2.5 实验结果与讨论60-65
• 2.5.1 温度分布分析60-62
• 2.5.2 蓄热分析62-63
• 2.5.3 蓄(?)分析63-65
• 2.6 本章小结65-66
• 第三章 亚临界水保温过程的数值模拟方法66-84
• 3.1 引言66
• 3.2 数学模型66-74
• 3.2.1 模拟区域66-68
• 3.2.2 数学模型与假设68-69
• 3.2.3 初始条件69
• 3.2.4 边界条件69-70
• 3.2.5 物性70-74
• 3.3 数值计算方法74-76
• 3.3.1 控制方程组求解策略74
• 3.3.2 计算区域的网格划分方法74-75
• 3.3.3 控制方程的离散方法75
• 3.3.4 代数方程组的求解方法75-76
• 3.4 有效性验证76-83
• 3.4.1 数值有效性验证77-82
• 3.4.2 模型有效性验证82-83
• 3.5 本章小结83-84
• 第四章 亚临界水保温过程流动传热特性研究84-126
• 4.1 引言84
• 4.2 非稳态和准稳态阶段的划分84-86
• 4.3 非稳态阶段86-106
• 4.3.1 非稳态阶段流场与温度场分析86-97
• 4.3.2 非稳态阶段传热特性97-106
• 4.4 准稳态阶段106-123
• 4.4.1 准稳态阶段流场与温度场分析106-116
• 4.4.2 准稳态阶段传热特性研究116-123
• 4.5 本章小结123-126
• 第五章 系统参数对亚临界水蓄热性能的影响126-158
• 5.1 引言126
• 5.2 系统参数及蓄热性能指标126-130
• 5.2.1 系统参数的选取126-127
• 5.2.2 蓄热性能指标127-130
• 5.3 亚临界水初始温度的影响130-134
• 5.4 水箱长径比的影响134-137
• 5.5 壁面区参数的影响137-144
• 5.5.1 壁面材料物性137-141
• 5.5.2 壁面层的厚度141-144
• 5.6 保温层参数的影响144-149
• 5.6.1 保温层材料物性144-147
• 5.6.2 保温层的厚度147-149
• 5.7 环境参数的影响149-155
• 5.7.1 对流换热系数150-152
• 5.7.2 环境温度152-155
• 5.8 本章小结155-158
• 第六章 大规模亚临界水蓄热技术的研究及应用158-192
• 6.1 前言158
• 6.2 大规模亚临界水蓄热实验平台158-163
• 6.2.1 蓄热实验平台的构成159-163
• 6.2.2 蓄热实验平台的操作163
• 6.3 实验工况范围163-165
• 6.3.1 影响系统性能的参数163-164
• 6.3.2 实验工况的确定164-165
• 6.4 实验数据的处理165-169
• 6.4.1 数据处理方法的依据165-166
• 6.4.2 数据处理方法166-168
• 6.4.3 数据的无量纲化168
• 6.4.4 蓄热效率和蓄(?)效率的计算方法168-169
• 6.5 计算结果及分析169-183
• 6.5.1 水罐内的温度169-174
• 6.5.2 蓄热量174-176
• 6.5.3 蓄热效率176-178
• 6.5.4 蓄(?)量178-181
• 6.5.5 蓄(?)效率181-183
• 6.6 大规模亚临界水蓄热技术在先进压缩空气储能系统中的应用183-190
• 6.6.1 先进压缩空气储能系统简介183-184
• 6.6.2 亚临界水蓄热子系统184-185
• 6.6.3 研究内容及方法185-187
• 6.6.4 结果分析187-190
• 6.7 本章小结190-192
• 第七章 结论与展望192-196
• 7.1 结论192-193
• 7.2 创新点193-194
• 7.3 工作展望194-196
• 参考文献196-206
• 攻读博士学位期间发表的论文及获奖情况206-210
• 致谢210-212
• 作者简介21

【参考文献】

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本文编号：900297