碟式斯特林热发电熔融盐储热装置及储热腔腐蚀行为研究

发布时间：2020-05-30 14:13

【摘要】：以碟式聚光器聚焦的太阳能为热源的斯特林热发电系统称为碟式斯特林热发电系统。它具有效率高、无污染、结构灵活等优点,适宜为空间站及山区、边防哨等偏远地区提供大功率电力。但太阳能具有间歇性特点,在乌云遮挡期和太阳落山后(或地球轨道阴影期),直射辐射中断,系统输出功率降低,甚至直接停机。针对这一问题,美国宇航局(NASA)等单位以空间站太阳能热发电系统为对象,已经研究了熔融盐高温相变储热装置。与空间站条件相比,地面上具有乌云出现随机、持续时间不确定等特点；为了民用和大面积推广,还希望系统功率大、成本低。所以,针对在地面上工作的碟式斯特林热发电系统,需要研发一种新型熔融盐高温相变储热装置。目前国内外研究尚属空白。本文以现有的单缸和多缸碟式配气活塞斯特林热发电系统为基础,以民用为目标,侧重于成本、大功率等方面的考虑,设计了地面碟式斯特林热发电系统用熔融盐高温相变吸热储热装置。结合钠热管优点,改进得到了一种碟式斯特林热发电系统高温热管吸热储热装置结构。另外,为了减小对储热腔材料高温力学性能的要求,提出了热封装工艺,以便延长吸热储热腔使用寿命,提高设备运行安全性。与NASA设计的空间站储热装置相比,本装置的材料成本降低了35.6%。为了分析设计的吸热储热装置性能,优化结构参数,以Fluent CFD软件为平台,研究了吸热储热腔周围的空气无强迫对流时,吸热腔结构(光圈型、风裙型和开口型)、参数(高度、直径、入光孔尺寸)和安装倾角对储热腔及其周围空气的温度场、辐射场、压力场和空气自然对流场的影响规律；分析了这些因素与吸热腔内壁辐射热流密度、温度分布关系。结果表明,吸热腔高度和内径对腔体内壁辐射热流密度、温度及其均方差影响很大,推荐了最优高度和内径关联式；三种结构吸热储热腔辐射场、温度场特征相似,并且周围空气均发生了复杂的自然对流现象,在储热腔外壁附近形成最大流速约1.5m/s的高速空气带；光圈型吸热储热腔结构最佳,并且应采用半锥角为30°的圆锥形反射器；吸热腔内壁平均辐射热流密度和平均温度随光圈直径增大呈指数规律降低；吸热腔倾角在[-π/4,π/4]范围时热损失较低；腔内压强梯度明显,腔体周围压强分布均匀。讨论了环境风强迫对流作用下,风速、吸热腔倾角对吸热储热腔及周围空气的辐射场、温度场、压力场和强迫对流场的影响。腔体内压强比较均匀,基本完全是对流区；腔体外迎风侧呈正压,背风侧压强较低,并且形成了巨大的流动漩涡,自然对流特征消失。揭示了风速和吸热储热装置倾角对吸热腔内壁温度的影响规律。对于任一风速,θ∈[-π/2,π/4]时,吸热腔内壁平均温度随吸热腔倾角增加而增加；0=-π/4时,对流热损失最小。然后,分析了吸热储热装置热损失计算公式。熔融盐相变吸热储热装置的核心是储热介质。归纳了地面碟式斯特林热发电储热介质选择标准,整理了熔点在100℃～1000℃之间熔融盐数据,筛选出NaCl、 NaF-60%KF和NaF-22CaF2-13MgF2三种无机盐作为高温相变储热介质。针对熔融盐储热介质部分关键参数测量装置复杂,操作麻烦等缺点。研发了测量材料熔化体积变化率的“自加热型探针装置和测量方法”和测量无机盐导热系数的装置。以分析纯NaCl、LiF-CaF2等材料为试样,测量结果与报道值或计算机模拟值一致。将熔融盐储热介质盛装在本文设计的吸热储热装置中,并与现有碟式斯特林热发电系统结合,才能实现其价值。所以,结合地面民用特殊性,为了避免现有储热方案“过等待”和“过烧”问题,提供了“两级变能集热储热方案”,分析了集热、储热和用热能量平衡关系。并采用C语言,在Vc++2012平台上设计了“多缸双作用双曲轴碟式斯特林发动机熔融盐相变储热系统设计程序”,它集斯特林发动机结构设计、运行特性分析、储热介质选择、吸热储热装置设计、热损失分析、重量分析、成本预算等功能于一体。采用该程序设计了40kW和20kW熔融盐储热碟式斯特林热发电系统,其中发动机系统的关键参数与文献报道值一致；展示了曲轴转角与容积、压强关系图,P-V图,也与报道值相同。采用的算法收敛性好,计算效率高。该程序降低了系统设计人员的工作强度,有助于提高设计效率。熔融盐对储热腔材料的腐蚀是该吸热储热装置最关键的问题。为了明确储热介质NaCl对腔体材料的具体腐蚀行为,选取Fe基、Cr基、Ni基、Co基各一种代表性合金和Fe-24.4wt.%Al合金作为储热腔体材料,揭示了它们在850℃熔融NaCl中短期(15h)和长期(192h)腐蚀特征,分析了主要元素对其耐蚀性的影响。结果表明,试验的五种腔体材料均满足线性腐蚀规律；Cr基试样单位表面积单位时间内质量损失率最大,Fe-24.4wt.%Al试样质量损失率最小。腐蚀15h后,Fe基和Fe-Al试样腐蚀特征不明显,Cr基试样表现出明显的晶间腐蚀特征,但α和γ相分布均匀；Ni基试样腐蚀特征也不明显,但距试样表面约15μm范围内Cr严重贫化,Fe和Ni元素含量变化不大；Co基试样表面形成厚约12μm的层状疏松腐蚀层。腐蚀192h后,Fe基试样表现出非均匀腐蚀特征,腐蚀层附近基体中Cr元素含量严重降低,其余试样均表现出均匀腐蚀特征；Co基试样在整个范围内均发生了严重的晶间腐蚀；Fe-Al试样表面形成了A1203,没有Fe的氧化物；并且由于A1的贫化,在靠近腐蚀层的基体中生成了新相。合金中的Cr元素以气体CrCl3的形式逃逸系统是导致试样质量损失率增大的主要因素。所以,NaCl储热容器材料中应当避免添加Cr元素。本研究为在地面工作的熔融盐储热碟式斯特林热发电系统产业化奠定了理论基础,提供了技术支持。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK512

【参考文献】