多尺度結構高溫混合蓄熱的熱過程特性及強化機理

《多尺度結構高溫混合蓄熱的熱過程特性及強化機理》是依託東莞理工學院，由尹輝斌擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：多尺度結構高溫混合蓄熱的熱過程特性及強化機理
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：尹輝斌
• 依託單位：東莞理工學院

項目摘要

本項目以太陽能高溫熱轉換利用作為基礎研究的套用背景，提煉出開發高溫蓄熱技術所需解決的多尺度結構中多相流體流動行為與耦合傳熱傳質規律的關鍵科學問題，作為研究目標。採用熔融鹽作為傳熱蓄熱介質，構建多尺度結構斜溫層混合蓄熱方法及系統，研究多尺度結構中傳熱蓄熱介質流動與熱交換規律。以結構尺度、孔隙分布和微弱現象影響區域為重點考慮，確定傳遞現象、各種微弱效應現象與多尺度因素的耦合關係，深入探悉多孔微細結構內多相多物系界面遷移特性，揭示微結構形成、穩定性條件和結構突變對多孔蓄熱材料中熔融鹽輸運過程的影響機理和耦合作用規律，確定多孔蓄熱材料微結構與巨觀輸運特性之間量化關係，發展多孔蓄熱材料微結構可控的設計與製備新技術，探索強化蓄熱過程傳熱傳質機理與方法，實現對高溫蓄熱過程巨觀現象的理論預測以及過程工程設計的一般方法。

結題摘要

本項目以太陽能高溫熱轉換利用為套用背景，以斜溫層蓄熱單罐設計理念為基礎，採用混合硝酸熔融鹽作為傳熱蓄熱介質，鋯質蓄熱球與泡沫碳化矽陶瓷兩種代表性的多孔介質填料作為固體蓄熱體，構建了多尺度結構斜溫層混合蓄熱方法及系統。實驗研究了多尺度結構中熔融鹽的流動與蓄熱特性，包括溫度場分布、斜溫層的形成與演化、有效蓄熱容量等，確定流體進口速度、蓄熱溫差等工況參數對熔融鹽在多尺度結構中流動與傳熱性能的影響趨勢與作用規律。研究結果表明，由於斜溫層的存在，三種實驗蓄熱方式中的理論蓄熱效率小於80%；多孔介質填料的加入有利於保持熔融鹽流體為理想的重力流或活塞流，並部分替代價格較高的熔融鹽傳熱蓄熱介質，因而採用類似的球形顆粒或泡沫陶瓷多孔介質填料時需要結合系統的蓄熱容量以及經濟性進行最最佳化設計。 基於多孔介質局部熱平衡理論，建立考慮流體熱物性變化的斜溫層蓄熱數值模型，利用Fluent軟體對熔融鹽斜溫層混合蓄熱與放熱過程進行了數值分析，研究多孔介質物性、孔隙結構以及工況參數等對多尺度結構中熔融鹽傳熱與流動的影響規律，並根據蓄熱實驗測試結果驗證數值計算模型的有效性。結果表明，在蓄熱及放熱過程中，蓄熱單罐內均形成了穩定的斜溫層，並且隨著時間的推移，斜溫層的位置沿熔融鹽流動方向移動，其厚度不斷增加，但增加量逐漸趨緩；採用合理的低流速進行高溫蓄熱可以控制斜溫層的形成及演化，從而提高系統的蓄熱效率。比較數值計算結果與實驗結果可知，其溫度場、斜溫層等特徵參數的分布及變化規律是基本一致的，最大相對偏差值為13.9%，說明基於多孔介質局部熱平衡理論建立的計算模型對於描述多尺度結構中熔融鹽流動與傳熱現象是適用的。 探索強化蓄熱過程傳熱傳質機理與方法，最佳化設計多尺度結構熔融鹽單罐蓄熱系統。設定一種體積熱容（ρcp）高於熔融鹽的球形顆粒填料，在指定工況下對蓄熱過程進行數值模擬。對比分析可知，其蓄熱時間相比於熔融鹽單相流體斜溫層蓄熱方式有較明顯的延長，即提升了系統的有效蓄熱體積容量，估算其增幅約為17%；同時在整個蓄熱過程中，新設定系統的斜溫層厚度與增長速率均低於熔融鹽單相流體斜溫層蓄熱方式。因此，通過對斜溫層混合蓄熱系統的多孔介質填料進行性能提升或者結合熔融鹽複合相變材料蓄熱方式，可以實現對蓄/放熱過程斜溫層的形成及演化進行最佳化調控，從而提高系統的蓄熱效率，這也為下一步的研究工作指明了努力的方向。