填充床熔盐相变蓄热器热-力耦合机制及其动态失效机理研究

The packed-bed phase thermal energy storage with high heat storage density and low cost has extreme application prospect, however, the phenomenon of “thermal ratcheting” stress failure exists in packed-bed which bring huge hidden danger to the safe operation of the solar tower system. Thus, the coupled thermal-stress process and dynamic failure of packed-bed molten salt phase thermal energy storage are investigated in this project. Firstly, the thermal stress test platform of high-temperature molten salt packed-bed phase thermal energy storage is built, and experimental studies on dynamic thermal stress characteristics of multiple charging/discharging heat cycles are carried out, and the plastic damage mechanism of the heat storage tank is researched. Secondly, based on the Finite Volume Method and Finite Element Method, a coupled model of thermal-stress process under multiple factors synergistic action is numerically established, and the validity and reliability of coupled model is experimentally verified, then the heat storage and stress performances are numerically investigated. Finally, based on the thermal-stress coupling model, the dynamic characteristic of thermal stress in life cycle is numerically studied, and an evaluation method for effectively predicting operation life is proposed.

高储热密度、低成本的填充床相变蓄热器存在“热棘轮”应力失效现象，给塔式太阳能热发电站安全运行带来极大隐患。本项目拟开展填充床熔盐相变蓄热器热-力耦合机制与动态失效机理的关键科学问题研究。首先搭建高温熔盐填充床相变蓄热器热应力测试平台，开展多个蓄/放热循环周期热应力动态分布特性实验研究，揭示蓄热罐“热棘轮”现象产生机理与塑性损伤机制；然后，基于有限容积法与有限元法，建立多因素协同作用下热-力耦合数值分析模型，并实验验证热-力耦合模型的有效性与可靠性，分析运行与几何参数对热-力耦合特性的影响情况；最后基于热-力耦合模型，探讨生命周期内热应力动态分布规律，明晰有效防止蓄热器应力失效调控机制，并提出耦合条件下多因素协同作用的有效预测蓄热器寿命的评估方法。

高储热密度、低成本的填充床相变储热器在高温度、多循环、长周期的运行过程中存在蠕变与应力导致的动态失效现象，给太阳能热发电站的安全运行造成极大隐患，为此，本项目开展了填充床熔盐相变储热器热-力耦合机制与动态失效机理的关键科学问题研究。首先，基于有限容积法与有限元法，开发了储-放热循环下多因素协同作用的热-力耦合数值方法，并实验验证了热-力耦合模型的可靠性，实现了填充床相变储热器热与力学性能的准确预测；接着，在综合考虑阶梯变壁厚、罐底板、边缘板与大角焊缝等关键结构与应力荷载的基础上，进一步完善了热-力耦合模型，研究了多循环下典型321/347H材质储罐的高温蠕变与机械性能；然后，探讨了关键参数对蠕变与应力性能的影响情况，揭示了设计寿命期内蠕变与应力协同作用下储热器的动态失效规律，并提出了耦合条件下储热器蠕变损伤寿命的评估方法；最后，构建了小球径-低熔点与大球径-高熔点的单层储热结构，提出了沿流动方向增大相变颗粒熔点与直径的新型双层填充床储热结构，并考察了不同填充结构对相变储热器动态蠕变损伤时间与机械应力性能的影响情况。结果表明：(1) 储-放热过程中，储热器各壁板均会产生高温导致的蠕变损伤现象，且蠕变损伤性能受冷/热流体运行方式影响显著，设计寿命期内储热器顶端壁板的蠕变损伤时间最大，是最底端壁板的4.7倍，极易造成蠕变断裂；(2) 储热器应力性能受壁面温度梯度影响显著，储热结束时刻较大的温度梯度易导致较高的峰值应力；(3) 储-放热过程中，大部分壁板均处于低应力水平的弹性状态，但底端壁板的大角焊缝位置易出现应力集中导致的塑性损伤现象；(4) 采用变球径-变熔点的双层填充床储热结构，有助于同时降低壁面峰值应力与蠕变损伤时间。本项目的研究成果可为高温熔盐填充床相变储热器的结构设计与性能优化提供理论基础，并为热能安全存储新技术的开发提供借鉴。