亚临界水蓄热特性的研究与探索

Water is an excellent sensible heat storage material. Nowadays, the water heat storage technology is operated under environmental pressure and low heat storage temperature, which dramatically confines the application and development of the water heat storage technology. This project put forward the idea of the subcritical water as the heat storage material for the first time. The subcritical water heat storage technology can improve the heat storage temperature up to 374.15℃, which is very suitable for the industry waste heat utilization, the solar thermal power generation and the advanced compressed-air energy storage. The project focuses on the subcritical water heat storage characteristics, reveals the flow and heat feature of the free convection and the formation mechanism of the thermal stratification inside the water tank, establishes the assessment index and system of the subcritical water heat storage performance, discloses the mixture phenomenon and energy loss mechanism in the water tank and grasp the influence law of the relate parameters on the subcritical water heat storage performance. In the aspect of application research, the project will establish the large-scale subcritical water heat storage rig to grasp the law of large-scale subcritical water heat storage performance and research its application on the advanced compressed-air energy storage system. This project could support the application and development of the subcritical water heat storage technology and make great contribution for the energy conservation and renewable energy utilization in our country.

水是一种性能优良的显热蓄热材料。目前的水蓄热技术在常压下运行，蓄热温度低，极大地限制了水蓄热技术的应用和发展。本项目首次提出以亚临界状态水作为蓄热工质的构想。亚临界水蓄热技术可以将蓄热温度提高到374.15℃，特别适用于工业余热利用、太阳能热发电和先进压缩空气储能等领域，具有十分广阔的应用前景。本项目对亚临界水蓄热特性展开研究，揭示亚临界水蓄热过程中水箱内部自然对流换热特性和热分层现象的形成机理，建立亚临界水蓄热性能评价指标和方法，揭示水箱内部流动与掺混现象及能量损失机理，掌握相关参数对亚临界水蓄热性能的影响规律。在应用探索方面，该项目将搭建大规模亚临界水蓄热实验台，掌握大规模亚临界水蓄热性能变化规律，探索其在先进压缩空气储能系统中的应用。通过本项目的研究，可以为亚临界水蓄热技术的应用和发展提供有力的支持，为我国的节能减排和可再生能源利用作出贡献。

本项目首次提出以亚临界水作为蓄热工质的构想。亚临界水蓄热技术可以大幅提高蓄热温度，特别适用于工业余热利用、太阳能热发电和先进压缩空气储能等领域，具有十分广阔的应用前景。搭建了亚临界水蓄热实验台，对不同初始温度的保温过程进行了实验研究，发现水箱内存在热分层现象。初始温度上升可以显著提升蓄热性能和蓄㶲性能。建立了亚临界水蓄热过程的数学模型及数值求解方法。通过无关性和有效性验证，证明了该数值方法可以有效地模拟亚临界水蓄热过程。开展了亚临界水蓄热过程流动传热特性研究，得到了流场、温度场等随时间的变化规律，分析了热分层现象的形成过程。结果表明，非稳态阶段的初始阶段受初始条件中温度阶跃性的影响，液相区形成热分层现象。非稳态阶段的发展阶段受水箱各部分之间温度不均匀性影响，热分层程度逐渐加强。准稳态阶段受水箱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。分析了保温过程自然对流换热的规律及机理。应用标度分析的方法，得到了边界层特征参数和热分层现象特征参数的标度表达式。建立了评价亚临界水蓄热性能的图谱，将指标进行分类比较。应用熵产方法研究了能量损失机理，发现能量损失主要是由传热熵产和摩擦熵产引起的。传热熵产主要来自于侧壁面温度边界层和水箱底部热分层区域。摩擦熵产主要来自于侧壁面流动边界层。传热熵产远高于摩擦熵产。计算并分析了工况参数变化对亚临界水蓄热性能的影响规律。开展了大规模亚临界水蓄热实验，分析了不同工况下亚临界水蓄热性能。分析了亚临界水蓄热技术对先进压缩空气储能系统性能的影响规律，发现系统效率随着蓄热水流量的增加先升高后降低。当蓄热水无量纲流量为0.75时，系统效率最高，为68.3%。本项目可以为亚临界水蓄热技术的应用和发展提供有力的支持，为我国的节能减排和可再生能源利用作出贡献。