高温熔盐在多孔介质填料床蓄热过程中的传热特性和机理研究

This project study the thermal storage new technology of solar thermal utilization as the application background and propose two thermal storage methods namely high temperature molten salt packed bed sensible and phase change storage system. The project aims to improve thermal storage unit capacity, increase the charging/discharging efficiency and reduce manufacturing costs to carry out theoretical and experimental research, to reveal the mechanism of the applicability conditions for the local thermal equilibrium model and local non-thermal equilibrium model of porous media during the charging/discharging process, to determine the thermal conductivity dispersion effect and the viscous dissipation effect on the heat transfer and flow performance, to construct the performance evaluation methods for the high temperature molten salt packed bed storage system in order to provide the basis for the system design and the choice of material, and to create a more accurate and comprehensive multi-field coupling mechanism mathematical model for the phase change thermal storage system and study the convective heat transfer and phase change heat transfer coupling phenomenon during the flow process by theoretical description and experimental research. Through the combination of theoretical analysis, numerical simulation and experimental research methods, the laws of flow and heat transfer performance are obtained, providing theoretical and engineering reference basis for large-scale use of high-temperature thermal energy storage technology.

本项目以研究太阳能中高温热利用中的蓄热新技术作为基础研究的应用背景，提出了高温熔盐多孔介质填料床显热蓄热和相变蓄热两种蓄热系统，以提高蓄热系统单位容积蓄热量、提高蓄放热效率和降低制造成本为目标开展理论和实验研究。从机理上揭示出蓄放热过程中多孔介质局部热平衡与局部非热平衡模型的适用性条件，确定导热弥散作用、粘性耗散作用等对传热与流动性能的影响。构建起评价高温熔盐多孔介质填料床系统蓄热性能的评价方法，为蓄热系统的设计和材料的选择提供依据。对相变蓄热系统建立更加准确完善的多场耦合机制数学模型，对流动过程中的对流传热和相变传热耦合现象进行理论描述和实验研究。通过理论分析、数值模拟和实验相结合的研究方法，得到填料床蓄放热过程中流动与传热性能的影响趋势与作用规律，为规模化利用高温蓄热技术提供理论和工程参考依据。

本项目以研究太阳能中高温热利用中的蓄热新技术作为基础研究的应用背景，提出了高温熔盐多孔介质填料床显热蓄热和相变蓄热两种蓄热系统，以提高蓄热系统单位容积蓄热量、提高蓄放热效率和降低制造成本为目标开展理论和实验研究。项目从蓄热系统的蓄热量、蓄热系统的熵产、基于出口温度定义的蓄热效率、和基于斜温层厚度定义的蓄热效率对蓄热系统的性能进行了定义和研究，对主要影响蓄热效率和可用能损失的填充介质的物性进行了比较分析。结果表明，当填充材料具有较大的单位体积热容时，系统的最大蓄热量、蓄热效率较高，但完成蓄热所需要时间也更长，不可逆损失较大；当填充材料具有较大导热系数时，系统的蓄热效率较低，同时系统的熵产也较大，不易作为填充材料。项目对换热过程中熔盐和蓄热材料之间的传热温差进行了研究，分析了传热温差随蓄热时间、蓄热材料的密度、导热系数、空隙率和熔盐的速度等参数的变化规律。针对斜温层的稳定性进行了研究，对充放热过程中熔盐的流动方向、熔盐的密度和粘度对粘性指进的影响进行了详细的理论分析。在实际充放热过程中，应遵循热流体位于冷流体上方，粘度大的流体置换粘度小的流体的原则，如粘度小的流体置换粘度大的流体时，应注意不能超过临界流速。针对高温填料床相变蓄热进行了研究：采用导热油为流动传热介质，高温蓄热球采用NaNO2作为相变材料，对蓄热过程进行了数值计算分析，得到了不同蓄热时刻下相变材料和传热流体的温度分布、不同位置处相变材料的温度随着时间的变化规律、蓄热量随着时间的变化等一般规律。本项目的实施对应用于太阳能热发电或工业生产中的中高温蓄热系统在理论和实际应用上具有重要的研究价值。