高温储能系统的传热强化和参数化研究.pdfVIP

第29卷 第6期 太 阳 能 学 报 Vo1．29，No．6 2OO8年6月 ACIlA ENERGIAE S0LARIS S】【NICA Jtm．．20o8 高温储能系统的传热强化和参数化研究 郭茶秀，魏新利，刘 宏，王定标 (郑州大学化工学院，郑州 450001) 摘 要：提出了采用石墨片以强化高温潜热储能系统传热的新结构，并用Fluent软件模拟了该储能系统在释能过 程中的瞬态二维传热问题。最后，对影响该潜热储能系统性能的几何和热力参数进行了参数化研究。计算结果表 明高温潜热储能系统中增加石墨片能有效地强化传热，并利用计算结果可为高温潜热储能系统进行性能优化设 计。 关键词：相变材料；传热强化；数值模拟；相变存储 中图分类号：TK512．4 文献标识码：A 30W，(m·K)的复合材料 ；③采用翅片管以增加传 0 引 言 热面积。如s口anow 6 等对相变材料在纵向垂直翅管 使用相变材料(PCM)的潜热储能系统其储能密 外部的凝固进行了试验研究，发现传热速率比非翅 度大，并且在储能和释能过程中近似为等温过程。 片管大大加快；Choi和Kiml7 研究结论是双翅片管 本文研究的高温潜热储能系统(HTLHTES)，是为了 内相变材料MgCl2·6I-I2O的传热速率系数是光滑管 应用于采用直接蒸汽发电(DSG)技术的太阳能热力 的3．5倍；Velraj 等通过试验和基于焓经验公式的 发电系统，使之在无日照时也能正常运转。储能系 模拟，得到了内翅片管对相变材料传热的影响，认为 统的工作原理是：管内的水，蒸汽为传热介质，在储 增加翅片数量／7,对储能系统非常有利，并且发现内 能过程中，曲集热器来的蒸汽在储热器中冷凝，释放 翅管中相变材料的凝固时间是无翅管的1／n。 出的冷凝热使相变材料融化；而在释能过程中相变 在前人研究的基础上，针对高温相变材料的特 材料凝固，释放出的相变热使水变成蒸汽(饱和温度 点，本文提出了采用膨胀石墨结构以强化储能系统 为19o～310℃)。考虑相变材料价格等因素，最适合 的放热过程，并进行数值模拟以说明其强化传热效 应用于高温潜热储能系统中的相变材料是硝酸盐、 果。采用石墨新结构的优点在于：①膨胀石墨的导 亚硝酸盐(如I．iN()3、KNO3等)或它们的共晶混合物。 热系数高(25oW，(m·K))；②膨胀石墨片非常薄 但由于这类盐的导热系数通常都低于O．5 W／(m· (1mm)，占的空间小，不会影响储能密度；③使用石 K)，所以设计高效实用的高温潜热储能系统仍非常 墨片不会在高温储能系统中引人新的腐蚀。 困难，因为相变材料的导热系数对储能器的面积和 1 分析模型 性能有很大影响，尤其是在凝固过程中，主要传热方 式是热传导 1 ]。所以，为了设计高效地潜热储能系 图1为本文提出的管壳式高温潜热储能系统示 统，有必要采取强化传热措施，以弥补低导热系数所 意图。石墨片垂直安装于蒸汽管的轴线方向，相变 引起的传热热阻大的缺点。 材料I(N ．NaNO~在管外和石墨片之间，传热流体水 在以往的研究中，很多学者主要针对低温相变 ，蒸汽在半径为 r 的蒸汽管内流动。由于蒸汽管交 材料的强化传热进行了大量研究，提出的方法有：① 错排列，所以在管子之间存在一个半径为r 的对称 在相变材料中置人导热系数高的材料，或将相变材 圆(图1中虚线所示)，对称圆上各处的热流为零。 料封装成PCM微粒b ；②制成导热系数高达20～ 又由于该结构是对称的，因此，可把系统简化为图2 收稿日期：2006-12．21 基金项目：德国联邦教研部项目(O3s呦 A．F) 通讯作者：郭茶秀(1968一)，女，博士、副教授，主要从事储能及太阳能