一体式光热吸储单元热特性数值研究

作     者：罗显峰 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王军

授予年度：2021年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：二次反射塔式系统 腔体吸收器 填充床储热 斜温层 数值模拟 

摘      要：吸热器与储热器是聚光太阳能热发电系统的重要部件,而一体式光热吸储单元结合这两个部件的功能于一体,可起到减少系统复杂性及降低成本的作用。本文研究对象是一种应用于二次反射塔式系统的一体式光热吸储单元,该吸储单元由腔体吸收器与岩石填充床储热器组成,传热流体为空气。应用Fluent软件,采用标准k-ε湍流模型及多孔介质模型,开展了储热8 h与放热16 h的24 h连续运行过程模拟,从流场分布特征、温度场分布特征及综合热性能入手,研究了典型工况热特性,分析了回流管道出口离地高度H、循环风机压差?p及岩石颗粒平均直径d对热特性的影响。主要研究内容及结论如下:(1)研究了典型工况下填充床内部温度分布及其随时间变化的特征。结果表明:储热过程中填充床轴向上存在斜温层,斜温层内部存在平衡节点,平衡节点到填充床吸热表面的距离随着时间的增大而增大;储热过程中回流管道入口上方填充床内部岩石径向温度分布不均匀,斜温层未到达回流管道时,沿径向向外温度总体先下降后升高,斜温层到达回流管道后,沿径向向外温度总体升高;放热过程中,随着时间的增大,斜温层逐渐向出口移动,且空气出口温度呈下降趋势。(2)研究了H、?p及d对储热时流场分布的影响。结果表明:典型工况下,回流空气流入腔室后在流往轴线的过程中分为两部分,一部分向上流动并与自腔室顶部开口流入的环境空气交汇,另一部分向下流动并以不同的速度方向流过填充床吸热表面;H增大,回流空气垂直流过填充床吸热表面的位置向轴线靠拢;?p减小,回流空气流速减小,?p过小时,除了回流空气流入填充床,腔室顶部开口流入的环境空气也会直接流入填充床;d增大,回流空气流速增大,但是腔室内空气流动方向基本无变化。(3)研究了H、?p及d对储热时温度场分布的影响。结果表明:H或?p越大,或者d越小,回流管道入口上方填充床内部岩石径向温度分布越均匀;H越大,斜温层厚度越大,而平衡节点到吸热表面的距离不变;?p增大,斜温层厚度减小,而回流空气流过的区域中平衡节点到吸热表面的距离不变,若有环境空气流入填充床,则环境空气流过的区域中该距离远大于回流空气流过的区域;d越大,斜温层厚度与平衡节点到吸热表面的距离都越大。(4)研究了H、?p及d对综合热性能的影响。结果表明:典型工况下放热平均温度、放热波动温差、吸收效率、储热效率、放热效率、综合储放热效率及光热效率分别为626 K、450 K、87.7%、97.6%、77.3%、75.4%及66.2%;随着H的增大,放热波动温差减小;随着?p的增大,放热平均温度、放热效率、综合储放热效率及光热效率都先增大后减小,而放热波动温差先减小后增大;随着d的增大,放热平均温度、放热波动温差及吸收效率都减小,而放热效率与综合储放热效率都先增大后几乎不变。