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作者：蔚清盛华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

能源危机日趋严重,开发和利用太阳能已成为全球能源战略的重要组成部分。为了解决太阳能的波动性和间歇性问题,太阳能热发电系统需集成储热系统。储热系统有利于提升太阳能利用效率,调节电力供需平衡,并保证电力系统安全、稳定运行。熔... 详细信息

能源危机日趋严重,开发和利用太阳能已成为全球能源战略的重要组成部分。为了解决太阳能的波动性和间歇性问题,太阳能热发电系统需集成储热系统。储热系统有利于提升太阳能利用效率,调节电力供需平衡,并保证电力系统安全、稳定运行。熔盐由于其优异的化学稳定性、低蒸汽压力、低毒性以及低成本,是光热发电的最常用传热和储热介质。然而,熔盐相对较低的热导率和比热容阻碍了太阳能热发电系统的降本增效。向熔盐中添加纳米颗粒是强化其热物性的有效途径。然而,目前研究者对熔盐基纳米流体的导热、储热机理和调控机制仍缺乏深入认识。本文针对熔盐基纳米流体的热物性开展了系统性研究,以期为光热熔盐的设计以及性能调控提供原理和参数。本文通过分子动力学模拟和辅助性实验研究了熔盐基纳米流体导热和储热性能。分析了均方根位移、扩散系数、局域热流、原子数密度、颗粒(动能项、势能项和碰撞项)和基液的贡献、范德瓦耳斯能/库仑能/键能/角能的贡献,对传统的纳米流体热输运机理(包括颗粒布朗运动、基液微对流和基液界面层)进行验证,并从材料组分,热通量波动模式和势能贡献的新颖角度进一步揭示纳米颗粒影响熔盐热输运的微观物理本质;同时,基于不同温度下的原子径向分布函数、原子数密度和声子态密度分析,从纳米颗粒、基液及二者间相互作用三个方面全面揭示熔盐基纳米流体的微观储热机理。此外,探讨了环境温度、颗粒种类和质量分数对熔盐基纳米流体热物性的影响规律。研究结果表明,添加Al2O3纳米颗粒有效提升太阳盐热导率,颗粒质量分数10 wt.%时,热导率提升幅度达到40.3%;添加Al2O3、SiO2纳米颗粒或碳纳米管均可显著提升三元碳酸盐比热,温度为808～833 K时,比热提升幅度最高达41.2%。导热机理方面,纳米颗粒的布朗运动以及基盐的微对流、基液界面层、界面层和颗粒之间界面热阻以及体系库伦势能均与热导率提升无关;熔盐基纳米流体的热流主要集中在颗粒上,其高热导率是由纳米颗粒贡献,且纳米颗粒热流中的对流项和原子间相互作用项对热导率的贡献几乎相同;熔盐基纳米流体能量中的势能项、动能项以及碰撞项对热导率的贡献与纳米颗粒的质量分数有关,当颗粒质量分数较小时,热传导主要由碰撞项主导,当颗粒质量分数较大时,势能和碰撞项共同作用于纳米流体的热传导。储热机理方面,纳米颗粒表面的高自由度和高表面能、体系离子的间距变化以及颗粒和基液之间的界面热阻均不是比热提升的主要原因;熔盐基纳米流体的比热容增加主要归因于基液界面层存在,且温度越高,界面层越厚,比热容提升幅度越大。此外,随着纳米颗粒质量分数的增大,Al2O3颗粒-太阳盐纳米流体热导率增加。相较于添加Al2O3或SiO2颗粒,三元碳酸盐中添加碳纳米管对比热提升效果更佳。与纯碳酸盐相反,碳纳米管-碳酸盐纳米流体的比热随温度升高而逐渐降低。Al2O3-碳酸盐纳米流体以及SiO2-碳酸盐纳米流体的比热随温度变化出现先升高后降低的趋势。本文研究结果为开发新型传热储热介质奠定科学基础,并有助于促进太阳能热发电降本增效。

关键词：熔盐纳米流体热导率比热容分子动力学

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工作温度对高温碳酸熔盐热物性的影响

引用

工程热物理学报 2023年第7期44卷 1912-1917页

作者：蔚清盛崔柳卢玉鑫李广瑞魏高升杜小泽新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京102206 华北电力大学电站能量传递转化与系统教育部重点实验室北京102206

熔融盐由于具有工作温度高、蒸气压力低、热稳定性良好等优势,在集中式太阳能热发电系统中可作为传热和蓄热工质。工作温度对熔盐的传热蓄热性能具有显著影响。本文利用分子动力学模拟方法研究了温度对二元混合碳酸盐(K_(2)CO_(3):Li_(2... 详细信息

熔融盐由于具有工作温度高、蒸气压力低、热稳定性良好等优势,在集中式太阳能热发电系统中可作为传热和蓄热工质。工作温度对熔盐的传热蓄热性能具有显著影响。本文利用分子动力学模拟方法研究了温度对二元混合碳酸盐(K_(2)CO_(3):Li_(2)CO_(3)=38.0:62.0,摩尔分数)热导率、黏度、比热容及热扩散系数的影响。结果表明,随着温度升高,熔盐的热导率和黏度均降低,比热容和热扩散系数均增加。进一步分析径向分布函数发现,温度升高导致离子间距变小,熔盐结构变得更为紧凑,使得热导率和黏度均下降。温度越高,离子间碰撞越剧烈,因而能传输更多的热量导致热扩散系数增大。本文对高温熔盐热物性的研究可为光热发电蓄热技术发展提供指导。

关键词：熔盐热导率黏度比热容热扩散系数

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