喷淋式填充床蓄热系统理论与实验研究

As an important component of solar thermal power generation system, thermal energy storage serves as a key technology in coping with the instability of solar irradiation and bringing down power generation cost. Combining a high heat transfer efficient spray impingement technique with a packed bed filled with solid heat storage material, this project brings forward a brand new heat storage system, that is packed bed thermal energy system with spray impingement. In regard to the poor performance and low heat and exergy efficiency of thermal storage system from 200℃ to 400℃, heat transfer mechanism and the first and second laws of thermodynamics are integrated to enhance the heat exchange between heat transfer fluid and heat storage material to reduce the phase-to-phase heat transfer resistance, and to prevent the loss of heat and decline of energy grade. This project attempts to uncover the flow characteristics and heat transfer mechanism between heat transfer fluid and solid heat storage material in narrow space at mid-high temperature, and to investigate the flow characteristics and pressure drop mechanism of heat transfer fluid in packed bed under spray impingement condition, thus enriching the inner link between the flow behavior of heat transfer fluid in packed bed and the phase-to-phase heat transfer mechanism, and providing theoretical and experimental bases for the application of packed bed thermal energy storage with spray impingement at mid-high temperature.

蓄热是太阳能热发电系统的重要组成，是解决太阳辐照不稳定、降低发电成本的关键技术。本项目将具有高效换热性能的喷淋式换热技术与采用固体蓄热介质为材料的填充床相结合，提出了一种新型蓄热系统- - - - 喷淋式填充床蓄热系统。它针对200℃至400℃温度区间上蓄热系统蓄热性能差、热效率及火用效率低等关键问题，提出了强化传热工质与蓄热介质之间的换热能力、减少相间的传热阻力以防止热能损失及品位能下降的方法，将传热机理与热力学一、二定律有机结合。通过本项目研究，将揭示中高温条件下液态传热工质与固体蓄热介质两者在狭小空隙中的润湿特性及传热机理，探索喷淋条件下液态传热工质在填充床内的渗流流动特性和压降机理，丰富填充床内部液态传热工质流动特性与相间传热机理之间的内在联系，为喷淋式填充床蓄热系统在中高温领域上的应用提供理论和实验依据。

储热系统是解决太阳光照不稳定、降低发电成本的关键技术，本课题将喷淋技术与填充床储热系统相结合，提出喷淋式填充床新型蓄热系统。本课题首先对喷淋式填充床整个系统进行设计和参数优化，包括填充床的高径比、蓄热容量、经济性分析等工作。在分析整个系统后，喷淋式填充床蓄热系统需要解决喷淋均匀性、持液量、传热流体与蓄热材料之间传热、系统储热特性等问题。在喷淋均匀性方面，结合数值模拟和实验，开展了单层和双层多孔板的模拟工作，发现双层多孔板交错排列时的效果最好。提出了单体大型喷淋装置及组合型喷淋装置的设计方法及准则，并对喷淋均匀性进行可视化分析及体积重量法测量，验证了喷淋头设计方法的正确性。为了进一步验证喷淋式填充床系统的持液量对储热性能和经济性的影响，搭建了一台小型半透明的喷淋式填充床蓄热系统，开展了持液量影响机理与控制、储热特性的研究，发现导热油在填充床内部的持液量能低至0.12，证实了相比常规蓄热技术中的导热油用量可节省88%，并得到控制持液量大小的方法。同时在蓄/释热实验中，分析了填充床内部传热流体与蓄热材料之间的换热能力，具有传热温差小、斜温层效应明显等优点，验证了喷淋式填充床蓄热系统的可行性，并结合实验结果，对1MWH蓄热容量进行了经济性对比，喷淋式填充床的成本可以做到传统蓄热系统的1/3以下。并基于VOF模型，对填充床内部的固液相间传热机理进行了研究，由于填充床内部具有非流动的惰性维压气体，以及传热流体流过蓄热介质的渗流状态，提出了一种适合喷淋式填充床蓄热系统的数值方法，掌握了填充床内部的温度、压力、气液相的变化特征与相间传热特性。并基于以上分析结果，设计了并搭建了国内外首台10KW喷淋式填充床蓄热系统，并开展了超过200小时的蓄热释热实验，蓄热过程的从轴向温度分布可以看出斜温层窄，蓄热效果好。从径向的温度分布可以看出填充床内的径向截面的温度分布很均匀。通过对蓄热性能的分析，蓄热效率可达90%。同时基于多孔介质模型对实际大小的10KW喷淋式填充床的蓄热过程进行模拟，与实验结果对比，误差在5%以内，掌握了模拟喷淋是填充床蓄/释热过程的模型及分析方法，可为大型喷淋式填充床蓄热系统的设计和优化提供理论依据。根据本课题研究所得的结论，设计并开展了1MW/2MWH容量的喷淋式填充床蓄热系统的搭建工作，进一步说明了课题的研究成果对喷淋式填充床蓄热系统的大型商业化具有重要作用和价值。