雙PCM蓄熱體 曹皖皖
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一種新型雙PCM蓄熱體的數值研究結構
以無機鹽和金屬合金填充為PCM
摘要
本文提出了一種以無機鹽和金屬合金為填料的新型雙pcm TES結構。管在無機鹽PCM中嵌入金屬封裝的PCM，既可作為蓄熱材料，又可作為蓄熱材料用於從無機鹽PCM中快速存儲或釋放熱量的傳輸增強單元。通過比較加固效果金屬PCM和固體金屬，金屬PCM對TES儲罐有明顯的強化作用。數值模擬結果表明插入金屬PCM封裝的高導熱管後，TES罐的充電時間為明顯減少了。溫度和流線分佈表明，液態金屬中的自然對流速度較快將熱源的熱量傳遞到低溫無機鹽中，金屬PCM的強化效果優於固體金屬。
關鍵詞:PCM;測試工程師;數值研究;蓄熱;蓄熱體;
1. 介紹
太陽能熱發電技術與其他應用相比，CSP技術相對成熟，成本相對較低，熱電轉換部分與傳統的熱電機組相同。因此,它是尤其適合大規模集中火力發電，是最有前途的一種可再生能源發電形成。此外，CSP還可以解決能源供應不匹配的問題電力需求，這通常是遇到的其他可再生能源技術，通過整合熱能儲能(TES)系統。主要的CSP電站及其儲能系統如表1所示。主要有三個方面儲能技術的技術路線:感熱儲能、潛熱(相變)儲能和化學儲能蓄熱。
表1 主要CSP電站蓄熱系統概述
CSP項目 國別 安裝容量(MW) TES容量
Andasol 1-3 ESP 槽50*3 7.5小時雙槽熔鹽蓄熱
淨化1A-1B ESP 槽50*2 8小時雙槽熔鹽蓄熱
Arcosol 50 ESP 槽50 7.5小時雙槽熔鹽蓄熱
Manchasol 1-2 ESP 槽50*2 7.5小時雙槽熔鹽蓄熱
Kaxu太陽能一號 RSA 槽100個 2.5小時雙槽熔鹽蓄熱
索拉納 美國 槽280 6小時雙槽熔鹽蓄熱
阿基米德塔 槽5 - 8小時雙槽熔鹽蓄熱
Gemasolar ESP 塔20 - 15小時熔鹽蓄熱
PS20 電除塵器塔20 1小時蓄熱
美國新月沙丘塔110號 10小時熔鹽蓄熱
表1 蓄熱器的實際尺寸和結構
目前，廣泛應用的PCMs主要包括無機鹽、無機金屬和有機材料。無機鹽具有較高的相變溫度和相對穩定的熱物性，但其熱物性較差無機鹽的導熱係數通常較低。因此，有必要在此之前加強其傳熱能力應用於實際工程項目。
2. 數學模型
本文將TES儲罐簡化為圓柱形儲罐單元，如圖1所示。坦克被分成兩部分分區:A區為內柱狀材料區，B區為外環材料區。這個結構是為了增加儲罐與外部傳熱流體(HTF)之間的對流。模擬了該單元的總體尺寸本研究如圖1(單位mm)所示。整個蓄熱體的底面為對流熱傳遞面，而側表面和頂表面是絕熱的。
3.結果與討論
數值模擬前，分別用0.05s、0.1s、0.2s值檢驗時間步長獨立性分別。
圖2所示。PCM-M液相組分在三個時間步長的變化
圖2為三種時間步長下A區PCM-M液相組分的變化情況，可以為可見，時間步長對計算結果的影響很小。在後面的仿真中，選擇0.2s隨著時間的腳步。
圖3所示。三種情況下PCM-S液相分數的變化。
圖3可以可以看出，案例3中的PCM-S完全熔化的時間最短。情形2和情形1幾乎相同相變時間。
（a)液相分數
圖4 (a)為case3中PCM-S和PCM-M液體組分隨時間的變化情況和(b)表示流入PCM-M和PCM-S的熱流的變化。0-5400s是階段1,5400s-13000s是階段2,13000s之後是階段3。可以看出，蓄熱PCM-M過程和PCM-S過程同時啟動。第一階段的PCM-M在4250秒時完全熔化，第二的pcm在13600秒時完全熔化。
(b)熱流密度
圖4所示。PCM-M和PCM-S的液相分數和熱流密度的變化
從圖4(b)可以看出在第一階段，PCM-S和PCM-M都處於相變過程中。在第二階段，只有PCM-S還在相變狀態。PCM-M只是將熱源的熱流傳遞給PCM-S，只需要少量的熱量增加它的溫度。在第三階段，PCM-M和PCM-S都處於液相，由於容量小，兩種PCM的溫度迅速升高。
圖5為病例3在2700s, 9720s, and時的PCM-M和PCM-S的溫度和流線分佈15180年代。從圖中可以看出，在熔化的PCM內部形成了自然對流。
圖5所示。事例3中不同時間的溫度分佈和流場分佈
4. 結論
在無機鹽PCM中插入用金屬PCM封裝的管狀結構，起到蓄熱的作用用於從無機鹽PCM中快速存儲或釋放熱量的材料和傳熱增強裝置。通過對比相變金屬與固體金屬的加固效果，相變金屬具有明顯的加固效果強化效果TES罐。數值模擬結果表明，插入金屬封裝管後PCM具有高導熱性，大大縮短了TES罐的充電時間。溫度和流線分佈表明，液態金屬內部的自然對流可以快速地將熱量從熱源傳遞到熱源低溫無機鹽對金屬PCM的增強作用優於固體金屬。而金屬PCM則很大蓄熱能力大，這樣可以保證總潛熱蓄熱量不會降低。
確認
本研究由國家自然科學基金(No. 51522602)資助中央高校基礎研究基金(編號:2018ZD04)
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