超临界空气蓄热蓄冷数值与实验研究

压缩空气储能(CAES)是一种将能量以压缩空气的形式进行储存的最具发展潜力的大规模储能技术之一,它具有储能容量大、单位成本低和效率较高等优点。然而其存在储能密度低、需要大型洞穴作为储气室和采用化石燃料补燃等缺点,使它在应用上受到很大限制。超临界空气储能系统是一种新型的压缩空气储能系统,它能够解决压缩空气储能面临的主要技术问题。储能时系统消耗电能将空气压缩至超临界状态后液化储存,在用电高峰时对液态空气加压、气化和吸热升温后进入膨胀机做功。循环中的压缩热和气化冷量通过蓄热蓄冷换热器进行回收利用提高储能系统效率。蓄热蓄冷换热器是超临界空气储能系统的关键部件,它对整个储能系统的性能具有决定性作用。文中通过比较和分析各类蓄热蓄冷方式的优缺点和适用范围并结合超临界空气储能系统的工作特点,发现石子填充床是最理想的超临界空气蓄热蓄冷换热器型式。本文设计并建立蓄热蓄冷实验系统,主要采用实验的方法并辅以理论分析和数值模拟,研究超临界空气蓄热蓄冷过程的流动与传热特性以及循环特性。本文开展的研究工作如下： 通过理论分析,首先建立与实验填充床结构和蓄热蓄冷过程相符合的数学模型并利用文献实验结果对该模型进行验证。利用该模型对填充床内的超临界空气蓄热蓄冷过程进行数值计算获得填充床内温度分布随时间的变化规律,为实验研究提供指导。 本文将实验填充床划分为中心区和近壁区并进行合理简化和假设,建立超临界空气蓄热填充床的一维两相模型。实验测量沿填充床中心区轴向各点的超临界空气和石子温度随蓄热时间的变化,通过直接求解能量方程获得超临界空气与石子间的传热系数。结果显示,在实验雷诺数范围内(60<Re<125),空气压力对传热系数影响很小,但能显著增加滞流填充床等效导热系数,原因在于自然对流以及冷、热流体掺混是滞流填充床内的主要换热形式,它们受流体密度的影响十分显著。实验结果显示,6.6MPa滞流填充床近壁区的热流量是常压的1倍左右。在相同雷诺数下,填充床内超临界空气传热系数的入口效应不及常压空气明显,但传热系数随入口距离的增加趋于同一值。 本文根据数值模拟结果选定超临界空气蓄热循环典型工况并分别对蓄热、保温和释热过程进行定量热分析与(?)分析。结果表明,70%的填充床蓄热量储存在石子中,其余被罐体吸收。散热损失的一半左右发生在保温过程中。蓄热过程中石子与罐体之间较大的传热温差是循环(?)损失的主要来源。本文实验研究蓄热与释热空气温度、压力以及流量等参数对蓄热性能的影响。实验结果分析表明,蓄热效率取决于填充床绝热性能和蓄热循环罐体平均温度。罐体平均温度越高,散热损失越大,但当蓄热量增长率大于散热损失增长率时热效率上升。空气压力对填充床蓄热效率影响不明显,但能大幅改善高雷诺数下蓄热炯效率,这是由于填充床内流动压力损失与空气流速的平方成正比,在相同质量流量下,压力越高,流速越低,压力损失导致的(?)损失大幅减小,使(?)效率提高。空气流量对传热系数和蓄热效率影响显著。传热系数随空气流量增加而增大,蓄热与释热时间明显缩短,使散热损失减小,热效率与(?)效率逐渐升高并趋于稳定。与常压蓄热填充床相比,在提高空气流量获得高传热系数的同时,超临界蓄热填充床内的压力损失可以保持在较低范围。 本文开展以液氮为传热流体的超临界填充床蓄冷实验,蓄冷过程的流动和传热现象同蓄热过程相比发生改变。在蓄冷填充床内,液氮主要通过导热与石子和罐体进行换热,换热量的大小取决于被液氮冷却的石子与罐体的体积。文中根据数值模拟结果选定超临界蓄冷循环典型工况并分别对蓄冷、保温和释冷过程进行定量热分析与(?)分析,结果表明,蓄冷循环热效率比蓄热循环降低15个百分点左右,这表明实验采用的绝热材料保冷性能远不如保热性能。同时蓄冷(?)效率仅为蓄热(?)效率的一半,蓄冷斜温层内传热温差远大于蓄热斜温层以及循环热损失增加是(?)损失增大的最主要原因。文中研究液氮压力和流量对蓄冷性能的影响,具体讨论流量变化导致的气化率变化及其机理。在相同液氮流量下,填充床内液氮气化率受液氮压力影响不明显,而当液氮流量增加时,气化率与流量呈近似线性增长关系,这是由于液氮液位上升速率随液氮流量增大而增大,单位时间内被冷却的石子与罐体体积增加,从而气化率上升。进一步分析冷量损失后得出结论,蓄冷量由填充床石子与罐体总质量决定,而蓄冷损失与蓄冷时间密切相关。