本文關(guān)鍵詞：亞臨界水蓄熱技術(shù)的研究

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【摘要】：蓄熱技術(shù)可以解決能源的間歇性和不穩(wěn)定性等問題,廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟中的電力、鋼鐵、航天等行業(yè)。水是一種良好的蓄熱材料,水蓄熱技術(shù)是應(yīng)用最廣的蓄熱技術(shù)之一。但是,目前的水蓄熱技術(shù)是基于常壓條件下的,屬于低溫蓄熱的范疇。本文旨在將水蓄熱技術(shù)的溫度范圍拓展至中高溫范圍,也就是廣義上的亞臨界狀態(tài)。通過實驗和數(shù)值模擬方法,重點研究亞臨界水在保溫過程中的蓄熱特性及其機理。首先,本文搭建了亞臨界水蓄熱實驗平臺,最高蓄熱溫度為280℃,最高壓力達到10MPa。對不同初始溫度的保溫過程進行了實驗研究。結(jié)果表明：在保溫過程中,水箱內(nèi)液體區(qū)域存在熱分層現(xiàn)象,氣相區(qū)溫度均勻,略低于液相區(qū)溫度。無量綱溫度隨初始溫度的上升而略有下降。隨初始溫度的上升,初始蓄熱量、初始蓄(?)量、散熱率、(?)損失率、蓄熱效率和蓄(?)效率明顯上升。隨后,建立了層流自然對流條件下的數(shù)學(xué)模型及其數(shù)值求解方法。在實驗和數(shù)值模擬結(jié)果對比的基礎(chǔ)上,分析了保溫過程中蓄熱水箱內(nèi)部流場、溫度場的演變過程及各部分間的傳熱特性。結(jié)果表明：亞臨界水的保溫過程可以劃分為非穩(wěn)態(tài)階段和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段。非穩(wěn)態(tài)階段分為初始階段和發(fā)展階段。初始階段主要受初始條件中的階躍性溫差影響。液相區(qū)和氣相區(qū)形成熱分層現(xiàn)象,壁面區(qū)溫度快速下降。發(fā)展階段主要受水箱各部分之間溫度不均勻性影響。液相區(qū)熱分層程度逐漸加強,流動逐漸減弱。氣相區(qū)內(nèi)熱分層結(jié)構(gòu)逐漸被渦旋結(jié)構(gòu)占據(jù),內(nèi)部溫度均勻。壁面區(qū)中部溫度重新上升,內(nèi)部存在軸向傳熱。保溫過程中,保溫層區(qū)溫度首先從內(nèi)壁面上升,逐漸向外壁面擴散。準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段主要受水箱內(nèi)部與環(huán)境之間的溫差影響。液相區(qū)分為頂部渦旋區(qū)、中部環(huán)流區(qū)和底部滯止區(qū)。氣相區(qū)中心被大渦旋占據(jù),右下角存在小渦旋,內(nèi)部溫度均勻。壁面區(qū)呈現(xiàn)中部溫度高,兩端溫度低的特點,在氣液交界面附近溫度梯度較大。保溫層區(qū)的內(nèi)壁面溫度高,外壁面溫度低,等溫線與壁面平行。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果,分析了亞臨界水保溫過程蓄熱特性隨影響參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明：較高的初始溫度有助于提高初始蓄熱量、初始蓄(?)量和蓄(?)效率,蓄熱效率隨初溫的上升先下降后上升。升高水箱長徑比、壁面材料的比熱和密度、壁面層厚度或者降低環(huán)境溫度,有利于提高初始蓄熱量和初始蓄(?)量；降低水箱長徑比、壁面材料的比熱和密度、保溫層導(dǎo)熱系數(shù)、對流換熱系數(shù)或者提高壁面層厚度、保溫層厚度,有利于蓄熱效率和蓄(?)效率升高。其它參數(shù)變化對蓄熱性能沒有明顯影響。搭建了大規(guī)模亞臨界水蓄熱實驗平臺,進行了不同工況條件下的保溫實驗,并且對亞臨界水蓄熱技術(shù)開展了應(yīng)用研究。實驗結(jié)果表明：在初溫為150℃、液位高度為3.5m時,系統(tǒng)擁有最大初始蓄熱量和初始蓄(?)量,分別為4.12GJ和682.7MJ。經(jīng)過8小時和24小時,其蓄熱效率分別為97.95%和93.81%,蓄(?)效率分別為96.17%和88.67%。初始蓄熱量、散熱率、初始蓄(?)量和(?)損失率隨初始溫度和液位高度的升高而升高。蓄熱效率和蓄(?)效率隨初始溫度的升高而降低,隨液位高度的升高而升高。以提供熱量為目標(biāo)時,應(yīng)選擇初始溫度低、液位高的初始工況,此時蓄熱量和蓄熱效率都較高；以提供炯量為目標(biāo)時,選擇初始溫度高、液位低的工況,其蓄(?)量較高,而蓄炯效率低；選擇初始溫度低、液位高的工況,其蓄(?)量較低,而蓄(?)效率高。
【關(guān)鍵詞】：亞臨界水 保溫過程 熱分層 流動傳熱分析 蓄熱性能
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(工程熱物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK11
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-20
• 主要符號表20-22
• 第一章 緒論22-50
• 1.1 蓄熱的作用及意義22-24
• 1.2 蓄熱方式的分類24-25
• 1.3 水蓄熱技術(shù)25-29
• 1.3.1 水的蓄熱特性25-26
• 1.3.2 水蓄熱的應(yīng)用方式26-28
• 1.3.3 水蓄熱的溫度范圍28-29
• 1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀29-47
• 1.4.1 研究方法29-33
• 1.4.2 基礎(chǔ)研究進展33-40
• 1.4.3 工程應(yīng)用研究40-47
• 1.5 主要研究內(nèi)容47-50
• 第二章 亞臨界水保溫過程的實驗研究50-66
• 2.1 引言50
• 2.2 實驗系統(tǒng)與主要設(shè)備50-55
• 2.2.1 實驗系統(tǒng)50-51
• 2.2.2 主要設(shè)備51-55
• 2.3 實驗內(nèi)容與步驟55-57
• 2.3.1 實驗內(nèi)容55
• 2.3.2 實驗步驟55-57
• 2.4 數(shù)據(jù)處理與誤差分析57-60
• 2.4.1 數(shù)據(jù)處理方法57-58
• 2.4.2 熱電阻的標(biāo)定58-59
• 2.4.3 誤差分析59-60
• 2.5 實驗結(jié)果與討論60-65
• 2.5.1 溫度分布分析60-62
• 2.5.2 蓄熱分析62-63
• 2.5.3 蓄(?)分析63-65
• 2.6 本章小結(jié)65-66
• 第三章 亞臨界水保溫過程的數(shù)值模擬方法66-84
• 3.1 引言66
• 3.2 數(shù)學(xué)模型66-74
• 3.2.1 模擬區(qū)域66-68
• 3.2.2 數(shù)學(xué)模型與假設(shè)68-69
• 3.2.3 初始條件69
• 3.2.4 邊界條件69-70
• 3.2.5 物性70-74
• 3.3 數(shù)值計算方法74-76
• 3.3.1 控制方程組求解策略74
• 3.3.2 計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分方法74-75
• 3.3.3 控制方程的離散方法75
• 3.3.4 代數(shù)方程組的求解方法75-76
• 3.4 有效性驗證76-83
• 3.4.1 數(shù)值有效性驗證77-82
• 3.4.2 模型有效性驗證82-83
• 3.5 本章小結(jié)83-84
• 第四章 亞臨界水保溫過程流動傳熱特性研究84-126
• 4.1 引言84
• 4.2 非穩(wěn)態(tài)和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段的劃分84-86
• 4.3 非穩(wěn)態(tài)階段86-106
• 4.3.1 非穩(wěn)態(tài)階段流場與溫度場分析86-97
• 4.3.2 非穩(wěn)態(tài)階段傳熱特性97-106
• 4.4 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段106-123
• 4.4.1 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段流場與溫度場分析106-116
• 4.4.2 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段傳熱特性研究116-123
• 4.5 本章小結(jié)123-126
• 第五章 系統(tǒng)參數(shù)對亞臨界水蓄熱性能的影響126-158
• 5.1 引言126
• 5.2 系統(tǒng)參數(shù)及蓄熱性能指標(biāo)126-130
• 5.2.1 系統(tǒng)參數(shù)的選取126-127
• 5.2.2 蓄熱性能指標(biāo)127-130
• 5.3 亞臨界水初始溫度的影響130-134
• 5.4 水箱長徑比的影響134-137
• 5.5 壁面區(qū)參數(shù)的影響137-144
• 5.5.1 壁面材料物性137-141
• 5.5.2 壁面層的厚度141-144
• 5.6 保溫層參數(shù)的影響144-149
• 5.6.1 保溫層材料物性144-147
• 5.6.2 保溫層的厚度147-149
• 5.7 環(huán)境參數(shù)的影響149-155
• 5.7.1 對流換熱系數(shù)150-152
• 5.7.2 環(huán)境溫度152-155
• 5.8 本章小結(jié)155-158
• 第六章 大規(guī)模亞臨界水蓄熱技術(shù)的研究及應(yīng)用158-192
• 6.1 前言158
• 6.2 大規(guī)模亞臨界水蓄熱實驗平臺158-163
• 6.2.1 蓄熱實驗平臺的構(gòu)成159-163
• 6.2.2 蓄熱實驗平臺的操作163
• 6.3 實驗工況范圍163-165
• 6.3.1 影響系統(tǒng)性能的參數(shù)163-164
• 6.3.2 實驗工況的確定164-165
• 6.4 實驗數(shù)據(jù)的處理165-169
• 6.4.1 數(shù)據(jù)處理方法的依據(jù)165-166
• 6.4.2 數(shù)據(jù)處理方法166-168
• 6.4.3 數(shù)據(jù)的無量綱化168
• 6.4.4 蓄熱效率和蓄(?)效率的計算方法168-169
• 6.5 計算結(jié)果及分析169-183
• 6.5.1 水罐內(nèi)的溫度169-174
• 6.5.2 蓄熱量174-176
• 6.5.3 蓄熱效率176-178
• 6.5.4 蓄(?)量178-181
• 6.5.5 蓄(?)效率181-183
• 6.6 大規(guī)模亞臨界水蓄熱技術(shù)在先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用183-190
• 6.6.1 先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)簡介183-184
• 6.6.2 亞臨界水蓄熱子系統(tǒng)184-185
• 6.6.3 研究內(nèi)容及方法185-187
• 6.6.4 結(jié)果分析187-190
• 6.7 本章小結(jié)190-192
• 第七章 結(jié)論與展望192-196
• 7.1 結(jié)論192-193
• 7.2 創(chuàng)新點193-194
• 7.3 工作展望194-196
• 參考文獻196-206
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及獲獎情況206-210
• 致謝210-212
• 作者簡介21

【參考文獻】

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本文編號：900297