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摘 要

直接蒸汽发生器相变储热装置是太阳能热发电系统和余热利用系统中重要的储能系统。其一般采用熔融盐作为相变储能材料，并通过自身的相变以及与高温高压水（蒸汽）间的换热实现热能的存储和释放。

为了探究熔融盐相变材料放热过程中熔融盐和换热流体之间的温度演变规律，并揭示影响放热过程的因素，采用CSG相变储热装置为研究对象，基于计算流体力学CFD数值模拟软件Fluent并使用控制变量法进行模拟分析。使用Geometry建立模型，导入至Mesh中进行网格划分后，使用Fluent设置参数并计算结果。

通过Fluent数值模拟及后处理分析得到了以下结果：在放热过程中，流体出口处平均温度随时间的变化呈现先上升后下降的趋势，出口平均温度达到最高点的时间为流体流径整个管道的时间，熔融盐平均温度和液相率随时间变化逐渐降低；在流体出口处平均温度上升阶段，熔融盐自然对流强度较大；平均温度下降后，自然对流强度开始减弱。通过控制变量法研究不同因素对放热过程的影响还可以得到以下结果：随着总流径长度L的增大，流体出口处平均温度的最高值也越大；出口处平均温度的最高值随着流体雷诺数Re增大而减小；改变内管与外壁面直径之比，比值越小熔融盐平均温度下降越快，液相率下降的速率也越大。

关键词：熔融盐；相变储热；计算流体力学；直接蒸汽发生

ABSTRACT

Direct steam generation phase change heat storage device is an important energy storage system in solar thermal power generation system and waste heat utilization system. It generally uses molten salt as a phase change energy storage material, and realizes the storage and release of thermal energy through its own phase change and heat exchange with high temperature and high pressure water (steam).

In order to explore the temperature evolution law of molten salt and heat exchange fluid during the exothermic process of molten salt phase change materials, and to reveal the factors affecting the exothermic process, the CSG phase change heat storage device was used as the research object, based on the CFD value The simulation software Fluent adopts the control variable method for simulation analysis. Use Geometry to build the model, import it into Mesh for meshing, use Fluent to set the parameters and calculate the result.

Through Fluent numerical simulation and post-processing analysis, the following results were obtained: During the heat release process, the average temperature of the fluid outlet changed with time and showed a trend of first rising and then decreasing. The time when the average temperature of the outlet reached the highest point was the fluid flow path The average temperature and liquid phase ratio of the molten salt gradually decrease with time; the natural convection intensity of the molten salt is greater during the average temperature rise of the fluid outlet; after the average temperature decreases, the natural convection intensity begins to weaken. The following results can be obtained by studying the influence of different factors on the heat release process through the control variable method: as the total flow path length L increases, the maximum value of the average temperature at the fluid outlet also increases; the maximum value of the average temperature at the outlet varies with As the Reynolds number Re of the fluid increases and decreases; changing the ratio of the diameter of the inner tube to the outer wall surface, the smaller the ratio, the faster the average temperature of the molten salt drops, and the greater the rate of decrease of the liquid phase rate.

Key words: Molten salt；Latent heat storage；CFD；Direct steam generation

目录

摘要 I

ABSTRACT II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 蓄热技术及分类 1

1.2.1 显热蓄热技术 1

1.2.2 化学蓄热技术 2

1.2.3 相变蓄热技术 2

1.3 CSG技术 2

1.5文章内容 5

第二章 数值模型 6

2.1引言 6

2.2模型选择 6

2.3 模型建立与网格划分 7

2.4 Fluent设置 9

2.4.1基本设置 9

2.4.2 Solution设置 11

2.4.3初始化设置及计算 11

2.5模拟工况选择 12

2.6小结 12

第三章 模拟结果及影响放热过程因素的研究 13

3.1引言 13

3.2 模拟结果 13

3.3 不同因素对放热过程的影响 17

3.3.1总流径长度L对放热过程的影响 17

3.3.2雷诺数Re对放热过程的影响 20

3.3.3内管与外壁面直径之比对放热过程的影响 24

3.4小结 28

第四章 结论与总结 29

4.1 结论 29

4.2 经济性分析 29

4.3 总结 30

参考文献 31

致谢 34

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

能源的开发与利用是人类社会赖以生存的基础，对于更为高效能源的追求推动着社会生产力的发展。然而，随着全球人口的增长以及世界经济增长的需要，能源的消耗量不断增大，导致煤、石油等化石燃料日渐枯竭，能源危机逐渐显现。同时，由于传统化石燃料的大量使用，污染、全球气候变暖等环境问题日益严重，人们逐渐意识到改变现有依靠化石能源发展经济的模式的必要性。因此，人们将目光放在了新能源的开发以及有效利用现有能源的方向上来。

新能源在储量上可谓取之不竭，但其存在间歇性和波动性的特征，使得无法满足消费需要和能源供应之间的平衡。此外，在工业生产中存在着大量废热无法回收利用，造成严重能源浪费问题的同时还会加剧全球变暖^[1]。因此，在实际工程应用中，蓄热储能技术的使用尤为关键，它在解决新能源存在的间歇性和波动性问题，满足消费需要与能源供应之间的平衡，解决工业废热以及提高能源利用率方面都有着显著的意义。

1.2 蓄热技术及分类

蓄热技术可以实现热量较大规模的存储以解决能源供给与消费之间不匹配的矛盾，目前蓄热技术已经广泛应用于太阳能热存储、余热回收、电力调峰等行业中，能够显著改善能源利用率^[2]。蓄热技术根据蓄热的形式可以划分为显热蓄热技术、化学蓄热技术和相变蓄热技术。

1.2.1 显热蓄热技术

显热蓄热技术(Sensible Thermal Energy Storage,STES)主要基于蓄热材料热容量温度的变化贮存热量^[3]。显热蓄热技术具有成本低廉、技术成熟、蓄热材料种类丰富等优势，但显热蓄热材料在放热过程中温度不能保持恒定，存在温度输出波动性大的问题。显热蓄热材料的蓄热密度低，造成蓄热设备的体积庞大，同时蓄热效率也较低，而且与周围环境存在温差会造成热量损失，热能存储的时间不能很长。因此，显热蓄热技术长期、大容量蓄热比较困难，但实践经验多，实用性比较高。显热蓄热材料根据物态的不同可以分为固体蓄热材料与液体蓄热材料，固体蓄热材料主要有碎石、砂子、混凝土块等，液体蓄热材料应用最多的是水。

1.2.2 化学蓄热技术

化学蓄热技术(Thermo-chemical Energy Storage,TCES)是利用化学变化中吸收、放出热量进行热能存储^[4]。化学蓄热方法可以分为浓度差热存储、化学吸附热存储和化学反应热存储三类，目前应用较多的是通过可逆化学反应中的吸热和放热反应过程存储和释放热能。化学蓄热技术相较于显热蓄热技术与相变蓄热技术拥有更高的储能密度，蓄热材料价格低廉，来源广泛，在有催化剂的作用并且远离反应平衡态时反应速率快，存储和释放热能需要的时间短。化学蓄热技术的另一个优势就是可以将吸热反应的产物通过一定的方法分离出来在常温下存储，与显热蓄热技术相比不会有热损失，另外分离出来的产物可以用于长距离运输，实现能量的跨地域传输。但目前化学蓄热技术依然存在许多影响使用的问题，在化学蓄热反应过程中需要将反应物质隔离，对于系统的安全性也有很大的要求，不能出现反应物质泄漏的事故，并且化学蓄热系统较为复杂，体积庞大，一次性投资大，目前仍然达不到可以大规模应用的地步。

1.2.3 相变蓄热技术

相变蓄热技术(Latent Thermal Energy Storage,LTES)主要是利用相变材料(Phase Change Materials,PCM)在相变过程中吸收或放出的相变潜热来实现能量的存储。相变材料在相变时潜热量大，储热密度较显热储热高一个数量级，系统体积较小，发生相变时温度几乎保持不变^[5]。相变蓄热根据相变材料物态的不同可以分为固-固、固-液、固-气和液-气几类，但在实际应用过程中气体的存在会使得储热装置的体积过于庞大，因此极少使用，目前使用最为普遍的是固-液相变蓄热。

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