玄武岩纤维布移动式储热系统放热性能数值研究

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移动式储热系统是一种灵活的供热方式,不受管网距离和可再生能源间歇性的限制,解决了热能供需时空不匹配的问题。但是目前移动式储热系统中常见的储热材料存在诸多问题,水等显热材料储能密度低于120MJ/t,赤藻糖醇等相变材料热稳定性不足,热化学材料尚处于实验室阶段。文献调研发现玄武岩纤维作为一种高温稳定的显热材料,储能密度可以达到700MJ/t。因此,本文选用玄武岩纤维作为储热介质,设计了布状叉排结构的移动式储热系统,运用数值模拟的方法对玄武岩纤维布移动式储热系统定参数和变参数的放热性能进行了研究,同时提出了一种以放热功率为评价指标的稳定放热控制方法,主要的研究内容与结论如下:(1)以玄武岩纤维布作为储热介质,空气作为换热流体设计了移动式储热系统并搭建了用于放热过程的数值模型。介绍了其工作原理,建立了热能存储容器的具体结构模型,并给出了充热热源和放热方案。同时在简化物理模型的基础上,建立了二维数值模型,给出了控制方程和求解条件,并验证了模型有效性。(2)制定了放热评价体系,运用数值模拟方法对定参数条件下玄武岩纤维布移动式储热系统的放热过程进行研究分析。从可视化结果可知,放热过程中系统内形成良好的热分层。斜温层厚度随着放热进行先急剧增加而后平缓上升,达到最大厚度后开始直线下降。对空气流速为1m/s,入口温度为298K,出口截面面积为0.0625m~2定工况而言,该系统可以提供5100s稳定放热功率(17.57k W),6519s有效放热功率(7.74k W),有效放热效率达到95%以上,泵耗对能效的影响可以忽略。(3)进一步模拟研究了不同关键参数对玄武岩纤维布移动式储热系统放热性能的影响。结果表明,入口流速从1m/s增加到4m/s时,放热时间近似线性减小,放热功率近似正比例增长,斜温层最大厚度增长约0.9m,且放热效率减小不明显,可以推断出本文玄武岩纤维布移动式储热系统可以较大的流速运行,从而在保证放热效率的前提下通过更短的放热时间获得更大的放热功率。入口流体温度高的系统具有更长的放热时间,但放热功率明显降低,放热效率基本不变,由此可知低温的环境有利于本文移动式储热系统放热。布长和布厚变大时,稳定放热时间减小,斜温层增厚,放热功率存在下降趋势,放热效率受布长影响不明显,但随布厚变大显著降低,说明特征尺寸小的玄武岩纤维布放热性能更好。叉排间距增加时,放热时间和放热效率降低,斜温层增厚,放热功率受x向间距的影响不明显,但随y向间距增加而降低。针对本文移动式储热系统,推荐50mm x向间距和4mm y向间距。(4)依据恒定入口流速放热特性分析,通过手动调节和自动调节入口流速两种方式分析研究出系统稳定放热的方法。结果表明在手动调节和自动调节入口流速条件下,放热功率可以稳定在指标值的±5%和±4%范围内,同时系统提供稳定放热功率的时间也增加了20%。
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