1、 第 33 卷 第 26 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.33 No.26 Sep.15, 2013 68 2013 年 9 月 15 日 Proceedings of the CSEE 2013 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号： 0258-8013 (2013) 26-0068-07 中图分类号： TK 02 文献标志码： A 学科分类号： 47020 高温熔融盐斜温层单罐蓄热的热过程特性 尹辉斌1，丁静2，杨晓西1(1广东省分布式能源系统重点实验室( 东莞理工学院) ，广东省 东莞市 523808； 2中山大学工学院，广东省 广州市 510006) Th
2、ermal Characteristics of the High-temperature Molten-salt Heat Storage Process With a Thermocline in Single Tank YIN Huibin1, DING Jing2, YANG Xiaoxi1(1. Guangdong Provincial Key Laboratory of Distributed Energy Systems(Dongguan University of Technology), Dongguan 523808, Guangdong Province, China;
3、2. School of Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510006, Guangdong Province, China) ABSTRACT: According to the design idea of thermocline heat storage in single tank, a kind of hybrid thermocline heat storage method in multi-scale structure and relevant experimental systems were built by
4、using the mixed molten nitrate salt as the heat storage medium and two representative porous fillers, i.e. zirconium ball and silicon carbide (SiC) foam, as the solid heat storage materials. The fluid flow and heat storage performances of molten salt in multi-scale structure were experimentally inve
5、stigated. The results show that the theoretical heat storage efficiencies among the three heat storage manners are less than 80% because of the existence of thermocline layers. Comparing to the heat storage manner of single-phase molten salt thermocline, the two hybrid thermocline heat storage manne
6、rs using zirconium ball and SiC foam as porous fillers lead to a certain decrease in the effective heat storage capacity. On the other hand, the presence of porous fillers can help to maintain the molten salt fluid as ideal gravity flow or piston flow and partially replace expensive molten salt. The
7、refore, it requires a combination of heat storage capacity and economical consideration for optimization design when similar spherical particles or foam ceramics are employed as the porous fillers. KEY WORDS: solar energy; high-temperature heat storage; molten salt; porous medium; thermocline 摘要：以斜温
8、层蓄热单罐设计理念为基础，采用硝酸熔融盐作为传热蓄热介质，锆质蓄热球与泡沫碳化硅陶瓷 2 种代表性的多孔介质填料作为固体蓄热体，构建了多尺度结构斜温层混合蓄热方法及系统，实验研究了多尺度结构中熔融盐的 基金项目： 国家自然科学基金项目 (51106187) ；国家重点基础研究发展计划(973 计划) 项目(2010CB227103) 。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51106187)； The National Basic Research Program of China (973 Pr
9、ogram) (2010CB227103) 流动与蓄热特性。研究结果表明，由于斜温层的存在，系统理论蓄热效率小于 80%；相对于熔融盐单相流体蓄热，采用锆质蓄热球与泡沫碳化硅的斜温层混合蓄热方式会导致系统的有效蓄热容量有所降低，但多孔介质填料的加入有利于保持熔融盐流体为理想的重力流或活塞流，并部分替代价格较高的熔融盐，需要结合蓄热容量以及经济性进行最优化设计。 关键词：太阳能；高温蓄热；熔融盐；多孔介质；斜温层 0 引言 太阳能热发电是太阳能利用的高品位方式，聚焦式太阳能热发电由于具有技术相对成熟、发电成本低及对电网冲击小等优点，被认为是可再生能源发电中最有前途的发电方式之一。典型的聚焦式太阳
10、能热发电主要包括聚光集热、热量蓄存与传递、热功转换等过程。由于太阳能具有间歇性和不能稳定供应的缺陷，不能满足工业化大规模连续供能的要求，必须发展高效蓄热技术，以有效地解决太阳能的转换、储存与输运问题。蓄热技术的性能和成本，取决于传热蓄热介质材料性能以及蓄热/ 放热过程设计和控制 2 方面。由于熔融盐具有热容量大、使用温度高、低蒸汽压、低黏度、化学稳定性好等一系列优点，兼具蓄热与传热功能，因而熔融盐传热蓄热技术将是太阳能高温热利用的发展重点1-3。 高温传热蓄热过程是提高光 热 电系统吸热效率与蓄热效率的关键。目前，熔融盐双罐蓄热方法是太阳能蓄热技术的主要形式4-5，但由于蓄热罐材料与熔融盐使用
11、量大、高温维持等因素导致单位造价与运行成本相对较高。为了降低槽式系统中的双罐熔融盐间接蓄热装置的固定投资成本，美国第 26 期 尹辉斌等：高温熔融盐斜温层单罐蓄热的热过程特性 69 Sandia 国家实验室设计并测试一个 2.3MWh 的熔融盐斜温层单罐蓄热系统6-7，这是一种液 固联合显热蓄热方式，有机地结合了液体良好的热传输性能与固体蓄热的低成本优点。在此成功经验的基础上，许多学者相继开展了一系列有关斜温层蓄热的实验研究以及数值模拟工作8-13。左远志等14提出了一种相变蓄热和斜温层蓄热复合的新型混合蓄热系统，并建立了实验系统，对其蓄放热性能进行了深入研究。Brosseau15针对 6h
12、设计蓄热容量的50MW(电 )槽式太阳能热发电系统，在采用不同的蓄热介质以及不同蓄热方式条件下，进行了经济性对比分析，显示出熔融盐单罐斜温层蓄热技术在太阳能高温热利用中的优越性及应用前景。 本文以斜温层蓄热单罐设计理念为基础，构建基于高性能混合硝酸熔融盐的多尺度结构高温蓄热方法及系统，对该蓄热系统进行整体性能测试，确定各参数对多尺度结构熔融盐混合蓄热性能的影响趋势与作用规律。 1 实验系统 熔融盐传热蓄热实验平台的系统流程如图 1 所示。熔融盐主回路系统主要由熔融盐槽、熔融盐泵、过滤器、流量计、熔融盐炉、蓄热实验件等组成。熔融盐传热蓄热介质在熔融盐槽内加热熔化后通过高温熔融盐泵抽入管路，然后流
13、经过滤器、流量计进入蓄热实验件后流回熔融盐槽，或者通过旁通管路流回熔融盐槽，从而实现整个熔融盐回路的循环。如果熔融盐需要升到 550 的温度段，则需通过熔融盐炉进一步升温。 本文使用的熔融盐斜温层混合蓄热实验件为单罐结构形式，如图 2 所示。 N2123 456V1 V2V3 V4V5V6V7V8V9V10V1171熔融盐槽；2 熔融盐泵；3 过滤器；4 流量计； 5熔融盐加热炉；6 蓄热实验件；7 N2吹扫入口； V1V10闸阀；V11 N2控制阀。 图 1 实验系统流程示意图 Fig. 1 Flow diagram of the experimental system 进液管 进口热电偶座
14、螺栓连接上端盖 垫圈均流板罐体外壳热电偶座(共 10 个 )支撑孔板支撑座下端盖出液管 出口热电偶座多孔介质蓄热段 图 2 熔融盐斜温层混合蓄热单罐结构示意图 Fig. 2 Structural diagram of the single tank for molten-salt thermocline heat storage 罐体外径为 120mm、高 600mm；罐体的上部及底部安装有均液板，以保证流体分布的均匀性，减少不必要的扰动；罐体中段为斜温层显热蓄热段，长度 L 450mm，在此段填充多孔介质填料 (锆质蓄热球、泡沫碳化硅 )作为显热蓄热介质，在蓄热结构上具有多尺度特征；罐体外缠
15、绕伴热带，供启动时维持熔融盐处于液态、加热多孔介质与罐体以及平衡热损等，在罐体最外面包裹硅酸铝纤维保温层，其厚度约 70mm。 温度测量采用级精度 K 型热电偶，由于热电偶的安装需要一定的空间位置，本文目前只进行了轴线位置温度分布的测量，而没有测量径向位置的温度分布，为了尽量准确反映斜温层段的温度梯度分布，在蓄热单罐中部一段 100mm 的轴向空间内每隔 20mm 安装了 6 根热电偶，沿罐体周向采用螺旋状均匀分布安装。热电偶的具体测点位置与编号如图 3 所示。 2 实验材料 2.1 传热蓄热介质 实验过程中以本团队研制的高性能混合硝酸熔融盐作为传热蓄热介质，其组成为 53%KNO3+ 40%
16、NaNO2+7%NaNO3+5%additiveA，热物性参数16如表 1 所示，其中 T 为开氏温度， K。 70 中 国 电 机 工 程 学 报 第 33 卷 30 50 50 60 60 30 100100 20 20 202020T8T7T6T5T9 T10 T11T12 T4T3T2 T1 熔盐 入口 均液板斜温层混合蓄热区 支撑孔板 x ro熔盐出口图 3 温度测点布置示意图 Fig. 3 Schematic diagram of the temperature measuring point layout 表 1 混合硝酸熔融盐的物性参数 Tab. 1 Physical para
17、meters of mixed nitrate molten salt 物性参数 数值(拟合关系式) 凝固点/ 140 相变潜热/(kJ kg-1) 56.57 导热系数/(W m1K1) =0.27787+9.3726104T1.27035106T2黏度/(Pas) =8.5921031.755105T+1.06609108T2密度/(kg m3) =2936.258751.82091T 液态比热/(kJ kg1K1) cp=2.48992.96067104T 扩散系数/(m2s1) =1.11741061.14109T 2.2 固体蓄热填料 本文采用锆质蓄热球及泡沫碳化硅 2 种具有代表性
18、的多孔介质填料作为固体蓄热体，装填高度为450mm，其主要物性参数为： 1）锆质蓄热球：主要成分为 Al2O3、 Fe2O3及ZrO2，其中含锆量为 28%，球体直径 12mm，密度为 2580kgm-3，比热容 0.8925kJkg1K1； 2）泡沫碳化硅：主要成分为 80% SiC 及 13% SiO2，断面孔呈三维立体网状，孔径的分布分为宏孔和微孔 2 部分，宏孔尺寸在毫米级，微孔尺寸在微米级；密度为 487.7kgm3，显气孔率约 65%，常温下抗折强度大于 25MPa，比热容 0.6546kJ kg1K1，使用温度可达 1400，实验过程中泡沫碳化硅被切割成 40mm40mm20mm
19、 的小块体装填在蓄热单罐内。 3 实验方法 3.1 实验目的 流体在蓄热单罐中的传递规律分析涉及 3 个不同尺度层次 微观尺度 (分子运动分析 )、介观尺度 (界面传递规律分析 )、宏观尺度 (蓄热器传递特性分析 )，本实验的主要目的在于探悉多尺度结构中熔融盐的宏观流动与蓄热特性，通过对蓄热系统进行整体性能测试，确定各参数对熔融盐在多尺度结构中流动与传热性能的影响趋势与作用规律。由于放热与蓄热过程的传热机制是一致的，本文的实验研究仅涉及单罐斜温层传热蓄热特性的测试与分析，而未设计外部流体换向管路系统来实现放热过程。 3.2 实验工况 实验过程中主要通过控制熔融盐蓄热工作温差以及流速获得所需的实
20、验条件，主要分为 2 种情况：保持高温熔融盐进口流速不变，改变蓄热工作温差，即改变熔融盐进口温度；保持高、低温熔融盐间蓄热温差不变，即保持高温熔融盐的进口温度不变，改变其流量。具体来说，针对每一组实验，设定了 5 种实验工况进行研究，如表 2 所示。 表 2 实验工况 Tab. 2 Experimental cases 工况罐内熔融盐初始温度 tf/熔融盐进口 温度 tin/ 蓄热温差 (tintf)/ 熔融盐进口速度 uin/(m/s) 290 350 60 0.02 290 370 80 0.01 290 370 80 0.02 290 370 80 0.03 290 390 100 0.
21、02 3.3 实验步骤 以实验工况为例，实验按照以下步骤进行。 1）熔融盐的温度由熔融盐槽控制，开启熔融盐加热器，使槽内熔融盐温度上升至 300；开启蓄热单罐的加热丝及伴热系统，使罐内温度上升到200以上，同时开启输送管道的伴热系统； 2）启动熔融盐泵，开启流向蓄热单罐的闸阀，蓄热单罐的上端进口闸阀开度较大，下端出口闸阀开度较小，蓄热单罐开始充灌熔融盐液体，并保障排出蓄热单罐内的气体； 3）蓄热单罐充满熔融盐液体后，为保证蓄热单罐内换热充分稳定，继续循环 5min 后关闭蓄热单罐的进出口闸阀，并控制加热丝与伴热系统，使第 26 期 尹辉斌等：高温熔融盐斜温层单罐蓄热的热过程特性 71 蓄热单罐
22、罐内温度维持在 290； 4）继续开启熔融盐加热器，使熔融盐槽内温度升高至 350，然后立刻开启蓄热单罐的进口闸阀，关闭旁通管道闸阀，控制开启蓄热单罐的出口闸阀到预定位置。此时开始进行蓄热实验，记录温度值与流量值，实验中设定 FLUKE 2680A 数据采集间隔时间为 0.2s； 5）待系统冷却后，每组实验重复进行 3 次。 4 结果与讨论 4.1 蓄热性能评价 蓄热器性能通常由蓄热密度、有效蓄热容量与蓄 /放热速率等参数进行描述和评价，其中前 2 个参数反映了热力学能量平衡的要求，并间接反映了经济性的要求，蓄 /放热速率则反映了传热学的要求。对于单罐斜温层蓄热方式，蓄 /放热速率一般比较大，
23、蓄热密度与有效蓄热容量则是主要的评价参数，而斜温层厚度越大，其有效蓄热容量越少，因此斜温层厚度是描述单罐斜温层蓄热性能的重要指标。 4.2 有效蓄热容量与蓄热密度 总的有效蓄热体积容量可根据蓄热总时间(CH)、熔融盐进口流速 (uin)及罐体截面积 (A)计算 得到： CH CH inVuA= (1) 以填充泡沫碳化硅填料及工况(tf=290，tin=370， uin=0.02m/s)为例，蓄热过程中单罐系统的进出口温度随时间进程的变化关系如图 4 所示。 由于实验过程中熔融盐需要流经较长的管道，其散热损失不可忽略，控制进入蓄热单罐的熔融盐同时达到预设的流量及进口温度比较困难；同时，罐内熔融盐
24、流体的初始温度是通过伴热系统来控制的，易导致其温度分布不均，需要一段时间通过 370 350 330 310 290 0 10 20 30 50时间 /s 359.3 进口(T1)出口(T12) 温度/ 图 4 蓄热过程中熔融盐进/ 出口温度 Fig. 4 Inlet/outlet temperature profiles of molten salt during the heat storage process 自然冷却来平衡，从而维持在预设温度水平也比较困难。这两个原因使得实际的实验工况会略微偏离预设值，简化处理取所有温度测点在 60s 时的算术平均温度值 359.3为进口温度。理想的进
25、口温度应如图 4 中虚线所示，保持在一个稳定值。但由于罐体上端阀门前后的输送管道内存在熔融盐冷流体，伴热系统无法使其达到高温状态，实验开始时，进入单罐的不是理想的具有阶跃信号的稳定高温熔融盐流体。因此，进口温度测点 (T1)既包含了斜温层的信息，也包含了温度动态测量滞后响应的信息。由图 4 可知，蓄热总时间约为 12s，计算可得总的有效蓄热体积容量为 0.0022m3。 图 5为不同熔融盐进口流速 (温度固定为 370)条件下采用不同填料介质时的蓄热时间变化情况，不同进口温度 (流速固定为 0.02m/s)时的有效蓄热体积容量如图 6 所示。作为对比，未填充多孔介质填料时的熔融盐单相流体蓄热方
26、式的蓄热时间与有效蓄热体积容量同时被估算。从图 5 中可以看出，对于 3 种蓄热结构方式， 在保持蓄热温差 (tintf)不变的条件下，蓄热时间 CH均随着熔融盐流量的提高而减小，但同一蓄热结构中熔融盐流量与蓄热时间的乘积 uinCH维持在一个固定值，由式 (1)可知其有效蓄热体积容量基本维持不变。从图 6 中可知，在保持熔融盐流量不变的前提下改变蓄热工作温差，同一蓄热结构中的有效蓄热体积容量也基本不变。 图 5 和图 6 的结果表明，有效蓄热体积容量主要取决于蓄热器结构，包括多孔介质填料属性、结构型式、使用量等，而与具体的蓄热工况条件 (如流体流量、工作温差等 )没有直接的关系。从图中还可以
27、发现，在未填充多孔介质填料时，在相应约束条件下使用熔融盐单相流体也能够实现斜温层单罐蓄热，同时由于蓄热单罐内熔融盐的使用量相对更大，该蓄热方式的有效蓄热体积容量最大，对比蓄 4030201000.01 0.02 0.03 进口流速 /(ms1) 蓄热时间/s 单相流体 锆质蓄热球 泡沫碳化硅 图 5 不同熔融盐进口流速条件下的蓄热时间(tin=370 ) Fig. 5 Heat storage periods for different molten-salt inlet velocities (tin=370 ) 72 中 国 电 机 工 程 学 报 第 33 卷 350 370 390 进
28、口温度 / 有效蓄热体积容量/m3单相流体 锆质蓄热球 泡沫碳化硅 0.0036 0.0032 0.0028 0.0024 0.0016 0.0020 图 6 不同熔融盐进口温度的蓄热体积容量(uin=0.02 m/s) Fig. 6 Volumetric heat storage capacities for different molten-salt inlet temperature (uin=0.02 m/s) 热罐的物理体积可知，由于斜温层的存在，其理论上的有效蓄热效率小于 80%。 对于液 固联合蓄热结构及方式，系统的等效体积热容 (cp)eff可以表示为： eff() ()(1)
29、()ppl pscc c =+ (2) 式 (2)中 为空隙率，即填料床中微小空隙的总体积与该蓄热罐的总体积的比值。由于锆质蓄热球具有较好的热性能，其体积热容 (cp)s与熔融盐传热蓄热介质的体积热容 (cp)l相接近，而实验采用的泡沫碳化硅材质的 (cp)s偏低 (约 319kJm3K1，为熔融盐液的 10%左右 )，因此尽管采用锆质蓄热球作为填料的蓄热结构空隙率低于泡沫碳化硅蓄热系统，即参与传热蓄热过程的熔融盐用量相对更少，但根据式 (2)计算得到的等效体积热容 (cp)eff(3080.9 kJm3K1)要略高于后者 (2873.1kJm3K1)；同时由于泡沫碳化硅填料被切割成小方块，在
30、极短的实验蓄热时间里泡沫结构内包含的低温熔融盐可能不能被进口高温熔融盐完全置换，从而影响整体的传热蓄热量，因而熔融盐 /锆质蓄热球结构的有效蓄热体积容量也相对更大。另一方面，由于泡沫碳化硅具有发达的三维贯通网络结构，其多孔微细结构有利于斜温层的形成及稳定演化，因而使用类似的泡沫陶瓷材料作为多孔介质填料时，需要优化填料型式及蓄热结构，以匹配材料单位体积蓄热能力低与多孔微结构对蓄热性能强化作用之间的 矛盾。 对于斜温层单罐混合蓄热方法，主要利用蓄热介质 (熔融盐流体以及多孔介质填料 )的显热，蓄热密度 (以单位体积计 )可表示为 eff in f()( )pQcmtcttVV= = (3) 对于同
31、一蓄热结构，蓄热密度与蓄热温差 (tintf)成正比；而在操作条件一定的情况下，蓄热密度则主要取决于系统的等效体积热容 (cp)eff。以上结果表明，多孔介质填料的物性 (密度、比热、孔隙率等 )、结构型式、堆积方式及用量等对斜温层单罐蓄热系统及方式的性能具有重要影响，选用具有较大体积热容的多孔介质填料、优化蓄热结构对提高系统的蓄 (放 )热性能有利。 蓄热时间 CH应区别于传统的时间参量，是系统蓄热能力的表征参数，与斜温层的形成、移动速度以及变化趋势等信息相关联。随着蓄热过程的进行，斜温层的形状及厚度将发生变化，其变化速度主要取决于冷、热流体的工作温差。同时，由于熔融盐工质的成本较高，系统有
32、效蓄热体积容量与单位成本之间需要进行经济性分析，并且在较高流速时，无填料单相流体蓄热方式难以形成稳定的斜温层，冷、热流体间易进行对流发生混合现象，而不能完成蓄热过程。因而，尽管在特定的工况条件下，无填料单相流体蓄热方式具有较大的有效蓄热体积容量，但由于过程参数控制过于苛刻，从而限制了其实际工程应用。 4.3 轴向温度分布 以实验工况(tf=290， tin=370， uin=0.02m/s)为例，熔融盐 /泡沫碳化硅实验系统在蓄热过程中不同测点位置温度随时间的变化情况分别如图 7 所示。为了显示清楚，图 7 中仅列出了 T2、 T4、 T6、T10 和 T11 等 5 个具有代表性的测点位置的
33、温度响应曲线。 时间 /s 温度/ T2 T4 T6 T10 T11 0 20 30 5010 40 370350330290310图 7 熔融盐/ 泡沫 SiC 系统不同测点位置温度变化 Fig. 7 Temperature profiles of different measuring points in the molten salt/SiC foam system 实验结果显示，各温度变化曲线大致可以分为3 个区段，首先维持在较低的温度水平 (即罐内熔融盐初始温度 )，再经历一个升温过程逐渐达到高温熔融盐进口温度水平。由此可见，在罐体内部形成了一个温度梯度很大的自然分层，即斜温层，使得
34、斜温层上、下的熔融盐液各自保持在高温及低温状第 26 期 尹辉斌等：高温熔融盐斜温层单罐蓄热的热过程特性 73 态。并且随着熔融盐液的不断抽出，斜温层会向下移动，抽出的熔融盐液能够保持恒温，当斜温层到达罐体底部时，出口处的熔融盐液温度会发生显著变化，从而完成整个蓄热过程。 同时从图 7 中可知，从温度测点 T2 至 T11，即沿罐体竖直方向自上而下，其温度曲线逐渐倾斜，这种变化趋势也间接表明，随着时间的推移，斜温层的厚度不断增加。根据轴向温度分布情况仅可定性分析斜温层的形成与演变，以下将对斜温层厚度及其变化趋势进行初步的定量分析。 4.4 斜温层厚度 对于单罐斜温层蓄热方法及系统，斜温层厚度(
35、t)是评判其性能优劣的重要指标。根据单罐蓄热系统在蓄热过程中不同时刻的温度分布情况，可以估算出斜温层的厚度及其随时间进程的变化关系。依然以实验工况为例，对于熔融盐 /泡沫碳化硅实验系统，考虑到罐内可能存在的温度分布不均等因素，取 295作为斜温层温度梯度的下界限，以高温熔融盐进口温度 370作为其上界限。同时，根据轴向高度 x=0 m 处在不同时刻时的罐内温度分布情况，也可以确定出蓄热时间 CH， 即温度 t 295时所对应的时间段。 斜温层厚度 t根据其温度梯度的上下界限进行确定。假设在时间进程为 时，斜温层上界面的轴向高度为 xh，对应于温度梯度的上界限，即高温熔融盐进口温度；下界面的轴向
36、高度为 xl，对应于温度梯度的下界限 (295)，即 295的基准线与 时刻温度变化曲线的相交位置，则斜温层厚度为 in()thl lx xLu x= (4) 以熔融盐 /泡沫碳化硅实验系统为例，当 =6 s时，斜温层下界面轴向位置为 xl=0.215 m，则此时斜温层厚度为 t=0.115 m。按照以上方法，可分别计算出 3 种实验系统在不同实验工况下的斜温层厚度，受篇幅限制，仅列出工况的结果于图 8 中。 由图 8 可知，随着蓄热过程的推进，斜温层的厚度不断增加，且其增加量逐渐趋缓，这说明大温差斜温层轴向传热所形成的热扰动随时间推移不断深入传播，然后逐渐减弱，趋于平稳。比较工况、工况及工况
37、可知，在保持熔融盐流量不变的条件下，三种实验系统中同一时刻的斜温层厚度随着其蓄热工作温差 (tintf)的增大而增加，但其整体增长趋势则逐渐变缓；对比工况、工况和工况中斜温层的变化可知，在保持蓄热温差 (tintf)不变的前提下提高其熔融盐流量，斜温层的厚度将 时间 /s 斜温层厚度/m单相流体 泡沫碳化硅 锆质蓄热球 0.140.100.060.020 16 24 328 图 8 实验工况下的斜温层厚度 Fig. 8 Thermocline thickness for the experimental case 略有增大，说明采用合理的进 /出口流量进行高温蓄热可以控制斜温层的形成及演化。
38、从图 8 中还可以看到，填充锆质蓄热球和泡沫碳化硅后，由于填料用量份额较大，且两者单位体积热容量小于熔融盐的热容量，在实验工况下的斜温层厚度较大，这对蓄热是不利的；但多孔介质填料的加入有利于保证熔融盐流体以重力流或活塞流平稳地导入 (或导出 )蓄热罐，并部分替代价格较贵的熔融盐传热蓄热介质，因而采用类似的球形颗粒或泡沫陶瓷多孔介质填料时需要综合考虑系统的蓄热容量以及经济性，优化调控其使用量与操作条件。而对于泡沫碳化硅这类具有很大比表面积的多孔介质填料，其密度以及等效比热容均比较低，对应的单位体积蓄热能力有限，实验条件下采用泡沫碳化硅作为填料的蓄热结构斜温层厚度最大；但另一方面，泡沫碳化硅良好的
39、导热性能、大的比表面积和三维网络微结构有利于斜温层的形成及其稳定发展，并可在一定程度上强化系统的传热蓄热性能，说明泡沫碳化硅在单罐斜温层蓄热方面是一种很有发展前景的多孔介质填料或成层材料。 5 结论 本文以太阳能高温热转换利用为研究背景，针对热量蓄存过程，构建了多尺度结构单罐斜温层混合蓄热方法及系统，通过实验测试研究了多尺度结构中熔融盐的流动与蓄热特性，并与熔融盐单相流体斜温层蓄热方式进行了对比分析，得出了以下一些结论： 1）在蓄热过程中，蓄热单罐内形成了稳定的斜温层，并且随着时间的推移，斜温层的位置沿熔融盐流动方向移动，其厚度不断增加，但增加量逐渐趋缓；在相应约束条件下，使用熔融盐单相流体也
40、可以实现斜温层单罐蓄热，并具有最小的斜温层厚度以及最大的有效蓄热体积容量，但由于过程参74 中 国 电 机 工 程 学 报 第 33 卷 数控制过于苛刻，从而限制了其实际工程应用；由于斜温层的存在， 3 种蓄热方式中的平均蓄热效率小于 80%，采用合理的低流速进行高温蓄热可以控制斜温层的形成及演化，从而提高系统的蓄热效率。 2）系统的有效蓄热容量主要取决于蓄热结构，包括多孔介质填料属性、结构型式、堆积方式及用量等，而与具体的操作方式 (蓄热或放热 )、工况参数 (如流体流量、工作温差等 )没有直接的关系。由于本文使用的混合硝酸熔融盐具有优异的热性能，其单位体积蓄热能力高于锆质蓄热球与泡沫碳化硅
41、，采用这两种多孔介质填料的斜温层混合蓄热结构的有效蓄热体积容量相对于熔融盐单相流体斜温层蓄热方式有所降低；另一方面，多孔介质填料的加入有利于保持熔融盐流体为理想的重力流或活塞流，并部分替代价格较贵的熔融盐传热蓄热介质，因而需要对系统的蓄热容量与经济性进行最优化设计。若采用体积热容优于熔融盐液的固体多孔介质填料， 则可以最大限度地发挥多孔介质在蓄 (放 )热过程调控以及经济性方面的优势，并获得理想的体积蓄热容量，减小斜温层的厚度进而提高蓄热效率。 参考文献 1 Herrmann U，Kearney D W Survey of thermal energy storage for paraboli
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