高溫化學蓄熱器的技術研究.pdf

1、隨著近年來的科學技術迅速發(fā)展，人類已經(jīng)逐步將生存和競爭空間向太空和海底發(fā)展。各種航天和水下設備所攜帶的燃料受到設備本身的體積和重量的很大制約，傳統(tǒng)的燃料已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代技術的要求，因此攜帶儲存高密度的能量并在需要時將能量釋放，是人們急需解決的技術難題。儲能設備是解決以上問題的關鍵，在最近幾十年來越來越受到人們的重視。一些發(fā)達國家對此投入了大量的人力和物力進行研究，并取得了一定的成果。我們國家的一些高校和科研院所也對此進行了研究，并取得了

2、一些可喜的進展。 本文詳細的比較了三種適用于高溫下的儲能形式：以石墨為工作介質的顯熱蓄熱方式、以混合物80.5％LiF-19.5％CaF<,2>為工作介質的高溫相變蓄熱方式以及本文所重點研究的以Li/SF<,6>為反應物的高溫化學蓄熱方式。高溫化學反應蓄熱方式的特點是工作溫度范圍寬、可以在一定范圍內隨意調整所需要的溫度。Li/SF<,6>相對于傳統(tǒng)燃料能量密度高，生成產(chǎn)物為固體可以存放在反應器內部，燃料和氧化劑可以分別存儲，便于

3、存放和輸運。缺點則是技術難度較大：由于反應過程中釋放出大量的熱能，產(chǎn)生的溫度較高，對反應器的材料要求苛刻，反應燃料的價格也比較高，并且具有一定的危險性。 在缺少實驗數(shù)據(jù)的條件下，應用數(shù)值模擬的方法可以對實驗難以測量的參數(shù)進行預估，可以節(jié)省研究費用，縮短研制周期。應用數(shù)值模擬方法來解決高溫化學蓄熱器性能的分析和工程設計難題，是研究高溫化學蓄熱器內部反應過程機制的一個重要手段。 本文模擬將SF<,6>氧化劑氣體噴入到存有液態(tài)

4、金屬燃料Li密閉的反應器中，在液面交界處發(fā)生緩慢的燃燒反應過程。建立了高溫化學蓄熱器三維層流反應流的數(shù)學物理模型，在數(shù)值模擬過程中，對等高溫化學蓄熱器的計算區(qū)域的空間離散化引入貼體坐標系統(tǒng)，對于控制方程采用一階迎風格式進行離散，壁面處理采用壁面函數(shù)法；采用SIMPLE算法來計算壓力速度耦合問題；采用多重網(wǎng)格法來求解離散方程。 盡管目前的計算流體力學和燃燒理論的發(fā)展已經(jīng)比較完善，但是仍然無法很好地模擬反應器內氣、固、液三相同時存在

5、的溫度場和壓力場。本文適當?shù)睾喕嘶瘜W反應模型，忽略了固體產(chǎn)物以及反應中間產(chǎn)物對整個反應器的影響，應用層流有限速率化學反應模型模擬了高溫化學蓄熱器內部燃燒流動、傳熱、傳質、化學反應等復雜過程。同時，也進行了蓄熱器燃料Li/SF<,6>緩慢燃燒的試驗驗證，確保蓄熱方案的可行性以及燃燒的可控制性。并通過調整SF<,6>的流量，進行了幾種不同工作溫度點的試驗，達到了預期的試驗目的。 通過試驗和數(shù)值計算相結合的手段，對高溫化學蓄熱器進行