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跨季节蓄热系统不可逆性评价方法与蓄热水库冷热掺混现象分析

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IRREVERSIBILITY EVALUATION FRAMEWORK FOR SEASONAL THERMAL ENERGY STORAGE SYSTEMS AND MIXING PHENOMENA IN HOT WATER STORAGE RESERVOIRS

摘要: 蓄热技术可解决零碳热能在时间、空间或强度上存在的供给与需求不匹配的问题,是建筑及城市能源系统实现碳中和的关键技术之一。对于我国北方城镇集中供热系统,若能通过跨季节蓄热技术储存全年采集的各类低品位余热,就可以利用这些热源全面满足北方城镇的冬季采暖需求,也能合理利用我国北方城镇地区现有集中供热热网的基础设施优势。但是,跨季节水体蓄热(或称蓄热水库)尚未实现技术突破和大规模应用,主要原因之一是超大规模蓄热水体内部流动和传热过程的基本原理尚不明晰,并且冷热掺混导致的温度品位损失模型也尚未建立,导致了现阶段我国工程研究人员缺乏足够的理论工具以开展超大规模水体蓄热装置的设计工作、也无法准确预测并评价水体蓄热的具体性能。我国亟需开展针对大型跨季节蓄热技术开展流体力学、传热学基础研究,并建立包括跨季节蓄热技术热学性能评价体系。针对以上研究需求,本研究报告拟从以下五个章节论述跨季节蓄热技术的重点基础理论问题:第一章介绍了跨季节蓄热的技术概况,列举了主要技术路径和特点,并重点阐述了现有跨季节蓄热工程温度品位损失过大的共性问题,指出热量不可逆传递是导致温度品位损失的关键原因;同时展示了以 火用 效率为代表的现有指标在评价蓄热损失特性方面的局限性,并明确了构建蓄热装置不可逆性评价体系的研究需求。第二章阐述了本研究构建的蓄热过程不可逆评价体系,首先,基于蓄热原理提出蓄热技术的再分类方法:流体置换式蓄热与换热器式蓄热;对比分析了熵、 火积 及最大做功能力作为评价参数在描述不可逆内部热量传递问题时的相互转换关系与区别,重点强调了 火积 及 火积 耗散参数在分析蓄热不可逆特性的优势。此外,基于蓄热过程为非平衡态、蓄热介质为连续体、并具有动量和热量耦合传递现象等物理特征,提出了描述 火积 参数传递与耗散现象的偏微分方程的不可逆特性分析方法。第三章提出了以跨季节蓄热介质为对象的 火积 耗散分析方法,首先,基于蓄热介质中的 火积 平衡原则定义了 火积 效率,并根据水体蓄热与地埋管蓄热的热传递原理提出区分理想过程与实际过程的 火积 耗散分析方法;推导了理想与实际过程下两类蓄热过程中的介质 火积 耗散解析解,并重点结合湍流理论和涡粘度模型提出湍流蓄热介质 火积 耗散的通用表达式;对比分析了水体蓄热与地埋管蓄热的 火积 耗散水平,并指出水体置换蓄热更适宜长周期蓄热的本质原因,也明确了尽量降低冷热掺混强度和相应 火积 耗散水平的工程设计方向。第四章介绍了蓄热水库的流动传热现象,从以温度分层为核心特点的蓄热水库的基本流动过程和传热过程两方面,概述基本现象和控制方程。第五章则深入分析蓄热水库水体冷热掺混现象的机理,首先分析了冷热掺混对应的传输现象的基本准则,并从三类冷热掺混的基本机理:宏观流动挟掺、剪切不稳定性导致的微观湍流掺混、内波破碎掺混分别开展物理现象和模型描述,通过论述自然分层水体、冷却池等同样展现温度分层特征的水体中的冷热掺混现象,类比分析蓄热水库中可能出现的冷热掺混情况。最后,第六章总结了本报告的主要研究成果,并通过提出四项研究蓄热水库 火积 耗散的关键问题展望未来研究。

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[V1] 2023-10-31 15:44:00 ChinaXiv:202311.00042V1 下载全文
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