蓄热电池一体化设计

摘要

蓄热电池是一种新型的能量供应装置,它主要包括高温蓄热器、碱金属热电直接转换器、毛细冷却器三大部件,高温蓄热器是装置的热源,通过固体界面接触导热的方式将热量传递给碱金属热电直接转换器;热电转换器将吸收的热量直接转换为电能;毛细冷却器对热电转换器冷端壁面进行冷却,通过改变其冷端温度来实现对蓄热电池的变工况控制。本文主要对高温蓄热器与热电转换器之间的强化导热、毛细冷却器对热电转换器冷端的冷却、蓄热电池总体性能的仿真进行了研究。
　　 强化导热方面,本文采用在接触面间添加填充材料的方法来强化蓄热电池高温端的导热。本文采用截锥体模型模拟接触面轮廓,从而建立了接触面间传热的二维模型。并利用该模型研究了不同填充厚度以及不同填充材料对强化导热效果的影响,研究结果表明:当界面间无填充材料时因接触热阻过大而导致界面间温降过大,不能满足要求;通过比较不同填充厚度以及不同填充材料的强化导热效果,得到0.5mm的铜作为填充材料时界面间温降较小,能够满足要求,并求出此时的接触热阻,作为设计热阻。
　　 毛细冷却方面,本文在达西定律的基础上,建立了模拟毛细冷却器内部传热、传质和蒸发的二维模型,并通过在质量守恒方程和能量守恒方程中加入源相的方法解决了蒸发过程中质量交换和能量传递的问题,用VOF两相流模型成功地追踪了汽液界面;基于上述模型,采用数值模拟的方法研究了两种不同结构的毛细冷却器的性能,分别研究了毛细芯孔径、孔隙率、毛细芯材料等边界条件对毛细冷却器冷却性能和保温性能的影响,结果表明:在一定的范围内,一方面,毛细芯孔径越大、孔隙率越大、毛细芯材料导热系数越大,则加热壁面的温度水平越低,温度分布越均匀、冷却器内汽相体积越小,冷却效果越好,但是为了防止热电转换器内钠蒸汽的凝结,加热壁面温度不能太低,上述参数不能太大;另一方面,毛细芯孔径越大、孔隙率越大、毛细芯材料导热系数越小,则保温效果越好。
　　 总体性能仿真方面,建立了蓄热电池整体的仿真模型,通过仿真得到了高温蓄热器壁面温度Tx和冷却水温度Tf对蓄热电池变工况控制的性能曲线,同时还得到Tx能够实现蓄热电池的大幅度控制、Tf能够实现蓄热电池的小幅度控制的规律,两者相互结合能够实现蓄热电池的精确控制。