Experimental investigation on the distribution uniformity and pressure drop of perforated plate distributors for the innovative spray-type packed bed thermal storage (Open Access)
Lin Lin（林霖）, Liang Wang, Xipeng Lin, Ningning Xie, Haisheng Chen（陈海生）
Keywords: Spray-type packed bed; Perforated plate distributor; Distribution; Pressure drop; Thermal energy storage
DOI: 10.1016/j.partic.2021.05.003
储热技术是太阳能热发电系统的重要组成，是解决太阳辐照不稳定、降低发电成本的关键技术，其性能的好坏对太阳能热发电系统具有重要影响。低成本、高效率的储热技术是当前储热领域的研究热点。近日，中国科学院工程热物理研究所陈海生研究员团队在PARTICUOLOGY上发表研究论文，重点研究喷淋式填充床储热系统的多孔板液体分布器，获得了不同工况下的流态、均匀性与压降特性及其关联机理，并提出了多孔板液体分布器的优化设计方法。
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研究背景
太阳能光热电站作为一种太阳能热利用技术具有效率高、碳排放低、输出稳定等特点。其中光热电站中的储热系统能够解决太阳能存在的间歇性和不稳定性等缺点，可以延长发电时间、降低成本，还能起到调峰作用。填充床储热技术采用廉价的固体材料作为储热介质，相比于双罐熔盐储热技术，成本大幅降低，而且没有冻堵和腐蚀性等风险。本文研究的喷淋式填充床储热技术在传统填充床中引入液体分布器，将传热流体液滴均匀喷淋在填充床，从填充床顶部渗流向下的过程中实现储热和释热，具有换热能力强和传热流体用量低等优势。新型喷淋式填充床储热技术的关键部件—液体分布器的性能对持液量、均匀性、降低损耗等都有重要影响。本文针对喷淋式填充床储热系统的多孔板液体分布器开展实验研究，获得了不同工况下的流态、均匀性与压降特性及其关联机理，并发展了优化设计方法。
图1. 喷淋式填充床
论文亮点
※ 针对喷淋式填充床的多孔板液体分布器开展了均匀性和压降特性实验研究。
※ 发现了压降与分布性能的关联特征，提出了流态对分布性能的影响机制。
※ 提出了多孔板液体分布器的优化设计方法。
图文精读
1. 分布性能研究
本文实验分别研究了以水和导热油为工质在不同孔径的多孔板液体分布器的喷淋工况，图2为实验得到的喷淋分布云图。对比不同孔径之间的分布云图，三种孔径中很明显孔径为0.5 mm的多孔板喷淋性能最佳，较大或较小的孔径都会导致喷淋不均匀。分布性能与流量的关系并不明显。
图2. 以水为工质（a）和以导热油为工质（b）在不同孔径和不同流速下的分布云图
图3显示了在水/油实验中不同孔口直径的分布系数与流量之间的关系。从图中可以发现，以水为工质时，喷淋均匀性随着流速的增加而变得均匀。但以导热油为工质，分布系数在1 mm多孔板实验中是随着流速的增加而减小的，但是在0.25 mm/0.5 mm多孔板情况下，趋势正好相反，分布系数随着流量的增加而增加。这主要是因为导热油的黏度过大和较小的孔使得腔室中的压力激增太多，腔室中的过高压力使分布恶化。
图3. 分布系数随流速的变化：水（左），导热油T55（右）
对一个液体分布器而言，入口效应以及水平度是难以避免的扰动。从图4中可以看出，入口效应引起的中心流量聚集随着流速的增加而逐渐消失。抗倾斜能力如图5所示，两个多孔板的分布因子随着倾斜角的增加而降低，同时发现较小直径孔的多孔板液体分布器具有更强的抗倾斜能力。
图4. 流速对入口效应的影响
图5. 倾斜角对分布性的影响
2. 压降特性
传热流体通过多孔板的压降特性是液体分布器的另一个关键性能，将压降与喷淋均匀性联系起来有助于分析多孔板液体分布器的均匀性影响机理。
本文提出了多孔板喷淋器的压降理论模型，包括渐缩阻力损失、沿程阻力损失两部分。不同工作流体和不同多孔板工况下的实际压力损失和理论损失之间的对比如图6所示。以水为工作流体的实验中，理论和实验的平均误差在9.7%以内，而以导热油T55为工作流体的实验中，理论和实验的平均误差控制在6.3%以内。实验和理论的对比结果说明本研究采用的宏观流动模型适用于预测开孔直径由0.251变化到1.02 mm的多孔板的实际压降。
图6 理论压降和实验压降在不同工况下的对比：（a）以水为工质，多孔板孔径为1 mm；（b）以水为工质，多孔板孔径为0.5 mm；（c）以水为工质，多孔板孔径为0.25 mm；（d）以导热油为工质，多孔板孔径为1 mm；（e）以导热油为工质，多孔板孔径为0.5 mm；（f）以导热油为工质，多孔板孔径为0.25 mm
3. 分布均匀性和压降特性之间的关系
研究压降特性与均匀性之间的关系有助于衡量一个喷淋式填充床储热系统中喷淋装置的喷淋性能与泵功损耗之间的平衡得失关系。在本文中，所有工况下的分布系数与对应的压降放在同一对数坐标中，其中的压降采用压降实验验证的压降模型进行计算，结果如图7所示。在该图中，无论是水还是导热油T55，分布系数均随着压力损失的增加呈现先减少后增加的趋势，并且在100 Pa~1000 Pa压降区域，水和导热油T55实验的均匀系数均达到较为良好的均匀分布。通过分析实验现象以及结果，液体分布器要具有良好的喷淋分布性能至少需要满足两个条件：工作流体完全浸没和滴流状态。以两种条件的临界值作为边界的情况下，本小节将压降划分为三个区域：未覆盖区、滴流区、射流区。
针对滴流区到射流区的过渡，滴流状态到射流状态的转变是一个过渡范围，在整个过渡区都可能发展成射流状态。在本研究中，为确保滴流不变成射流状态，采用最早的临界点作为划分滴流区和射流区的依据，如图8所示。而未覆盖区向滴流区过渡的临界点在于工作流体正好扩散到整个多孔板平面，确保每个孔口都能够出现滴流现象。根据未覆盖区到滴流区以及滴流区到射流区的转变临界点，本研究提出一个分区准则。该分区准则能够为多孔板液体分布器提供理论指导，在设计过程中通过控制压降和We+, 使得多孔板液体分布器能在滴流区运行以获得较为良好的喷淋均匀性。
图7. 未覆盖区向滴流区转变
图8. 滴流区向射流区转变
总结
对于喷淋式填充床储热系统，液体分布器是关键部件，可以增强传热流体和储热介质之间的接触面积以进一步强化换热。本文实验研究了孔径、流量、入口效应和水平度对均匀性的影响，对小孔径多孔板的压降进行理论和实验分析。基于压降理论模型和分布系数，研究多孔板压降与分布均匀性的关联特性，得出了以下结论：
● 在低流速范围内，相对于流速，喷淋性能受孔径的影响更大，其分布均匀性在孔径参数上存在最佳值。增加流速可以消除入口影响，减小孔直径将增强液体分布器的抗倾斜性。
● 多孔板的压降对喷淋性能的具有较大影响，在滴流区运行的液体分布器在低流量范围内表现出优异的分布性能。
● 提出了“未覆盖区、滴流区、射流区”的分区准则可有效用于多孔板液体分布器优化设计。
通讯作者
陈海生，中国科学院工程热物理研究所研究员，博士生导师。长期从事大规模物理储能技术的研究和开发工作，在国内外学术期刊及会议上已发表学术论文400余篇，其中SCI收录200余篇，EI收录300余篇（论文总引用14000余次，SCI他引8000余次，H-Index为50)，专利300余项（其中国际6项，已授权260余项）。曾被Science Direct评为最受关注论文(Top 25 Hottest Paper)14篇次，16篇次论文被统计为ESI高被引论文(Top 1%)。出版专著3部，获邀参加编写专著13章(英文9章)，入选“Elsevier中国高被引学者榜单（能源领域）”等。曾获中国青年科技奖特别奖，北京市科学技术一等奖等。
供稿：原文作者
编辑：《颗粒学报》编辑部