高溫化學(xué)蓄熱器的技術(shù)研究.pdf

1、隨著近年來(lái)的科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，人類已經(jīng)逐步將生存和競(jìng)爭(zhēng)空間向太空和海底發(fā)展。各種航天和水下設(shè)備所攜帶的燃料受到設(shè)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(shù)的要求，因此攜帶儲(chǔ)存高密度的能量并在需要時(shí)將能量釋放，是人們急需解決的技術(shù)難題。儲(chǔ)能設(shè)備是解決以上問(wèn)題的關(guān)鍵，在最近幾十年來(lái)越來(lái)越受到人們的重視。一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)此投入了大量的人力和物力進(jìn)行研究，并取得了一定的成果。我們國(guó)家的一些高校和科研院所也對(duì)此進(jìn)行了研究，并取得了

2、一些可喜的進(jìn)展。 本文詳細(xì)的比較了三種適用于高溫下的儲(chǔ)能形式：以石墨為工作介質(zhì)的顯熱蓄熱方式、以混合物80.5％LiF-19.5％CaF<,2>為工作介質(zhì)的高溫相變蓄熱方式以及本文所重點(diǎn)研究的以Li/SF<,6>為反應(yīng)物的高溫化學(xué)蓄熱方式。高溫化學(xué)反應(yīng)蓄熱方式的特點(diǎn)是工作溫度范圍寬、可以在一定范圍內(nèi)隨意調(diào)整所需要的溫度。Li/SF<,6>相對(duì)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(yīng)器內(nèi)部，燃料和氧化劑可以分別存儲(chǔ)，便于

3、存放和輸運(yùn)。缺點(diǎn)則是技術(shù)難度較大：由于反應(yīng)過(guò)程中釋放出大量的熱能，產(chǎn)生的溫度較高，對(duì)反應(yīng)器的材料要求苛刻，反應(yīng)燃料的價(jià)格也比較高，并且具有一定的危險(xiǎn)性。 在缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的條件下，應(yīng)用數(shù)值模擬的方法可以對(duì)實(shí)驗(yàn)難以測(cè)量的參數(shù)進(jìn)行預(yù)估，可以節(jié)省研究費(fèi)用，縮短研制周期。應(yīng)用數(shù)值模擬方法來(lái)解決高溫化學(xué)蓄熱器性能的分析和工程設(shè)計(jì)難題，是研究高溫化學(xué)蓄熱器內(nèi)部反應(yīng)過(guò)程機(jī)制的一個(gè)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(yīng)器中，在液面交界處發(fā)生緩慢的燃燒反應(yīng)過(guò)程。建立了高溫化學(xué)蓄熱器三維層流反應(yīng)流的數(shù)學(xué)物理模型，在數(shù)值模擬過(guò)程中，對(duì)等高溫化學(xué)蓄熱器的計(jì)算區(qū)域的空間離散化引入貼體坐標(biāo)系統(tǒng)，對(duì)于控制方程采用一階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，壁面處理采用壁面函數(shù)法；采用SIMPLE算法來(lái)計(jì)算壓力速度耦合問(wèn)題；采用多重網(wǎng)格法來(lái)求解離散方程。 盡管目前的計(jì)算流體力學(xué)和燃燒理論的發(fā)展已經(jīng)比較完善，但是仍然無(wú)法很好地模擬反應(yīng)器內(nèi)氣、固、液三相同時(shí)存在

5、的溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。本文適當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化了化學(xué)反應(yīng)模型，忽略了固體產(chǎn)物以及反應(yīng)中間產(chǎn)物對(duì)整個(gè)反應(yīng)器的影響，應(yīng)用層流有限速率化學(xué)反應(yīng)模型模擬了高溫化學(xué)蓄熱器內(nèi)部燃燒流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜過(guò)程。同時(shí)，也進(jìn)行了蓄熱器燃料Li/SF<,6>緩慢燃燒的試驗(yàn)驗(yàn)證，確保蓄熱方案的可行性以及燃燒的可控制性。并通過(guò)調(diào)整SF<,6>的流量，進(jìn)行了幾種不同工作溫度點(diǎn)的試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)康摹?通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的手段，對(duì)高溫化學(xué)蓄熱器進(jìn)行