储释冷循环对岩石材料性能的影响.docx

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1、储释冷循环对岩石材料性能的影响摘要：天然岩石作为深冷储能材料具有适宜温度范围宽、成木低和材料易得等优点，其在深冷温区的热物性和循环稳定性是影响蓄冷单元性能的关键。本文为探究储/择冷循环对岩石深冷储能材料性能的影响，建立了深冷储/释循环实瞪台，研究了千次储/拜冷循环对大理石、花岗岩、石灰岩和玄武岩四种岩石的热物性和强度的影响。实验结果表明，在千次储/择冷循环前后，大理石、玄武岩和石灰岩的外观均无发生明显变化，而花岗岩会存在少量的裂纹和脱落。循环储/择冷次对岩石的密度、导热系数和比热容均无明显的影响。大理石和玄武岩的抗压强度防着循环次数的熠加而基本不变：花闵岩和石灰岩的抗压强度附着循环次数的增加而

2、有较大的提高。基于实验结果获得了在深冷至常温区间内四种岩石材料的导热系数和比热容随温度变化的关系式。对比分析表明，四种岩石的体积储能密度存在较大差异，石灰岩的体积储能密度最大，而花岗岩的最小。本研究将为深冷储能单元及系统的研发提供重要基础数据。关键词：填充床：深冷蓄冷：储稀循环：热物性；储能为级解能源及环境危机，改善能源结构，保障能源安全,全球正加快发展清洁可再生能源.2018年，全球可再生能源发电装机为235IGW,占全球总装机容量的1/3以上，预计未来将会持续增长。随若可再生能源大规模接入，其间歇性和不粒定性对电网的安全稳定性带来巨大挑战，响特大规模储能技术为坚强稳定的电网提供有效支掠。压

3、缩空气储能系统（CAES）是适合大规模储电的储能技术之一，已有两座大型电站分别在德国和美国投入商业运行,为了进一步提高压缩空气储能系统的储能密度和摆脱时化石燃料的依赖，国内外发展了以空气液态存储为特征的液态空气储能（1.AES）和超临界压缩空气储能技术（SC-CAES）近年来，Amee1.、Chen1.i.Morgan、Kan1.haraj和SCiaCoVeHi等学者团队进一步发展完善1.AES和SC-CAES的系统循环和蓄冷子系统，并以提高系统循环效率为目标开展了一系列热力学、传热学和实验研究。蓄冷子系统是1.AES和SC-CAES的重要组成部分，荒冷效率对系统的循环效率有极大的影响。Mor

4、gan等对个蓄冷效率为51%的小型1.AES系统进行了实验研究,实验结果表明系统循环效率仅为8%.Guizzi等对一个蓄冷效率达70%的1.AES系统进行热力学分析，发现系统循环效率可达到50%。SCiaCoVeIIi等对采用填充床蓄冷的1.AES系统研究发现，从择能过程中回收利用冷能可以使空气液化过程的能量消耗减少约25%。Peng等对回收冷、热能的1.AES系统进行了热力学分析,研究发现蓄冷比蓄热对系统的效率影响更大,冷能损失导致储能系统效率损失约是热能损失的7倍。蓄冷子系统需要储存深冷（78.8K）至常温之间的冷能，具有蓄冷温度低和温度变化范围大等特点，对制冷材料的稳定性和安全性有较高的

5、要求。岩石等固体蓄冷材料具有适合温度范围宽、成本低和性质稳定的优点，因此岩石填充床蓄冷技术是重要的深冷蓄冷技术之一“HUiiermann等时填充床内蓄冷材利热物性的研究表明，岩石等蓄冷材料在低温至常温范围内热物性变化很大，对系统储能密度、填充床斜温层分布特性和出口温度非桎态特性均有一定影响。制冷子系统作为新型压缩空气储能系统的重要组成部分，其循环储释次数可达上万次，因此需要经历成上万次储/稀冷循环后仍性能稳定的蓄冷材料1然而目前尚无对深冷蓄冷材料多次循环性能的研究，并且缺乏相关热物性的测量数据，因此本文对多种岩石落冷材料进行了千次储/糅冷循环实的，测量了千次循环前后的导热系数、比热容、密度和抗

6、压强度，为深冷蓄冷子系统的设计研发提供依据。I实验装置及测量仪器本文以玄武岩、花岗岩、大理石和石灰岩这四种常用的岩石材料为研究对象,如图1所示。HKtt石英*Xf1.ti图I四种岩石样品为开展相关研窕，本文搭建了填充床储择冷过程的储/释冷循环实验台，如图2所示。为满足测量仪器对样品形状的要求，本实验中采用的是长方体，将样品随机地堆放在材料容器中，样品之间存在较大孔隙，容器为多孔壁面，用于液氮的迅速浸没与换热，堆放的体积为7()cm3,热电偶布置干岩石的内部中心处，用了测量岩石中心温度，保证岩石充分蓄冷.该储/稀冷循环实验台的运行原理是：模拟蓄冷过程中，通过控制步进电机，使岩石缓慢下降，浸没到液

7、斌中，直至岩石温度和液显温度-致时，蓄冷过程完成：模拟择冷过程中，电机驱动使岩石缓慢上升，离开液氮并停留在空气中，通过强制对流使岩石温度恢匆到环境温度时，择冷过程完成“择冷过程完成后，自动开启下一次循环.在储/样冷循环过程中，采用T型热电偶测量岩石内部的温度，采用N1.PX1.数据采集系统和1.abVieW软件进行数据采集，见图3。实验循环次数为I(X)O次，温度变化为-19620,见图4,实验过程中的蓄/释冷速率为055s,比实际深冷储能过程中蓄/择冷速率高一个旦级.图2自动循环储样冷实验台注：1一单片机：2电源：3一带支杆的电机：4一材料容器：5杜瓦罐：6一电热风扇：7PX1.I单片机2直

8、流电源3带支杆的电机8热电偶,1.9蓄冷材料OoH7假明-150-20001000200030004000时间/s图4岩石内部温度随时间变化岩石的外观观测使用CCD工业相机，型号为ZZw-21(X)HU-60,分辨率为1280X720,密度测fit使用璃MET1.ER-TO1.EDOXS205分析天平，导热系数通过瑞典TPS25OOS型HotDisk热物性分析仪测量，比热容的测量使用TAQ2000差示扫描量热仪，抗压强度采用MTS-815岩石试验机测量。2实验测用与结果讨论1.1 外观图5显示了大理石、石灰岩、花岗岩和玄武岩在千次循环前后外观的变化情图5实验前后四种岩石的外观变化通过观察发现，

9、大理石、石灰岩和玄武岩的外观没有明显变化。小部分花岗岩出现少量的脱落现象，如图6所示。这是由于花岗岩为类似层状结构，在多次的冷热交替之后内部应力不均匀导致其脱落。图6花岗岩循环I(XX)次时的外观1.2 密度在循环储/糅冷千次前后，每种岩石随机抽取3块样品进行密度测量，每次测量之前均采用清洗后烘干处理。测任仪罂为瑞士MET1.ER-TO1.EDOXS205分析天平及其密度测豉组件，密度测量精度为05%.4种岩石的密度测量结果如图7所示。图7四种岩石的循环前后密度变化由图7可以看出，四种岩石的密度比较接近，其中玄武岩的密度稍离于其他三种岩石，达到2.83gcm3,其余大理石、花岗岩和石灰岩的密度

10、基本相同。储/林冷循环前后岩石的密度差异不超过2%,在测量误差范围内，衣明岩石的密度基本不会受储/糅冷循环影响。1.3 导热系数岩石的导热系数使用HOk1.iSk热物性分析仪及Ka1.tgas超低温液氮恒温系统进行测量，测量了温度为-3OC、-80C、-130C和-I8(TC时的岩石导热系数。图8显示了4种岩石实验前后的导热系数随温度的变化情况，可以看出，大理石和石灰岩的导热系数随着温度的升高而降低，玄武岩的导热系数随着温度的升高而升高，花岗岩的导热系数随温度的变化基本保持不变。由图中可以看出，千次储/驿冷循环对四种岩石的导热系数堪本没有影响，4种样品的导热系数随温度基本呈现线性变化。在60-

11、40C范围内，对4种岩石样品的导热系数随温度变化进行线性拟合：k=A1.+B(O其中，k为导热系数，W(mC):，为温度，中位为C：A为斜率，W(mX?2)；B为截距，W(mC)：结果如表I所示。图8实验前后的导热系数随温度变化表I岩石的导热系数W(mC)材料项目ABR2大理石0.017742.925270.96713玄武雪0.!421.593050.89931石灰-0.008432.566120.95113花岗岩O2.483160.91329从图8可知，常温下4种岩石的导热系数差别不大，在温度为20C时，大理丁、石灰岩、花岗岩和玄武岩的导热系数分别为2.48、2.35、2.48和1.63W(

12、m-C)0但是，随着温度变化，四种岩石的变化趋势存在较大差异，其导热系数的绝对值也存在较大差异.在选用岩石时，不应只考虑其常祝下的导热系数，而应考虑其在整个工作温度范围区间的导热系数。计算其在-I60-40C之间的平均导热系数,结果如图9所示，可见大理石和石灰岩的平均导热系数较大,花岗岩和玄武岩的平均导热系数较小。-E强幅景的1.4 抗压强度岩石的抗压强度通过MTS-8I5万能试验机测量得出，将岩石加工成25nnX2mmX2mm的长方体，并对其进行岩石的单轴抗压强度试眩，得到其破坏载荷和抗压强度，再将其修正为标准的抗压强度。每种岩石均随机选取五块进行储/择冷循环前后的雎轴抗压强度试验，将每种样

13、品的五块岩新的测量值进行平均计算，得到其平均结果如图10所示。180160140120100806040大理石花岗岩石灰岩玄武岩图10实验前后4种岩石抗压强度变化从图10可知，岩石的抗压强度较大,均超过40MPk从实险前后对比可知，岩石的抗压强度具有一定的变化，大理石和玄武岩的抗压强度1000次循环前后基本不变：花岗岩和石灰岩在I(XX)次循环后，抗压强度有较大的提高。1.5 比热容OO200-ISO100soCb)4EM0.60.-y*s002-ISO-100-SO050fi材料项HABR:大理石0.001810.803810.96027玄武岩0.2270.750920.97347石灰岩0.

14、002090.8580.97149花岗岩0.2190.737160.98756并计算其在6040匕之间的平均比热容，结果如图12所示。1.00.80.60.40.20.0大理石花岗岩石灰岩玄武岩图124种岩石的平均比热容从图12可知，在-16040C温度区间内四种岩石样品的比热容比较接近，在0.6!-0.73J(gX?).1.6 储能密度计算四种岩石的体积储能密度q=PCP(3)其中，q为体枳储能密度，J(cm3*C);为密度，g/cm3；CP为平均比热容，J(gC),结果如图13所示.2.52.01.51.00.50.0大理石花岗岩石灰岩玄武岩1.74图13四种岩石的体枳储能密度从图13可知，丁灰岩的体积储能密度最大。综合比较4种岩石的性能可见，石灰岩具有储能密度大、平均导热系数高、抗压强度高、不易脱落等优点，可优先选用石灰岩作为岩石深冷储能材料