熔融鹽圓管內(nèi)強(qiáng)迫對流換熱的實驗研究.pdf

1、在氣候變化和能源安全成為當(dāng)今全球面對的共同挑戰(zhàn)的背景下，人類更加深刻的認(rèn)識到開發(fā)太陽能等可再生和綠色能源取代傳統(tǒng)的化石能源已經(jīng)不再是“遠(yuǎn)景規(guī)劃”，而是保持人類社會經(jīng)濟(jì)繼續(xù)發(fā)展的必由之路和終極推進(jìn)器。太陽能熱發(fā)電做為可再生能源發(fā)電中最有前途的發(fā)電方式之一，隨著其技術(shù)的不斷成熟和電站規(guī)模的持續(xù)增大，發(fā)電成本已經(jīng)降至12～17美分/千瓦時。太陽能熱發(fā)電技術(shù)正引起世界越來越多國家的重視，具有廣闊的發(fā)展前景。 高溫傳熱蓄熱技術(shù)是太陽能高溫

2、熱發(fā)電和其他高溫?zé)崂玫年P(guān)鍵技術(shù)之一。高溫?zé)彷d體做為太陽能熱發(fā)電和其他高溫?zé)崂孟到y(tǒng)中的傳熱和蓄熱介質(zhì)，其工作性能的好壞直接影響著系統(tǒng)的效率和應(yīng)用前景。目前，大量太陽能熱發(fā)電實驗和商業(yè)電站的工程運行已經(jīng)證明了熔融鹽——這種新的傳熱蓄熱工質(zhì)是已知各種傳統(tǒng)高溫?zé)彷d體中最好的。熔融鹽具有工作溫度高、使用溫度范圍廣、傳熱能力強(qiáng)、系統(tǒng)壓力小、經(jīng)濟(jì)性較好等一系列的優(yōu)點，熔融鹽已經(jīng)成為目前太陽能熱電站傳熱蓄熱工質(zhì)的首選。 盡管熔融鹽做為一種新

3、的高溫高熱流密度的傳熱蓄熱工質(zhì)已經(jīng)在國內(nèi)外得到了比較廣泛的應(yīng)用，在美國、意大利和西班牙等國家甚至已經(jīng)建成了利用熔融鹽做為傳熱蓄熱工質(zhì)的商業(yè)化太陽能熱電站，但國外對熔融鹽傳熱規(guī)律的研究還是非常缺乏。就作者所知，迄今為止，就熔融鹽管內(nèi)層流、過渡流以及湍流強(qiáng)迫對流換熱特性的實驗研究和實驗數(shù)據(jù)還沒有在任何一篇公開發(fā)表的文獻(xiàn)中出現(xiàn)過。在國外也沒有一所高校建立并成功運行高溫熔融鹽的強(qiáng)迫對流傳熱循環(huán)的實驗系統(tǒng)。目前進(jìn)行此項研究的一般是美國國家太陽能實

4、驗室，意大利新技術(shù)能源與環(huán)境國家研究局等國家級科研機(jī)構(gòu)，而且他們的研究主要集中在熔融鹽系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行和提高電站效率降低發(fā)電成本的基礎(chǔ)上，他們對如何防止熔融鹽凍堵、如何排鹽和如何電預(yù)熱以及關(guān)于熔鹽泵、熔融鹽系統(tǒng)熱效率、熔融鹽熱物性等做了大量的研究，而對熔融鹽管內(nèi)強(qiáng)迫對流傳熱系數(shù)、熔融鹽熱物性對傳熱性能的影響等并沒有相關(guān)報道。在國內(nèi)，中山大學(xué)丁靜教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組對新型混合熔鹽的配置以及混合熔鹽熱物性測試方面做了大量的研究工作，他們成功研究

5、出了多種添加劑可以使二元混合熔鹽熔點大幅度降低的同時并不改變混合熔融鹽的熱穩(wěn)定性，甚至還能夠進(jìn)一步提高混合熔鹽的最高使用溫度。但是針對熔融鹽對流換熱特性方面的研究也未見報道。 因此，對熔融鹽管內(nèi)對流換熱特性的研究基本上還是空白。 本課題在導(dǎo)師馬重芳教授的指導(dǎo)下，在副導(dǎo)師吳玉庭副研究員的直接幫助和國家“863”、“973”項目支持下，搭建了一套用于研究熔融鹽管內(nèi)強(qiáng)迫對流換熱特性的實驗臺系統(tǒng)，解決了熔融鹽高溫、腐蝕、毒性等帶

6、來的技術(shù)難題，掌握了熔融鹽系統(tǒng)管道和閥門的防凝固、管路預(yù)熱保溫、高溫熔融鹽的填充和卸出等技術(shù)方法，成功實現(xiàn)了上千小時的熔融鹽實驗循壞，第一次獲得了熔融鹽在圓形管道內(nèi)充分發(fā)展紊流和過渡流的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，整理總結(jié)出了熔融鹽管內(nèi)過渡流和充分發(fā)展紊流對流換熱特性的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。并通過實驗數(shù)據(jù)和經(jīng)典的傳熱經(jīng)驗關(guān)系式Dittus-Boelter方程、Colbum方程、Sieder-Tate方程、Petukhov方程以及Hausen方程和Gnielin

7、ski方程的對比，驗證了傳熱關(guān)系式仍然適用于高溫熔融鹽的結(jié)論。并且將熔融鹽和其他傳熱工質(zhì)進(jìn)行比較，得到了充分發(fā)展紊流不同工質(zhì)Nusselt數(shù)隨Prandtl數(shù)的影響情況。這些數(shù)據(jù)還沒有在任何一篇公開發(fā)表的文獻(xiàn)中出現(xiàn)過，本課題的工作填補(bǔ)了熔融鹽傳熱實驗和傳熱數(shù)據(jù)的空白。 此外，本文還創(chuàng)新的搭建了一套應(yīng)用于生物質(zhì)超臨界水氣化與太陽能耦合制氫系統(tǒng)的熔融鹽傳熱蓄熱系統(tǒng)，設(shè)計并制作了以熔融鹽為工質(zhì)的太陽能吸熱器和熔融鹽-生物質(zhì)換熱器，為熔