熔融鹽圓管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、在氣候變化和能源安全成為當(dāng)今全球面對(duì)的共同挑戰(zhàn)的背景下，人類(lèi)更加深刻的認(rèn)識(shí)到開(kāi)發(fā)太陽(yáng)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(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)繼續(xù)發(fā)展的必由之路和終極推進(jìn)器。太陽(yáng)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(shí)。太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)正引起世界越來(lái)越多國(guó)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能熱發(fā)電實(shí)驗(yàn)和商業(yè)電站的工程運(yùn)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(diǎn)，熔融鹽已經(jīng)成為目前太陽(yáng)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(guó)內(nèi)外得到了比較廣泛的應(yīng)用，在美國(guó)、意大利和西班牙等國(guó)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(yáng)能熱電站，但國(guó)外對(duì)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(guò)渡流以及湍流強(qiáng)迫對(duì)流換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還沒(méi)有在任何一篇公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)中出現(xiàn)過(guò)。在國(guó)外也沒(méi)有一所高校建立并成功運(yùn)行高溫熔融鹽的強(qiáng)迫對(duì)流傳熱循環(huán)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。目前進(jìn)行此項(xiàng)研究的一般是美國(guó)國(guó)家太陽(yáng)能實(shí)

4、驗(yàn)室，意大利新技術(shù)能源與環(huán)境國(guó)家研究局等國(guó)家級(jí)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(yùn)行和提高電站效率降低發(fā)電成本的基礎(chǔ)上，他們對(duì)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(duì)熔融鹽管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流傳熱系數(shù)、熔融鹽熱物性對(duì)傳熱性能的影響等并沒(méi)有相關(guān)報(bào)道。在國(guó)內(nèi)，中山大學(xué)丁靜教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組對(duì)新型混合熔鹽的配置以及混合熔鹽熱物性測(cè)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(diǎn)大幅度降低的同時(shí)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(duì)熔融鹽對(duì)流換熱特性方面的研究也未見(jiàn)報(bào)道。 因此，對(duì)熔融鹽管內(nèi)對(duì)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(guó)家“863”、“973”項(xiàng)目支持下，搭建了一套用于研究熔融鹽管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流換熱特性的實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)，解決了熔融鹽高溫、腐蝕、毒性等帶

6、來(lái)的技術(shù)難題，掌握了熔融鹽系統(tǒng)管道和閥門(mén)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(shí)現(xiàn)了上千小時(shí)的熔融鹽實(shí)驗(yàn)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(guò)渡流的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理總結(jié)出了熔融鹽管內(nèi)過(guò)渡流和充分發(fā)展紊流對(duì)流換熱特性的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)典的傳熱經(jīng)驗(yàn)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(duì)比，驗(yàn)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(méi)有在任何一篇公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)中出現(xiàn)過(guò)，本課題的工作填補(bǔ)了熔融鹽傳熱實(shí)驗(yàn)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(yáng)能耦合制氫系統(tǒng)的熔融鹽傳熱蓄熱系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并制作了以熔融鹽為工質(zhì)的太陽(yáng)能吸熱器和熔融鹽-生物質(zhì)換熱器，為熔