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试验研究高熔点熔盐在水平圆管的紊流传热特性

2020-05-30 680 上传者：管理员

摘要：搭建试验台研究高熔点熔盐在水平圆管的紊流传热特性，并分析圆管内局部传热规律。该试验雷诺数范围在（1.0～3.6）×104之间，普朗克数在4.75～8.00之间，根据实验数据并参考经典实验关联式，采用多元线性拟合熔盐平均传热努塞尔数实验关联式，其最大拟合误差为±10%；并将实验值与经典圆管紊流传热关联式以及低熔点熔盐传热实验关联式的计算值比较。结果表明：在工程允许范围内，部分经典对流传热关联式可描述熔盐管内传热特性；而低熔点熔盐传热实验关联式不适用于高熔点熔盐传热特性。

关键词：
传热特性
关联式
太阳能热发电
熔盐
电能
紊流
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引言

太阳能热发电技术被认为是最具应用前景的发电技术之一[1,2]。太阳能热电站常采用的传热工质包括蒸汽、导热油、液态金属、空气和熔融盐[3,4,5]。其中，熔融盐是太阳能热发电技术中一种非常有效的高温传热蓄热工质。目前，有太阳盐、Hitec和HitecXL这3种应用成熟的储热介质，其中太阳盐为60%NaNO3和40%KNO3的混合盐[6]。此熔盐在550℃以下时具有良好的稳定性，其因成本低、对普通材质管道及阀门具有较好的兼容性和较好的导热性能，而被广泛应用于太阳能热发电储热系统中[7,8,9]。国外对熔融盐的研究开始于20世纪70年代，意大利于1981年建立了第一座使用太阳盐作为传热工质的塔式太阳能热电站[9,10,11]，西班牙、美国等开始采用太阳盐作为传热工质进行太阳能热电系统的实验研究[12,13,14]。美国于1996年成功的建立SolarTwo太阳能热电站，为以后熔盐作为广泛使用的传热工质奠定了良好的基础[15]。中国对熔融盐的研究较晚，中山大学[16]采用静态熔融法研究出一种混合熔盐，具有497℃的高熔点，且高温下的热稳定性较好，使用温度最高可达800℃；北京工业大学团队研究了低熔点（80℃）熔盐管内强迫对流换热规律，孙李平[17]研究太阳能热电站传热工质的优选方法以及熔盐的腐蚀特性；华南理工大学[18]研究三元熔盐（熔点120℃）在管壳式换热器中的传热特性。中南大学研究高温三元熔盐相变点以及测量熔盐的导热系数。杨敏林等[19]通过实验发现Sieder-Tate公式不适用于低熔点熔盐在高温高热流密度下的传热。廖文俊等[20]研究高温熔融盐在太阳能蓄热系统中的工程应用。田增华等[21]设计槽式太阳能热发电双罐式熔融盐间接储热系统并进行储热性能研究。

由于太阳盐具有熔点高、易凝固、密度大、粘度大等特点[22]，国内多数学者主要研究低熔点熔盐与油或者常温水的传热性能，而低熔点熔盐换热实验关联式并不适用于高熔点传热规律[23]；此外，高熔点的太阳盐在高温下在换热管中的边界层较薄，因此具有潜在更大的单位传热面积和更好的传热性能[24]。而有关高熔点的太阳盐的传热性能与研究资料极少，且大都保密。因此，研究太阳盐在管内的传热规律很有意义并且具有很好的应用前景。基于此，本文建立试验台研究太阳盐在恒定热流下的局部传热规律，主要模拟太阳能辐射传热给集热管。首先，实验分析熔盐的平均传热努塞尔数并与经典对流传热关联式的计算值对比分析，得出经典对流传热公式在熔盐传热的适用性；然后，根据实验数据和经典对流传热关联式，采用多元线性拟合出熔盐平均传热努塞尔数的实验关联式，并与低熔点熔盐传热实验关联式进行比较，得出其适用性；最后，研究熔盐在水平管的局部传热努塞尔数，得出熔盐在水平管局部传热规律，以期为太阳能利用中的定日镜的设计提供参考。

1、实验系统及设备

1.1实验系统

实验采用电加热试验件即恒热流方式研究水平圆管的传热性能。熔盐传热实验系统如图1所示，主要包括高温熔盐循环回路、蒸汽循环回路、循环水回路、蒸汽-水换热循环回路。熔盐循环回路主要由熔盐罐、立式熔盐泵、预热器、管壳式换热器、冷却器、测量系统等组成。将固体熔盐在熔盐罐加热到220℃熔融状态后，通过熔盐泵将其打到预热器中继续加热到实验所需的温度工况下进入试验件。从试验件取出后进入套管式冷却器与高压汽水换热后返回熔盐罐。

图1熔盐传热实验系统图

实验设备主要有：高温熔盐泵（型号GY32-250）、电流互感器（型号HL82）、超声波流量计（型号FLEXIN-F704）、150/250变压器、变频器、高温阀门、K型铠装热电偶（镍铬-康铜，±0.5℃）、IMP采集系统（型号35951C，可同时采集20通道数据）。

1.2试验参数

水平圆管采用321不锈钢制成，进出口段均为0.25m,L=2m，Ф40×3mm。熔融盐温度测量：每隔0.5米安装K型铠装热电偶，每点安装5个，共25个；壁温测量：间隔为0.5m，总共选取5个点，每个截面隔8mm垂直高度共选取5个点并点焊K型热电偶丝，总共25个点。管外包裹2层保温棉，减少热量散失。具体如图2所示。实验中，熔盐工质工作压力为1.5MPa，入口温度为350℃，入口流速为0.3～1.0m/s，质量流量为0.5～1.7kg/s，加热功率90～180kW。

图2试验件结构图

1.3熔盐物性参数

实验所选取的熔盐为60%NaNO3和40%KNO3混合二元盐[24]，熔点约为220℃，分解温度约为550℃，其主要物性参数（温度T是换热器中熔盐温度的平均值，℃）如下：

定压比热容（J/kg·K):

公式1

密度（kg/m3):

公式2

导热系数（W/（m·K)):

公式3

动力粘度×10-3(Pa·s):

公式4

2、实验数据处理

2.1平均传热系数

实验测量参数是在一定时间的稳定状态下的平均值，实验当加热功率与熔盐吸热量的热平衡在+5%以内时，采集数据并采用平均值计算。

管外壁平均温度：

公式5

式中，Tw,out——圆管平均壁温，℃；Tw,n——管壁每点壁温，℃。

利用麦克劳林级数展开法，由含内热源的一维圆管导热微分方程推导得到管内壁温度Tw,in。根据管段进出口温度，求管内熔盐流体的平均温度：

公式6

计算总换热量，将管内传热量与功率相加求平均值，如二者热平衡相差在+5%以内，即认为系统平衡，该平均值为平均传热量：

公式7

公式8

式中，Qf——熔盐的吸热量，J;mf——熔盐的质量流量，kgh;cp——定压比热容，J/(kg∙K);Tf,in、Tf,out——熔盐进出口温度，℃；Q——平均吸热量，J;Qe——加热功率，W。

计算管内传热系数，传热面积Ai为管内壁表面积：

公式9

式中，Ai——以管外侧为基准的传热面积，m2。

2.2局部传热系数

根据测量的外壁温，利用麦克劳林级数展开法，由含内热源的一维圆管导热微分方程推导得到管内壁温度Tw,j。计算局部传热系数：

公式10

式中，W——加热功率，W;Tf,j——局部流体温度，℃；下标j——局部。

2.3误差分析及不确定度评估

实验不确定度δ根据式（7）计算[25]:

公式11

式中，xj、δxj——每个独立参数及其不确定度。

根据实验设备计算得出，本实验换热量、质量流速、总传热系数的误差分别为3.30%、4.12%、3.91%。

3、水平圆管传热特性分析

3.1水平圆管整体传热性能

实验采用恒定热流密度的方式研究熔盐在水平圆管的强迫对流特性。实验中熔盐的雷诺数Re在（1～3）×104之间，普郎克数Pr在4.75～8.00之间。水平圆管的总努塞尔数Nu在108～264之间。从图3可知，水平圆管Nu随Re的增大而增大，虽然Nu随热流密度的增大而逐渐减小，但受热流密度的影响不大。熔盐在水平圆管的流动呈紊流状态，且熔盐在流动过程中并无相变。因此其努塞尔数Nu的准则关系式可参照经典对流传热方程进行拟合，本文选择参照Gnielinski方程，并根据实验数据，采用多元线性回归拟合出高熔点熔盐在水平圆管处于紊流状态下的Nu准则关联式为：

公式12

图3不同热流密度下Nu随Re的变化情况

式（12）的适用范围：1×104<Re<3×104,4.75<Pr<8.0,0.05<Prf/Prw<20。根据拟合准则关联式计算出Nu并与实验值比较（如图4所示），其最大拟合误差为±10%。将拟合关联式与经典传热Gnielinski公式比较发现，拟合公式的雷诺数系数0.81027比Gnielinski公式中雷诺数的系数0.87小将近6.8%，而其他系数几乎一致。因为雷诺数是惯性力与粘性力的比值，其值与质量流速和当量直径之积成正比、与粘度反比，而熔盐粘度比水、导热油都大很多。因此相对于水、导热油等低粘度工质，在熔盐传热特性分析中，其粘度对其影响较大。

图4实验Nuexp与计算Nucal比较

将实验值与低熔点熔盐传热实验关联式[25]的计算值比较发现，低熔点熔盐传热实验关联式比实验值小，90%的实验数据是低熔点实验关联式计算值的1.35倍；50%的实验数据是此关联式计算值的1.2倍，说明在工程允许范围内（±20%），低熔点传热实验关联式并不适用高熔点熔盐的传热规律，如图5a所示。将实验值与吴玉庭等[26]通用实验关联式比较，从图5b得，80%以上实验数据在公式的+20%范围以内，而由图5c公式可得80%数据在公式的+35%之内。在工程上可用图5b公式描述二元盐的换热规律。

图5实验Nuexp与低熔点实验关联式计算Nucal比较

将实验所有数据和经典的管内紊流对流传热关联式对比分析，其结果如图6所示，实验数据分别与Sieder-Tate方程、Михеев方程的相差较大，最大偏差分别是+30%、+30%；而与Dittus-Boelter方程、Gnielinski方程的最大偏差均为+20%，因此在工程中可用DittusBoelter方程、Gnielinski方程来描述熔盐传热特性。

图6实验值与经典方程的计算值比较

上述4种经典对流传热方程的计算值均比实验值小，因为熔盐的比热、导热均随温度的升高而增大，其密度、粘度随温度的升高而减小，使得熔盐在管内的边界层变薄、流速增加，使得熔盐传热效果更好，且由于采用实验件直接加热法，熔盐传热时的温度波动剧烈、温度梯度很大，都对传热特性产生较大的影响。因此需对经典对流传热方程修正项重新修正。实验结果表明，若将4种方程最后修正(μf/μw)1.3项，那4种经典对流传热方程的最大误差将在+15%以内。

3.2水平圆管局部传热特性分析

实验件总共5个截面，本文选取1、3、5号3个截面进行分析。由图7可知，每个截面各点的局部Nu均随Re的增大而增大，且从水平圆管底部到顶部，其局部Nu逐渐增大，管顶的局部Nu是管底Nu的1.05～2.00倍；其次，以图7a为例，1-2、1-3、1-4这3点的局部传热努塞尔数几乎相同，图7b、图7c结果与之类似。因为熔盐密度较大，是水的2倍，其顶部测量温度高、密度小、流速大，故而传热效果更好。实验说明在槽式热电站中，若将太阳光反射聚集在管子上部，其传热性能越好，其蓄热量增加，发电效率越高。而随着热流密度的增大，3种截面的局部Nu变化规律与图3相似，即不受热流密度的影响。

图7局部Nu随Re变化

图8为水平圆管的3种截面顶部的局部Nu随Re的变化情况。由图8可知，水平管顶部的局部Nu随管长的增加逐渐减小，此规律与工质为水、导热油的局部传热系数在圆管内沿管长分布规律相同，主要是因为有入口效应的作用，进口传热效果较好。低热流密度下的局部传热Nu比高热流密度稍大，但其相差在±5%以内，说明热流密度对其局部传热Nu影响较小。

图8水平圆管顶部局部Nu随Re变化

4、结论

1）本文主要研究熔盐在水平圆管中处于紊流时的传热特性，并根据实验数据采用多元线性回归拟合出熔盐在水平圆管的努塞尔数准则关联式，其最大拟合误差为±10%。并将拟合关联式与经典关联式比较，其雷诺数系数相差约5%。

2）与经典的对流传热方程比较，实验结果表明，60%NaNO3和40%KNO3的混合盐在水平圆管的传热规律可用Dittus-Boelter方程、Gnielinski方程描述；而Sieder-Tate方程、Михеев方程误差较大，不在工程允许误差±20%范围内。将实验数据与低熔点熔盐传热实验关联式的计算值比较发现，此实验关联式并不适合高熔点熔盐的传热规律。

3）对水平圆管的局部Nu实验分析，圆管顶部的局部努塞尔数最大，传热效果最好；底部的局部努塞尔数最小，可在槽式热电站中改进聚光角度，用来提高发电效率。

参考文献：

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