熔盐强迫对流及混合对流传热研究

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紧迫的能源形势推动了太阳能热发电技术的迅猛发展,而高温传热蓄热技术作为太阳能热发电的关键环节,其性能的优劣直接制约着系统效率的提升及光热技术的应用前景。熔融盐以其宽泛的使用温度、蒸汽压低、良好的稳定性、经济性较好等优点,成为当前太阳能热发电站传热蓄热工质的首选。在光热发电核心部件如熔盐吸热器、熔盐换热器中存在强迫对流传热过程,此外在吸热器及槽式聚光集热器中还存在非均匀加热的混合对流传热现象。因此深入研究熔盐强迫对流及混合对流传热规律有助于加深对吸热器和换热器传热机理的理解,进一步提升核心部件性能,为熔盐吸热器和换热器设计提供理论依据和计算方法。虽然,美国在上世纪五十年代到七十年代曾进行过熔盐受迫对流传热实验研究,但未得到熔盐通用关联式,也未曾与众多经典关联式进行比对。此外,关于水平通道内熔盐混合对流传热的研究还未在公开文献中见过相关报道。本课题在国家“973”项目支持下,首先利用数值模拟方法研究了熔盐在水平方管内单面加热时的混合对流传热过程。仔细分析了底面、侧面及顶面加热时熔盐的流动与传热特性以及三种壁面加热条件下局部Nux数与无量纲距离的变化规律;总结了Nu数与Ri数、Re数间的变化关系,并对模拟数据的平均Nu数与湍流混合对流经典关联式进行了对比。结果表明:非均匀加热条件下产生的较大温差导致的熔盐密度差在重力作用下会产生浮升力效应,这种浮升力效应引发的二次涡流使得传热过程得到强化;三种加热情况下局部Nux数在充分发展段随流动距离的增加而增加,且增长趋势各有不同;模拟数据的平均Nu数与关联式的偏差绝大部分在±20%以内,且Nu侧面>Nu底面>Nu顶面。其次,在原有熔盐强迫对流传热实验的基础上对混合对流传热实验进行了改造。试图通过采用康铜膜及定制加热器作为加热元件来进行实验,虽未获得成功,但仍对失败原因进行了仔细分析,并积累了一些经验且有助于后期定制试验方案时避免此类问题的出现。最后,总结了本实验室得到的有关LiNO3与混合硝酸盐Hitec在光滑管内的传热实验数据。在本实验室得到的两种熔盐传热数据与国外公开文献中的实验数据的基础上,拟合得到了通用实验关联式;再将实验数据与经典对流传热关联式以及其他研究者公开发表文献中的实验数据进行比对,充分验证经典传热关联式对高温熔融盐的适用性,其中Hausen与Sider-Tate公式与本实验室的熔盐传热实验数据关联度较高。对三组结构横纹管内混合硝酸盐Hitec的强迫对流传热实验数据进行分析,拟合得到了各节距下的实验关联式及包含横纹管结构参数的对流传热通用关联式。
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