管束外部高温熔盐的流动换热特性 何石泉.doc

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：113400 管束外部高温熔盐的流动换热特性 何石泉1，丁静1，陆建峰1，杨建平2，杨晓西2,3 ( 1.中山大学 工学院，广东 广州 510006； 2.华南理工大学 化学与化工学院，广东 广州510640； 3.东莞理工学院 广东省分布式能源系统重点实验室，广东 东莞 523808) (Tel: 020 Email: heshiq@mail2.sysu.edu.cn) 摘要：本文实验研究管壳式换热器管束外部高温熔盐的流动换热性能，测试不同熔盐流速下换热器的总传热系数，采用威尔逊图解法对管束外部高温熔盐的对流换热系数进行分离，并拟合相应的实验传热关联式。考虑高温熔盐的变物性特征，加入粘度项对Wiegand关联式进行修正，得到用于管束外熔盐传热的修正Wiegand关联式。通过比较实验数据与传热关联式发现，对于管束外熔盐的过渡流Wiegand方程的误差为5-12%，修正Wiegand方程误差小于5%；对于充分发展流动传热，Wiegand方程的误差为7-11%，而修正Wiegand方程误差小于4%。 关键词：太阳能热利用；管壳式换热器；熔盐；流动传热 0 引言 (聚光太阳能热发电电站常用熔盐作为传热蓄热介质来提高热发电效率[1]，而高温熔盐则需要通过蒸汽发生系统来实现能量的转换。作为熔盐回路与水回路的枢纽，蒸汽发生系统的性能直接影响着电站的性能。目前熔盐/水的蒸汽发生器设计面临的主要问题是熔盐冻堵和换热温差过大[2]，国际上相关的研究鲜有报道。鉴于熔盐的工作温度高、熔点高和腐蚀性等特点，准确掌握熔盐的对流传热规律有助于上述问题的解决。在管内对流传热研究方面，美国Solar Two电站[3]直接使用Sieder-Tate公式来计算熔盐的强迫对流换热，国内刘斌[4]通过管内熔盐和管外导热油的实验得到了修正的Sieder-Tate公式，文玉良[5]实验研究了横纹管内熔盐的传热特性并拟合了传热关联式，沈向阳[6]通过实验研究发现螺旋槽管对低粘度熔盐具有较好的强化传热效果，并得到了传热准则方程，杨敏林[7]等实验揭示了高温高热流密度条件下Sieder-Tate关联式已不能准确描述吸热管内熔盐的传热过程。管外熔盐的对流传热特性尚无详细研究，而对于换热器壳程的熔盐传热过程，由于管束效应而使得传热过程更为复杂，因而有必要通过实验来研究管束外部熔盐的传热特性。 本文通过实验研究了熔盐/水管壳式换热器的传热性能，特别研究了壳程熔盐对流换热系数随Re数的变化规律，并拟合得到实验传热关联式。 1 实验装置与实验方法 本实验的熔盐/水换热器为管壳式换热器，内部7根φ25 mm×2.5 mm的紫铜管成正三角形排列，每根管长为650 mm，壳体直径为133 mm，图1为其结构简图。换热器壳体外部的电加热器用于在实验开始前对壳体的预热，其外的保温层能减少换热过程的热损失。蒸汽包上安装压力计和温度计以实时监控蒸汽的压力和温度，蒸汽流量通过出口位置的流量计读取。 图1 熔盐蒸汽发生器结构简图 实验开始时先将熔盐升温至换热器所需的入口温度，然后开启熔盐泵将熔盐导入换热器的壳程，而低温的水通过给水泵从底部进入管程，两者在热交换过程中产生的蒸汽通过传热管进入蒸汽包，当蒸汽包内气压达到设定压力后输出蒸汽。换热进行一段时间后，熔盐进出口温度到达稳定，则实验达到热平衡，测量蒸汽流量及其温度值、熔盐流量、进口水温，然后计算熔盐和水之间的换热量以及换热器的总传热系数等实验数据。改变熔盐的流量反复进行测量就可以得到多组数据。由于管内为沸腾传热过程，同时实验过程中熔盐的热流密度变化较小(100 kW·m-2)，产生蒸汽的压力和温度恒定为0.1 MPa和100 ℃，故认为管内处于核态沸腾的初始阶段，因此管内放热系数为恒定值。 管壳式换热器的总换热系数计算公式为： ……………………………..(1) 其中，，，各计算参数见表1.。 由于管内传热系数hi恒定，假定，通过威尔逊法求得系数c，进而求得壳程熔盐的对流换热系数，再计算出壳程的Re数和Nu数： ……………………………………………(2) ……………………………………………(3) 式中当量直径，D为壳体直径。 对于Re数和Nu数的关联式，参考Wiegand方程[8]进行拟合： ……………..……………………..(4) 表1 计算参数 ：管壁材料导热系数 384 W·m-1·K-1 ：管壁厚度 2.5 mm