熔鹽傳熱蓄熱基礎(chǔ)研究課件

1、高溫傳熱蓄熱的基礎(chǔ)研究吳玉庭 馬重芳傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室傳熱與能源利用北京市重點實驗室北京工業(yè)大學(xué)2019.11.25 東莞匯報提綱熔鹽傳熱蓄熱應(yīng)用背景熔鹽對流傳熱熔鹽制備和熱物性槽式熔鹽集熱傳熱試驗系統(tǒng)1.1 熔鹽是理想的高溫傳熱工質(zhì)高溫傳熱工質(zhì)優(yōu)點缺點水蒸氣經(jīng)濟(jì)方便、直接帶動汽輪機使用溫度低、系統(tǒng)壓力大、傳熱能力小導(dǎo)熱油流動性好、傳熱能力強、系統(tǒng)壓力小價格貴、使用壽命短、溫度不能超過、泄露易著火液態(tài)金屬流動性好、傳熱能力強、使用溫度高且溫度范圍廣價格昂貴、易泄露、易著火甚至爆炸熱空氣經(jīng)濟(jì)方便、直接帶動燃?xì)廨啓C、使用溫度可達(dá)千度以上系統(tǒng)壓力大、傳熱能力比水蒸氣更小熔融鹽系統(tǒng)壓力

2、小、傳熱能力強、使用溫度較高、經(jīng)濟(jì)性較好、安全可靠容易凝固凍堵管路第四代核技術(shù) Generation IV Reactor反應(yīng)堆 Reator Type中子譜 冷卻劑 Coolant溫度 temperature(oC)鈉冷快堆 SFR快鈉550鉛合金快堆 LFR快鉛480-800氣冷快堆 GFR快氦850超常高溫堆 VHTR熱氦900-1000超臨界水冷堆 SCWR熱/快水510-625釷基熔鹽堆 TMSR熱/快熔鹽700-800先進(jìn)高溫堆 AHTR熱/快熔鹽800-1000先進(jìn)高溫堆 Advanced high temperature reactor釷基熔鹽堆Thorium-based mo

3、lten salt reactor熔鹽既做為傳熱工質(zhì)又做為蓄熱工質(zhì)成為太陽能熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢熔鹽傳熱蓄熱槽式太陽能電站熔鹽傳熱蓄熱塔式太陽能電站基于熔鹽高溫傳熱蓄熱的太陽能熱發(fā)電西班牙Gemasolar19MW 塔式熔鹽傳熱蓄熱太陽能熱電站該電站于2019年4月建成運行，使用了8500噸熔鹽，實現(xiàn)蓄熱15小時，實現(xiàn)了24小時連續(xù)發(fā)電，年運行小時數(shù)達(dá)到了6500小時，年發(fā)電量1.1億度電意大利Archimede 5MW熔鹽傳熱蓄熱槽式太陽能示范電站該電站從2019年6月建成，該電站使用了1300噸熔鹽，實現(xiàn)7小時蓄熱，槽式聚光系統(tǒng)集熱管出口溫度達(dá)到了540 , 蒸汽溫度達(dá)到了100bar，50

4、0 ，產(chǎn)生了5MW電功率，熔鹽管路連續(xù)循環(huán)達(dá)到了200天熔融鹽也是目前最可靠的高溫蓄熱工質(zhì)之一太陽能熱發(fā)電能夠提供穩(wěn)定連續(xù)可調(diào)高品質(zhì)電能 熔鹽解決了大規(guī)模蓄熱問題 太陽能熱發(fā)電可與低成本大規(guī)模熔鹽蓄熱結(jié)合 可提供穩(wěn)定的和符合用戶要求的高品質(zhì)電能 光伏風(fēng)力發(fā)電只能蓄電。 蓄電成本太高，無法大規(guī)模蓄能 光伏發(fā)電不穩(wěn)定，對電網(wǎng)沖擊大 陽光+熔鹽是人類能源問題的最終解決方案，這是大自然的恩賜 Andasol 1-3 150MW (SPAIN) Extresol 1-2 100MW(SPAIN)Manchasol 1-2 100MW (SPAIN) Valle 1-2 100MW (SPAIN) La

5、Flori 50MW (SPAIN) La Dehesa 50MW (SPAIN) Archime 5MW (ITALY) ASTE 1-2 100MW (SPAIN) la africana 50MW(SPAIN) Astexol 2 50MW (SPAIN) 總共有16座商業(yè)化運行槽式電站（共755MW,45萬噸熔鹽) 采用了大規(guī)模熔鹽蓄熱技術(shù)太陽能熱發(fā)電能夠提供穩(wěn)定連續(xù)可調(diào)高品質(zhì)電能太陽能熱發(fā)電能夠提供穩(wěn)定連續(xù)可調(diào)高品質(zhì)電能西班牙Gemasolar商業(yè)化運行塔式電站使用了15小時的熔鹽大規(guī)模蓄熱，在7月實現(xiàn)了24小時發(fā)電 美國在建的110MW Crescent Dunes 塔式電站也采用

6、熔鹽大規(guī)模蓄熱技術(shù)2.1 熔鹽光滑管內(nèi)受迫對流換熱試驗2.2 橫紋管內(nèi)受迫強化對流傳熱的2.2 熔鹽自然對流傳熱研究2.3 熔鹽混合對流傳熱研究2. 熔鹽對流傳熱油鹽換熱器鹽-水/蒸氣換熱器熔鹽吸熱器熔鹽對流傳熱及其強化是熔鹽傳熱蓄熱系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵熔鹽罐以上經(jīng)典關(guān)聯(lián)式已用水、空氣、制冷劑、有機流體的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證，但還未用熔鹽試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證2.1 熔鹽光滑管內(nèi)受迫對流換熱試驗 受迫對流換熱試驗系統(tǒng)2.1 熔鹽光滑管內(nèi)受迫對流換熱試驗Size of Tank: 0.7m1.2mMolten Salts in Tank2.1 熔鹽光滑管內(nèi)受迫對流換熱試驗 受迫對流換熱試驗系統(tǒng)硝酸鋰和三元硝酸

7、鹽試驗數(shù)據(jù) Full developed Turbulent Flow Transition Flow from Laminar Flow to Turbulent Flow 2.1 熔鹽光滑管內(nèi)受迫對流換熱試驗美國橡樹林國家實驗室試驗數(shù)據(jù) 2.1 熔鹽光滑管內(nèi)受迫對流換熱試驗 采用我們和橡樹嶺實驗室數(shù)據(jù)獲得了通用試驗關(guān)聯(lián)式2.1 熔鹽光滑管內(nèi)受迫對流換熱試驗 與經(jīng)典關(guān)聯(lián)式的比較2.1 熔鹽光滑管內(nèi)受迫對流換熱試驗 普朗特數(shù)的影響2.1 熔鹽光滑管內(nèi)受迫對流換熱試驗 2.1 熔鹽光滑管內(nèi)受迫對流換熱試驗 美國愛達(dá)荷國家實驗室2009年出版的兩篇科技報告中大篇幅引用我們的研究成果 世界最權(quán)威核能

8、研究機構(gòu)，世界第一個核電站設(shè)計單位，到目前為止已完成了52個核電站設(shè)計。有8000研究人員，占地2500平方公里2.1 熔鹽光滑管內(nèi)受迫對流換熱試驗 熔鹽傳熱特征方法一節(jié)總共有6頁，60%的篇幅（近4頁）直接引用我們的兩篇國際論文，該節(jié)推薦了2個公式和6幅圖，全部為我們的研究結(jié)果2.1 熔鹽光滑管內(nèi)受迫對流換熱試驗該報告推薦的熔鹽傳熱計算方法一節(jié)總共有3頁，80%的篇幅直接引用我們的兩篇國際論文，該節(jié)推薦了六個公式和4幅圖，全部為我們的研究結(jié)果。3.1 熔鹽光滑管內(nèi)受迫對流換熱試驗 2.2 熔鹽橫紋管強化傳熱的研究管號d(內(nèi)徑)mmP節(jié)距 mme肋高mmp/de/d11650.550.310.

9、03421690.550.570.034316160.7510.047橫紋管熔鹽強化傳熱實驗關(guān)聯(lián)式2.2 熔鹽橫紋管強化傳熱的研究e橫紋管與光滑管阻力系數(shù)的對比2.2 熔鹽橫紋管強化傳熱的研究阻力系數(shù)-雷諾數(shù)試驗關(guān)聯(lián)式強化傳熱效果的綜合評價2.2 熔鹽橫紋管強化傳熱的研究2.3 熔鹽自然對流換熱熔鹽自然對流換熱實驗臺Experimental System測試獲得了微細(xì)金屬絲表面自然對流換熱的實驗數(shù)據(jù)，與其他工質(zhì)試驗數(shù)據(jù)及經(jīng)典實驗關(guān)聯(lián)式具有很好的一致性2.3 熔鹽自然對流換熱382.3 熔鹽自然對流換熱數(shù)值模擬研究 Numerical Simulation2.4 熔鹽混合對流換熱2.4 熔鹽混合

10、對流換熱放大X-10mm處，沿流動方向的截面速度矢量分布圖底面熱流密度50kw/，進(jìn)口速度為0.25m/s的速度矢量場從圖中可以看出近壁處速度矢量有向上流動的趨勢。究其原因是近壁處溫度高，熔鹽密度降低，主流區(qū)熔鹽溫度相對較低，密度大，熔鹽的密度差致使其有向上流動的趨勢。y=800mm處的截面速度矢量分布圖。2.4 熔鹽混合對流換熱No. 42 / 432.4 熔鹽混合對流 測試段方管，外徑25mm，壁厚3mm，內(nèi)徑19mm，長1000mm。1.3 熔鹽混合對流換熱 Mixed Convection Heat Transfer3. 熔鹽配制及熱物性2.1 熔鹽配制和配方優(yōu)化2.2 熔鹽熱物性研究

11、 3.1 混合熔鹽的配制先后配制了130種混合熔鹽 這些熔鹽熔點不同，最高使用溫度不同可分別滿足槽式和塔式太陽能熱發(fā)電的需要 優(yōu)選了10種混合碳酸鹽熔鹽優(yōu)選熔點和結(jié)晶點約為400 分解溫度大于850 甚至高達(dá)熔點結(jié)晶點潛熱穩(wěn)定性密度K2CO3 +Na2CO3 +Li2CO337種三元混合碳酸鹽 37 kinds of ternary carbonates3.1 混合熔鹽的配制為了降低混合熔鹽的成本，在Solar Salt的基礎(chǔ)上，通過增加硝酸鋰和添加劑配制了新型混合熔鹽，進(jìn)行了初步的測試。質(zhì)量比熔點初晶點分解溫度LiNO3:KNO3:NaNO3:Additive-A=2:5:1:282.212

12、0604.9LiNO3:KNO3:NaNO3:Additive-A=2:6:1:285.4120612.0LiNO3:KNO3:NaNO3:Additive-A:Additive-B=2:6:1:1:1109.5187.5618.2LiNO3:KNO3:NaNO3:Additive-A:Additive-C=2:6:1:1:1126.2208.6623.4KNO3:NaNO3:Additive-A:Additive-D=6:2:1:1130.2209.7656.6KNO3:NaNO3:Additive-A:Additive-D=7:1:1:1129.0228.1687.2初步優(yōu)選的熔鹽3.1

13、混合熔鹽的配制 Preparation of mixed molten salt 同步熱分析儀 高溫低粘度測試儀3.2 混合熔鹽熱物性研究共晶與非共晶混合熔鹽的熔融峰特性典型熔融峰非典型熔融峰研究發(fā)現(xiàn)：有的配比能形成共晶熔鹽，有的配比不能形成共晶 是否形成共晶的標(biāo)準(zhǔn)是是否能形成單一典型熔融峰3.2 混合熔鹽熱物性研究加熱和冷卻曲線 放熱曲線首次進(jìn)行了9種高溫碳酸熔鹽冷卻DSC曲線的測試，研究發(fā)現(xiàn)，碳酸熔鹽的初晶點與其熔點不同，部分碳酸熔鹽初晶點高于熔點，部分碳酸熔鹽初晶點低于熔點3.2 混合熔鹽熱物性研究熔鹽熔解/凝固溫度與潛熱的對比研究熔點和熔化潛熱的測定凝固點和凝結(jié)潛熱的測定測量得到了9種

14、碳酸熔鹽的熔解/凝固溫度與潛熱，研究發(fā)現(xiàn)混合碳酸熔鹽的凝固點一般低于熔點。熔化潛熱大于凝結(jié)潛熱2.2 混合熔鹽熱物性研究比熱的測定與分析三元混合碳酸鹽比熱擬合曲線（質(zhì)量比5: 2: 3），R-Square=0.95046 ， 37號樣品的比熱 測試得到了9種配比熔鹽比熱與溫度的關(guān)系曲線，擬合得到了試驗關(guān)聯(lián)式2.2 混合熔鹽熱物性研究密度的測定與分析 測試得到的密度曲線（質(zhì)量比3:1:6） =2.34330.3357103T （898K T 1023K，R-Square=0.9998；）測試得到了9種碳酸熔鹽的密度變化曲線，并擬合得到了密度隨溫度變化的試驗關(guān)聯(lián)式擬合得到的密度試驗關(guān)聯(lián)式2.2 混

15、合熔鹽熱物性研究2.2 混合熔鹽熱物性研究粘度Water Hitec saltsFluride salts LiCO3Low melt point salts2.2 混合熔鹽熱物性研究混合熔鹽的熱穩(wěn)定性分析混合熔鹽密度的推算推算模型通過對測量值與計算值的比較發(fā)現(xiàn)，采用混合法則計算得到的混合熔鹽密度公式具有很高的精度，誤差不超過3%，完全可以滿足實驗的要求。2.2 混合熔鹽熱物性研究基于平滑硬球理論的純質(zhì)熔融氯化鹽密度推算氯化鹽溫度區(qū)間最大偏差平均偏差NaCl1100-1250K-7.5064%-6.352%LiCl900-1100K-13.341%-12.634%RbCl1000-1200K4

16、.164%1.201%KCl1050-1250K12.159%9.599%CsCl925-1125K6.396%3.231%1 楊進(jìn)學(xué)，郭航.熔融鹽物性精度對傳熱特性影響分析及粘度推算. 3.2 混合熔鹽熱物性研究熔融鹽粘度估算結(jié)果及與文獻(xiàn)值的比較表4 估算值與文獻(xiàn)值的最大偏差和平均偏差 熔融鹵化鹽的粘度估算結(jié)果能很好符合文獻(xiàn)中的粘度數(shù)據(jù)，表明估算結(jié)果具有較高精度，證明了形狀因子CSP估算熔融鹵化鹽粘度的可行性。3.2 混合熔鹽熱物性研究 Thermophysical properties study應(yīng)用形狀因子對應(yīng)態(tài)原理估算熔融鹵化鹽的粘度基于平滑硬球模型的純質(zhì)熔融氯化鹽的粘度推算目標(biāo)熔融鹽

17、：NaCl、KCl、CsCl、RbCl、AgCl、CaCl2 。僅需要已知：摩爾質(zhì)量、熔點、固態(tài)密度。氯化鹽溫度區(qū)間最大偏差平均偏差NaCl1100-1300K-13.203%-6.1338%KCl1050-1250K-12.882%1.052%CsCl925-1125K-4.843%0.41%RbCl1000-1200K-16.664%-10.651%AgCl750-950K-16.176%-3.8719%CaCl21050-1250K17.945%11.959%1 楊進(jìn)學(xué)，郭航.熔融鹽物性精度對傳熱特性影響分析及粘度推算. 3.2 混合熔鹽熱物性研究 Thermophysical properties study開口：5.77米長度：12米聚光倍數(shù)：5070倍最高溫度：3504. 熔鹽傳熱蓄熱槽式聚光集熱系統(tǒng)自行研制的槽式跟蹤裝置跟蹤精度：0.014. 熔鹽傳熱蓄熱槽式聚光集熱系統(tǒng)4. 熔鹽傳熱蓄熱槽式聚光集熱系統(tǒng)以導(dǎo)熱油工質(zhì)獲得了槽式聚光集熱系統(tǒng)性能變化規(guī)律，最高效率達(dá)到了70%以上本項目用自主研發(fā)的低熔點熔鹽代替導(dǎo)熱油做為吸熱傳熱工質(zhì)，在槽式系統(tǒng)中成功實現(xiàn)了循環(huán)，已運行3000小時4. 熔鹽傳熱蓄熱槽式聚光集熱系統(tǒng)結(jié) 論高溫