高温熔盐蒸汽发生系统传热性能研究 何石泉.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143731 高温熔盐蒸汽发生系统传热性能研究 何石泉11,2，周孝清1,2，王维龙3 ( 1. 广州大学 建筑节能研究院，广东 广州 510006；. 广东省建筑节能与应用技术重点实验室，广东 广州510) (Email: heshiq@mail2.sysu.edu.cn) 摘要：关键词：；熔盐 0 引言 (蒸汽是太阳能热发电技术，(约300℃-1000℃)，且工作过程无相变，同时具有良好的流动特性和较大的热容量[1,2]，因此，以熔盐作为高温工质的蒸汽发生系统采用较小的传热面积便可获取高品质的蒸汽，此外，由于熔盐侧压力非常小，可以大幅降低设备的制造成本。 关于高温熔盐蒸汽发生系统的研究主要集中在可行性上。美国MSEE试验[3]测量了熔盐蒸汽发生系统的动态特性，证明了该系统的可行性和可操作性。但是，Solar Two电站在实际使用过程中发现，由于补给水的温度波动导致熔盐蒸汽发生系统发生熔盐凝固堵管，严重影响了系统的运行[4]。 本文实验研究高温熔盐蒸汽发生系统在正常工作状态和缺液状态下的蒸汽发生性能，通过控制补给水流量分析传热管在全部和部分浸没情况下系统的传热特性，为高温熔盐蒸汽发生系统的设计、制造及参数控制提供依据。 1 实验装置与方法 实验装置φ19×2 mm，外壳体内径为133 mm，换热段长度为650 mm，如图1。换热器竖直摆放，实验时熔盐从上部进入壳程，给水则从底部进入传热管。系统的工作状态与传热管内水的沸腾过程密切相关，通过改变给水流量可以调节传热管内液面高度，从而获得不同的沸腾工况。为保持补给水流量稳定，进口处采用水泵增压，传热管内液面高度通过液位电极控制，其中低位电极与熔盐进口处于同一截面，保证换热过程中传热管全部被液态水浸没。当水泵关闭时补给水流量大幅下降，传热管内液面高度降低，传热管内处于缺液沸腾状态，此时传热管部分处于浸没状态，液面情况通过液位镜观察。对于全部浸没情况，传热管内两相流主要为汽泡状流动，沸腾以过冷沸腾和核态沸腾为主；部分浸没情况主要为环状和雾状流，传热管的大部分面积为膜态沸腾，核态沸腾区面积非常小。实验主要测量的物理量有熔盐进出口温度、熔盐流量、进口水温、蒸汽流量、蒸汽温度和压力。 实验开始时先打开水系统使得换热器充满水，再开启装置的伴热系统，当传热管内的水沸腾后关闭伴热，然后将熔盐导入到换热器中，调节给水流量，待熔盐出口温度和蒸汽流量、温度、压力稳定后记录数据。熔盐进口温度和流量分别通过改变熔盐槽加热功率和熔盐阀门调节。 实验中熔盐体积流量采用LG型压差式流量计K型镍铬-镍硅热电偶0.1 ℃。蒸汽流量计采用LFX-2.5/1蒸汽流量计测量，精度等级为4.0级。 图 1 管壳式换热器结构简图 1.2 实验数据处理方法 熔盐放热量计算公式为： ………… ……………………(1) 其中Tin为熔盐进口温度，Tout为熔盐出口温度，ρ为熔盐密度，cp定压比热容，qv为体积流量。 产生蒸汽质量流速计算式为： ……………………..………………(2) 其中d为蒸汽流量计流道的内径，为蒸汽质量流量。 2熔盐蒸汽发生系统传热性能 2.1传热管全部浸没情况 图2为蒸汽出口处质量流速的变化规律。熔盐流量对蒸汽质量流速影响较小，在340 ℃时流量由0.9 m3/h增加至3.4 m3/h时流速波动小于10.3%。随着熔盐进口温度增加，蒸汽质量流速有所增大，进口温度为300 ℃时质量流速最大值为29.4 kg/(m2·s)，而升高到400 ℃时该值仅提高4%，为30.5 kg/(m2·s)。管束外部熔盐流动雷诺数小于3000，尚未到达湍流区，增加流量并不能有效地增加边界层流体的扰动，因此不能大幅提高熔盐的放热量，从而蒸汽量变化不明显。熔盐进口温度升高，换热温差增大，传热量增加，故蒸汽量上升。 图2 传热管全部浸没时蒸汽质量流速变化 图3为熔盐流量和进口温度对熔盐进出口温差的影响规律。由于高温下材料受热膨胀，导致熔盐泵最大流量下降，300 ℃时为3.3 m3/h而在400 ℃时该值为2.3 m3/h。随着流量增加熔盐进出口温差近似线性降低，进口温度为400 ℃、熔盐流量为0.48 m3/h时温差最大，为71 ℃，当进口温度为300 ℃、熔盐流量为3.1 m3/h时达到最小温差18 ℃。可以看到三个温度下温差变化规律几乎一致，说明熔盐进口温度对熔盐放热过程的影响很小。 图3 熔盐进出口温差变化 图4为熔盐放热量对比。随着熔盐流量增加放