高温熔盐换热器及应用综述_杜江泳

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1、技术产品与工程高温熔盐换热器及应用综述1221*1■杜江泳邵方知杜炜张后雷刘心志(1.南京理工大学能源与动力工程学院；2.南京南瑞太阳能科技有限公司)摘要：介绍了高温熔盐在流道中的流动与换热特性及熔盐换热器研究发展现状，对熔盐换热器在能源生产系统(如太阳能热利用)和工业加热系统中的应用进行了述评，分析表明熔盐换热器可应用的领域众多，应用潜力巨大。简要介绍了熔盐桨叶换热器的工作过程及初步的研究工作，数值模拟表明转动换热面导致流动与换热存在明显的不对称性。关键词：高温熔盐；换热器；太阳能热利用；过程加热0引言熔点T

2、m以上。考虑到很多熔盐在高温下会分解，熔盐一般是指无机盐或其混合物的熔融态液因此熔盐的理论工作温度范围是在熔点Tm到热分体。常见的熔盐有硝酸盐、氯化盐、氟化盐、碳解温度Td之间，目前在120～1200℃范围内均可酸盐和硫酸盐等。熔盐具有使用温度范围广、蒸找到合适的熔盐工质，由于在300℃以内可采用汽压低、热容量大、高温粘度小、热稳定性高，导热油作工质，因此熔盐一般用于300～1200℃以及价廉易得等优点，是一种优良的传热蓄热介区间。质。可采用熔盐作工质形成近常压高温熔盐换热硝酸盐具有熔点低、热容量大、热稳定性高

3、、系统，在能源领域(包括可再生能源)和高温加腐蚀性相对较低等优点，已被广泛应用于300～[1-4]热领域中具有巨大的应用潜力。600℃温区的各种换热过程，是目前研究较多的常见的熔盐换热装置由熔盐锅炉(含熔盐熔盐工质，也是本文讨论的主要对象。表1给出[1]罐)、熔盐泵、熔盐换热器、熔盐管路和测试控了几种常见硝酸盐的性质。制系统组成，其中熔盐换热器的作用是利用熔盐氯化盐种类众多，如KCl-MgCl2-NaCl(物质从高温热源吸收热量或将熔盐携带的热量传递给的量浓度22%-51%-27%，熔点401℃)、MgCl2(

4、熔用热户，是熔盐换热系统的关键部件之一。本文点714℃)、KCl(熔点770℃)和NaCl(熔点802以熔盐换热器为中心内容，对相关的熔盐流动与℃)，传热蓄热能力强、价廉易得，可用于600～换热特性、换热器研究与应用现状等作简单介绍，1000℃温区。为后续深入研究提供参考。单组分氟化盐的熔点较高，如LiF和KF的熔点分别为848℃和856℃，一般用于900～12001高温熔盐的性质℃温区。碳酸盐熔点也较高，典型的如Na2CO3-熔盐的性质涉及内容很多，本节只介绍与换K2CO3(物质的量浓度50%-50%，熔点7

5、00℃)、热器设计有关的部分性质，特别是工作温区问题。Li2CO3(熔点723℃)、Na2CO3(熔点858℃)和与普通换热器使用的流体工质不同，熔盐在常温K2CO3(熔点898℃)等，一般用于800～1200℃下是固态，因此用作传热工质时，其温度必须在温区。典型的硫酸盐熔点一般在800℃以上，其收稿日期：2014-10-23基金项目：国家电网公司科技项目资助通信作者：张后雷(1971—)，男，博士、副教授，主要从事热能工程、太阳能光热技术等方面的研究。zhanghl@njust.edu.cn35SOLAREN

6、ERGY08/2015技术产品与工程表1典型硝酸盐的基本性质性质及组成NaNO3KNO360%NaNO3-40%KNO3(SolarSalt)53%KNO3-40%NaNO2-7%NaNO3(Hitec)熔点/℃307337220142上限温度/℃500500600535-1表面张力/mN·m114.50106.70109.20112.02-3密度/kg·m1820182718371791粘度/cP1.9102.111.7761.870-1电导率/Ω·cm1.3660.805－－-1-1导热系数/W·m·K0.

7、5810.4800.5190.387-1-1热容/J·kg·K1819134014951550-1熔化热/kJ·kg181.9399.6416180注：表中物性为硝酸盐在400℃时的性质[10]工作温区与氟化盐和碳酸盐接近。熔盐对流换热计算。Wu等实测了Hitec熔盐由于熔盐在常温下是固相，因此，熔盐换热在圆管内的对流换热特性(层流、过渡流和湍流)，设计和运行必须考虑动态特性，例如冷启动过程其结论也表明现有的通用对流换热关联式也适用等。熔盐在高温下工作时，设备受热会产生较大于熔盐。[11]的热变形，必须考虑由此

8、带来的设计问题。此外，Ferng等采用CFD方法模拟了FLiNaK许多熔盐具有不同程度的腐蚀性，在换热器选材熔盐在圆管内的对流换热特性，其雷诺数范围为45及结构设计方面需加以考虑。熔盐长期使用后还10～10，其数值模拟表明，充分发展流动时阻可能出现性能衰减现象，在换热器运行时亦需给力系数与Blassius预测结果一致，努塞尔特数与[12]予重视。Gnilinski关联式预测结果一致。S