复杂流道内高温变物性熔盐对流传热特性及强化机理

Molten salt heat exchanger is a key part in the solar thermal power generation system, molten salt reactor and waste heat utilization system. High temperature difference and complex structure of flow duct will lead to the solidification of molten salts, deterioration of heat transfer, fracture of tubes and dead zone. Hence, it is of importance to study its heat transfer process due to the varied properties of molten salt depending on the operation temperature and high heat flux, which plays a key role to ensure the thermo-electric transition efficiency of commercial power stations. The heat transfer process of molten salt has the high temperature and heat flux, variable property of fluid, inhomogeneous velocity and temperature distribution. In this project, heat transfer characteristics will be studied through experiments at different buoyancy strength and structure of flow duct. The heat transfer characteristics of molten salt, the effect of buoyancy and flow duct structure on convective heat transfer are experimental studied through molten salt to water heat exchanger. Based on the experiment results, a theoretical model including buoyancy effect will be built to calculate convective heat transfer of molten salt flowing in complex flow duct. To analyze the mechanism of buoyancy and asymmetric boundary, distribution of dimensionless parameters, such as velocity, turbulent kinetic energy and Reynolds stress, will be studied in the near-wall zone. The model will lay the foundation for the use and development of molten salt heat exchanger.

熔盐换热器广泛应用于太阳能热发电系统、熔盐核电站和余热利用系统，其中大温差换热和复杂的流道结构会引起熔盐固液相变、局部传热恶化、传热管破裂、流动死区等问题，涉及对流、质量、热量和动量传递过程中变物性熔盐传输机制非常复杂，因此复杂流道内高温变物性熔盐对流传热技术是系统高效稳定运行的关键。项目针对高温、高热流、变物性及非对称流动边界和热边界特征，实验研究流道结构、浮升力强度、热边界条件等参数对熔盐流动传热过程的影响规律。通过熔盐/水换热系统实验测试和研究具有非对称边界的高温变物性熔盐对流传热特性、浮升力影响规律及复杂流道内熔盐对流传热的关键性影响因素。在实验研究基础上，提出含有浮升力作用的非对称边界高温变物性熔盐流动和能量传输理论模型，分析近壁区流体无量纲速度、湍动能、雷诺应力等分布规律，研究非对称边界特征与浮升力作用机制，揭示复杂流道内熔盐强化传热机理，为熔盐换热器的应用和发展奠定基础。

熔盐换热器广泛应用于太阳能热发电系统、熔盐核电站和余热利用系统，其中大温差换热和复杂的流道结构会引起熔盐固液相变、局部传热恶化、传热管破裂、流动死区等问题，因此复杂流道内高温变物性熔盐对流传热技术是系统高效稳定运行的关键。针对高温、高热流、变物性及非对称流动边界和热边界特征，实验研究了光滑壁面、环形结构流道内变物性熔盐对流传热特性，发现在相同雷诺数Re下熔盐温度越高，普朗特数Pr越小，努塞尔数Nu越低。实验还研究了熔盐混合对流传热特性，发现随着熔盐进口温度升高，浮升力参数Bo增大，入口段局部Nu数下降速度加快。实验得到的混合对流传热规律小于经典公式的计算值，说明自然对流对放热过程的影响小于吸热过程。拟合了混合对流传热关联式，拟合公式与实验最大差值为10.4%。在管壳式熔盐蒸汽发生器内，壳程熔盐对流传热Nu数大于圆管流动的Nu数，表明管束结构加强了熔盐的扰动，强化了换热。通过数值计算研究竖直环形通道内高温熔盐的流动传热特征，发现随着Bo值的增大，速度峰值向外管壁移动；最后，浮升力越大，靠近内管壁的熔盐速度越小，曲线变得平缓。雷诺应力分布曲线的最高点位于流道内管壁面处，最低点则在外管壁面，随着Bo数增加最高点有向流道中心移动的趋势，而最低点位置几乎保持不变。当不考虑浮升力影响时，湍流动能分布并非关于流道中心对称，而是整体偏向内侧壁面，且内管壁附近的最大值略高于外管壁的值，这与速度分布相反。由于流道内侧壁面的熔盐温度变化剧烈，流体剧烈扰动，造成速度为零或负值情况出现。虽然浮升力增强时湍流动能的最大值位置没有发生变化，但在其峰值强度却增大了1倍。项目进一步研究了管壳式熔盐蒸汽发生器内有为1根直管、7根直管、9根直管和3根U形管时高温变物性熔盐壳程流动换热特性，分析了流道结构和传热管内沸腾模式的影响，并开展了无机盐与导热油直接接触相变换热研究，实验测试了直接接触过程无机盐固液相变行为与换热特性，采用熔化/凝固模型与VOF模型建立了无机盐/导热油直接接触相变换热模型，并分析了直接接触换热过程中无机盐的熔化与凝固机理。通过计算不同结构下的换热过程，提出了强化无机盐直接接触换热的方法。