北京工业大学：低熔点四元硝酸盐圆管内受迫对流换热特性

　　摘要：

　　为了验证经典对流换热关联式对于新型的低熔点四元硝酸盐的适用性，该文研究了不同工况下低熔点四元混合硝酸盐在套管式换热器内的受迫对流换热特性。通过套管式换热器内管中的熔盐与壳侧的导热油的换热实验，测量得到熔盐与导热油在套管式换热器实验段的进出口温度，并获得了熔盐与导热油的总传热系数。通过威尔逊分离法从总传热系数中分离得到熔盐侧的对流换热系数，从而研究圆管中熔盐的对流换热特性。结果表明：该低熔点四元盐在研究的充分发展紊流区域内，其雷诺数在1×10⁴～5×10⁴之间，普朗特数在4.9～15.5之间，熔盐和导热油的总换热系数在670～1300 W/(m²·K)之间，熔盐侧的对流换热系数在2900～7800 W/((m²·K)之间变化。根据实验数据拟合得出了低熔点四元盐在圆管中紊流段的对流换热关联式。将实验数据与经典的对流关联式比较发现，经典关联式仍然适用于低熔点四元混合硝酸盐的管内对流换热。该研究为熔融盐在太阳能热发电中的实际应用提供了参考数据。

　　关键词： 熔融盐；受迫对流；传热；紊流段

　　太阳能热发电因使用可持续的太阳能作为主要的能量来源，具有环境友好等一系列优点，其中传热蓄热是太阳能热发电技术中比较关键的一环，而在传热蓄热研究中工质的选择将直接影响到发电系统的效率。熔融盐作为传热蓄热介质中的一种，相比其他介质而言具有比热容大、热稳定性好、工作温度范围宽、工作压力和黏度低等优点，因此，非常适合用作太阳能热发电中的热载体，目前已经在国内外不少太阳能热电站中得到了应用。开展熔融盐在换热设备中的对流传热特性的研究对于太阳能热发电的发展至关重要，一方面可以给太阳能热发电站传热蓄热设备提供数据支撑，另一方面也可以指导其他领域的熔融盐换热设备的设计和改进。

　　Satoh等对高温和高普朗特数的HITEC盐（KNO₃/NaNO₂/NaNO₃质量比53：40：7）在圆管中的传热性能进行了研究，发现在改进的热流体回路实验中，熔盐的传热特性与经典的传热关系式具有很好的一致性。叶猛等研究了圆管中LiNO3熔盐的强制对流传热，得到了紊流段的努赛尔数和雷诺数的关系。中山大学的Lu等研究了HITEC盐在环形通道、螺旋槽和垂直环形管内的换热特性。Xiao等研究了螺旋环形管内混合硝酸盐处于不同流态时的换热特性。Qian等对HITEC盐在管壳式熔盐-水换热器管侧流动的传热性能进行了研究。通过分析管侧熔盐雷诺数在4138～11191区间内的实验数据，建立了传热关联式并与Gnielinski方程和Hausen方程进行了对比。He等测试了HITEC盐在管壳式换热器流动时的热特性，得到了管侧和壳侧的传热关系式并分别和Dittus-Boelter关联式进行了对比，发现管侧与壳侧的实验数据与Dittus-Boelter公式的偏差分别为10%和20%。Dong等研究了太阳盐（60% NaNO₃-40% KNO₃）在环形管式换热器中的强制对流传热性能。通过线性回归法拟合了一个对流换热公式，实验结果与该公式的误差在±10%以内。

　　目前，在对流换热实验中使用较多的熔融盐多为在太阳能热电站中应用比较成熟的HITEC盐和太阳盐，其中HITEC盐的熔点为142 ℃，太阳盐的熔点为220 ℃。这些盐的熔点相对较高，且可工作的上限温度又不够高，这使得熔融盐在太阳能热电站中的运行温度工况受到了制约。因此，有必要对熔点更低的、工作温度范围更广的低熔点盐的对流换热性能展开研究，以利于低熔点盐的实际应用。近几年有学者对低熔点盐进行了开发研究，刘闪威等对熔点为86 ℃，热稳定上限温度为600 ℃的低熔点盐与工质水之间的传热进行了研究。Del Rocío Rodríguez-Laguna等研制了六组分混合硝酸盐，并对其在固态和液态下的热性能进行了评价。该盐的熔化温度为60～75 ℃，热稳定性接近500 ℃，但未见这种盐的对流换热特性实验的报道。Villada等合成了工业HITEC盐和硝酸锂混合物，并检验了该混合物的热性能，这种新的混合物的熔融温度比工业用的HITEC降低了65 ℃，在氮气氛围中在600 ℃以下热稳定性良好，但目前未见对该盐进行对流换热性能研究的报道。总体上说，目前对于低熔点熔融盐的实验研究多为热物性方面的测量工作，对于传热实验的研究还相对不足。

　　本文在前期开发出熔点为84 ℃的四元混合硝酸盐的基础上，在套管式油-盐换热器中对该低熔点混合盐与导热油之间的受迫对流开展了实验研究，通过Wilson分离法对实验数据进行了整理分析，探究充分发展紊流区域内低熔点四元硝酸盐的对流换热特性。

　　实验系统如图1所示，由以下几个分系统组成：①熔融盐分系统；②导热油分系统；③冷却水分系统；④数采分系统。在分系统①中熔盐由泵从储盐罐内泵送至套管式换热器，在与导热油交换热量后回流至储盐罐内。系统中熔融盐泵可通过变频器进行变频调节，功率为3 kW，流量在0.1～0.5 m³/h的范围内，熔盐罐的加热功率为15 kW。分系统②中油泵的上限流量为10 m³/h，系统中配有功率为7 kW·h的冷却器用于使油处于恒定的温度工况。分系统③用于冷却高温熔盐泵，避免温度超过安全值而影响泵正常运转，水泵的流量为10 T/h。分系统④中使用Agilent数据采集仪进行数据收集，熔盐和导热油进出换热器的温度由Pt100型热电阻进行测量，热电阻的测温范围为0～500 ℃，精度为0.1 ℃。

图1   实验系统示意图

　　实验中所使用的熔融盐-导热油换热器为套管式换热器，材质为316L不锈钢，在内管的外表面缠绕有直径为3 mm的钢丝用于增强换热，换热器示意图如图2所示。在换热器的熔融盐和导热油进出口处分别设有混合室以减小实验误差，混合室内分别布置了Pt100型热电阻，用于工作流体在出入实验测试段时温度的检测。

图2   套管换热器示意图

　　本实验中采用自行研发的低熔点四元混合硝酸盐，其熔点为84 ℃，分解温度为628.5 ℃，平均潜热为80.28 J/g。由文献[17]得到该盐的基础物性，如表1所示。

表1   低熔点四元盐的基础物性

　　实验中所选用的导热油在300 ℃内具有较高的稳定性，其物性参数由文献[18]得知，如表2所示。

表2   导热油的基础物性

　　实验中两种工质在套管式换热器内流动，熔融盐走内管，导热油在内外管所形成的环形区域内逆向流动。实验中将导热油泵频率固定，由变频器改变熔融盐泵的出力，以此实现不同的熔盐流速工况，并通过改变两种工质流入到换热器时的温度来获得不同工况下的实验值。通过测量两种工质进出换热器时的温度和流量，并根据已经得到的工作流体的物性参数求出总换热系数K，最终根据Wilson法从K中将熔融盐的对流换热系数hs求解出来。

　　实验中熔融盐的Re数均大于10000处于紊流状态，对于强迫对流换热过程中的充分发展湍流，准则表达式可表示为

(1)

　　为了便于求解，式(1)可简化成

(2)

　　熔融盐流量可由热平衡方程求出

(3)

　　总换热系数K由公式(4)计算

(4)

　　总传热系数K与熔融盐的传热系数hs的公式可表示为

(5)

　　熔融盐的对流换热系数hs与其流速 us存在以下关系

(6)

　　将公式 (6) 代入公式 (5)中可得

(7)

　　式中，A、B、n的值可由实验数据拟合的方式得到。最后，根据公式(6)求出熔融盐的对流换热系数hs，进而得出Nu数。

　　表3列出了本实验的测量误差，同时根据误差传递理论得到了实验中计算参数的误差，其中，导热油和熔盐换热量的计算误差为3.59%，总传热系数的计算误差为3.89%，熔盐努赛尔数的计算误差为7.12%。

表3   实验测量参数及误差

　　通过Wilson分离法对全部紊流状态下的实验数据进行处理得出：C=0.0241，n=0.7937，m=1/3。因此紊流状态下熔融盐的对流传热关联式可由式(8)表示，实验数据与关联式较为吻合，上下偏差分别为+8%、-10%，如图3所示。紊流条件下数据的Re数和Pr数分别在1×104<Re<5×104，4.9<Pr<15.5的范围内。

(8)

图3   Nu和Re的拟合关系曲线

        在不同的导热油温度工况以及熔融盐温度工况下，换热器的总传热系数K与盐的Re的关系见图4，实验中油-盐的总传热系数在670～1300 W/(m2·K)之间变化，在相同的油泵频率和导热油进口温度下，随着Re和熔融盐温度的增加，总传热系数呈现逐步增长趋势。

图4   不同导热油温度工况下总传热系数和熔融盐Re的关系

　　实验中熔盐侧的对流换热系数hs与Re的变化如图5所示，在Re>10000的湍流段，熔盐侧的对流换热系数在2900～7800 W/(m2·K)之间变化，且随着熔盐温度的升高逐渐增加，在导热油进口温度由120 ℃上升至130 ℃再到140 ℃时，熔盐侧的对流换热系数也逐渐增加。考虑认为：随着导热油进口温度增加，导热油的比热容增大，总换热量增加，熔融盐流量增加，进而使管内的对流换热系数增加。

图5   不同导热油温度工况下熔盐侧对流传热系数和熔融盐Re的关系

　　将实验中得到的低熔点四元盐的实验数据与已有的经典对流换热公式进行对照，发现实验数据与Colburn方程的拟合偏差为+7%和-11%，与Dittus-Boelter方程的拟合偏差在-6%～15%之间，分别如图6和图7所示，实验数据与这两个经典方程具有较好的吻合度。图8和图9依次为实验数据与Gnielinski方程、Hausen方程的对比图，最大偏差均为负值，依次为-17%、-16%，实验数据与两方程的正偏差均较小，依次为+5%和+7%。

图6   实验数据和Colburn方程的拟合偏差

图7   实验数据和Dittus-Boelter方程的拟合偏差

图8   实验数据和Gnielinski方程的拟合偏差

图9   实验数据和Hausen方程的拟合偏差

　　由以上的对比数据中可看出，实验数据与经典传热方程的拟和偏差均在20%以内，展现出了良好的吻合度，证明了经典关联式仍可应用于低熔点四元混合硝酸盐。

　　此外，本文为了分析流体工质的类型对Nu数的影响，采集了其他文献中所使用的各类型工质的对流换热实验数据，并与本实验中所使用的低熔点四元混合硝酸盐的原始实验数据进行了对比，结果如图10所示。

图10   各类工质在湍流对流换热时Nu与Pr的关系

　　这些工质包括文献[18]中所使用的二元硝酸盐、文献[19]中美国橡树岭实验室中所使用的低雷诺数的并处于加热流动状态下的混合硝酸盐、文献[20]中所用的硝酸锂熔融盐、文献[21]中的流体工质HITEC盐。另外，本文还与非盐类的工质流体进行了比较，如文献[22]中所研究的水、乙烯和乙二醇的混合物、文献[23]中的空气工质以及文献[24]中的工质水，在这些文献中的工质的数据都是在被加热的条件下得出的，这些数据的Nu数和它们的Pr数的0.4次方匹配度较好。本实验中的低熔点四元硝酸盐数据是熔融盐在换热器内被导热油冷却的条件下得出的，因此，该工质的数据应更趋于Pr数的0.3次方。从图中可以看到，本文大部分实验数据落在两者之间并偏向于Pr数的0.3次方，与经典的关联式吻合较好。

　　本文开展了低熔点四元混合硝酸盐的管内受迫对流换热实验，为熔融盐与导热油换热的研究提供了参考，得到的结论如下。

　　（1）通过实验获得了低熔点四元盐Re数在1×104～5×104之间，Pr数在4.9～15.5之间处于充分发展紊流区域的管内受迫对流换热实验数据，并由实验数据拟合得出了对应的换热公式：。

　　（2）根据实验数据计算得到了油-盐的总传热系数及熔融盐侧的对流换热系数，总传热系数在670～1300 W/(m2·K)之间变化，熔融盐侧的对流换热系数在2900～7800 W/(m2·K)之间变化，通过分析得到了总传热系数和熔融盐侧对流换热系数随Re数以及油和盐进口温度变化的规律。

　　（3）通过将实验数据与经典的传热公式比较发现，实验数据与Colburn、Dittus-Boelter、Gnielinski以及Hausen方程拟合良好，最大偏差均在20%以内，表明了这些经典关联式仍然适用于低熔点四元盐在管内的受迫对流换热。

　　引用本文： 张春雨,郭航,吴玉庭等.低熔点四元硝酸盐圆管内受迫对流换热特性[J].储能科学与技术,2020,09(04):1091-1097. 

　　ZHANG Chunyu,GUO Hang,WU Yuting,et al.Forced convection heat transfer characteristics in a circular tube with low-melting-point quaternary nitrate[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(04):1091-1097.

　　第一作者：张春雨（1995—），男，硕士研究生，主要研究方向为熔盐及熔盐纳米流体受迫对流换热，E-mail：zhangchunyu2017@emails.bjut.edu.cn；通讯作者：郭航，教授，主要研究方向为清洁能源利用中的热流体问题，E-mail：hangguo@bjut.edu.cn。