高温熔盐及熔盐换热器传热特性的实验和模拟研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 陈玉爽 |
| 答辩日期 | 2021 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 王纳秀 |
| 关键词 | 熔盐 熔盐换热器 传热特性 实验研究 模拟研究 |
| 英文摘要 | 高温熔盐换热器作为一种高效的传热设备,以其运行温度高、系统压力低和经济性能好等优点,已被广泛应用于新一代核能、太阳能发电和过程传热等领域。而熔盐作为熔盐换热器的传热介质是一种新型的传蓄热流体,现阶段对熔盐传热机理和熔盐换热器强化传热性能还缺乏全面深刻的认识;其次,高温熔盐换热器结构种类繁多、布置形式各异,导致其传热性能差异较大,而传统的换热器设计过程、理论计算方法和模拟分析手段是否适用于高温熔盐换热器还有待进一步实验验证,特别是对高熔点盐熔盐换热器的结构热设计及动态运行特性还有待进一步探索。基于此,本文依托多个高温熔盐回路试验台架,以应用较为广泛的间壁式换热器(包括:圆管套管式换热器、横纹管套管式换热器、单根蛇形盘管换热器、列管换热器等)为实验对象,开展了高温熔盐及熔盐换热器传热特性的实验和模拟研究工作。具体内容包括:本文第一部分设计了两种套管式熔盐换热器(圆管套管换热器、横纹管套管换热器),采用实验与理论相结合的方法对熔盐对流传热特性和传热机理进行了系统的剖析。首先,实验获得熔盐圆管传热数据并与多种熔盐实验结果进行归纳整理,给出熔盐圆管换热准则关联式并与传统经典关联式进行比较。其次,通过理论分析深入剖析了熔盐的传热机理。最后,实验获得了熔盐横纹管内不同流态下的传热规律和横纹管换热器的性能,深入揭示了熔盐强化传热规律和传热机理。研究表明:(1)熔盐圆管的湍流对流传热特性符合传统经验准则关联式,拟合的换热关联式与实验结果吻合的很好,偏差在±20%;(2)熔盐在横纹管内的过渡流和湍流的流态转折点较圆管的发生前移,分别为Re≈1300和Re≈6000;(3)横纹管换热器的传热性能明显高于圆管的,在过渡流和湍流状态,总传热系数平圴提高约2.5～2.8倍。本文第二部分设计开发了一种新型蛇形盘管式空气换热器,建立了一套分析计算特殊设计的换热器的分析方法并进行了验证。首先,系统地阐述了利用自编程序开展熔盐换热器热工水力设计的理论设计方法和过程。然后,分析讨论了变参数(熔盐温度、空气温升和换热管管径等)对结构热设计的影响规律。最后,对该换热器的传热性能进行实验研究和设计验证。此外,深刻揭示了影响换热器性能设计的壳程空气的对流换热规律。结果表明:实验结果与理论设计吻合较好,在工程可接受的偏差范围内,验证了理论设计的合理性;并且壳程传热实验结果与理论公式Zhukauskas符合的较好,最大偏差约为5.56%。该结果表明硝酸盐空气换热器的理论设计方法经验证可以应用于指导同种类熔盐换热器的工程设计。本文第三部分完成了国内首台高温氟盐列管式换热器传热性能实验,突破了熔盐传热实验只集中于硝酸盐和钠盐等低熔点盐的研究现状,具有一定的创新性。开展了换热器全尺寸空间上的三维仿真,论证了CFD软件在高温熔盐换热器上的适用性,并对高熔点盐空气换热器的结构优化设计和动态传热过程进行了全面分析。结果表明:模拟结果与实验结果吻合的较好,偏差在±10%以内,仿真分析不仅能较合理的反映出高温熔盐换热器的传热规律和传热特性,而且对高熔点盐空气换热器的优化设计和安全运行也提供了新思路。综上,本课题的研究增进了对高温熔盐和熔盐换热器传热特性的理解,通过理论热分析及其软件实现并辅以数值模拟等手段,全面深入认识了高温熔盐换热器的工作原理及传热机制,同时验证了设计和分析软件的工程适用性。不但为熔盐换热器的工程设计及性能优化提供了一定的理论指导,而且为其工程化规模设计提供了高效的解决方案,更对其在清洁能源中的应用开发提供了新思路。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/33874]  |
| 专题 | 中科院上海应用物理研究所2021-2022年 |
| 作者单位 | 1.中国科学院上海应用物理研究所 2.中国科学院大学; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 陈玉爽. 高温熔盐及熔盐换热器传热特性的实验和模拟研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
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