熔盐-空气型管翅式换热器防冻堵实验研究及数值分析

作     者：张帅 

作者单位：河北科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李洪涛;石建国

授予年度：2022年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：熔融盐 管翅式换热器 防冻堵 数值分析 

摘      要：熔盐换热器是熔盐高温储热工艺中的重要设备之一,保证其高效安全的工作是储热系统设计的关键一环。鉴于熔盐储热材料的凝固点高于环境温度的特点,在熔盐管路内不可避免会发生“冻堵问题。因此,如何解决熔盐换热器管道的“冻堵问题已成为工程领域及学术研究的热点,本文通过实验与数值模拟相结合的方式对其进行了研究,内容如下:(1)借鉴煤灰熔融性测试方法,采用图像法对不同配比的三元硝酸盐(KNO-Na NO-Na NO)灰锥试样熔融过程中形状特征进行了研究,给出了熔盐熔融过程中的特征温度。研究结果表明:1)特征温度随着三元盐配比的变化呈现非线性变化的规律;2)三元组分中硝酸钾比例对特征温度的影响占主要地位;3)实验数据中三元硝酸盐(KNO-Na NO-Na NO)质量分数比例为50%-40%-10%时特征温度较低。(2)选取与实验特征温度较低的混合硝酸三元盐相近的Hitec熔盐作为换热介质,依据重力回流防冻堵的设计理念,用效能传热单元数法(ε-NTU)对换热器管束结构和换热器外形进行了设计计算,并提出了极端情形下翅片管内预防“冻堵及其解凝的方案。(3)借助Fluent流体计算软件对熔盐防冻堵相关条件和解凝过程中单管内熔盐的热状态进行了数值仿真。研究发现:1)换热器预热后整体预热温度在220℃以上;2)在熔盐释热过程仿真中发现管内熔盐入口流速不得低于0.0336 m/s,否则管末端迎风面部分熔盐温度将低于熔点温度;3)解凝过程中所用热风温度越高,管内冻堵熔盐升温速率越快,采用300℃热风对管内冻堵熔盐进行解凝,时长9 min时可基本达到解凝要求,验证了本文提出的预防熔盐冻堵及其解凝方案的可行性。(4)对管外空气侧换热特性进行了数值分析,对比了换热器在不同边界条件下的综合换热效果,发现热风入口速度以及熔盐工作温度对其影响性较大。以上研究结果可为熔盐-空气型管翅式换热器防冻堵设计、研发和结构优化提供理论依据和参考。