高温传热蓄热的基础研究高温传热蓄热的基础研究吴玉庭吴玉庭吴玉庭吴玉庭 马重芳马重芳马重芳马重芳传热强化与过程节能教育部重点实验室传热强化与过程节能教育部重点实验室传热强化与过程节能教育部重点实验室传热强化与过程节能教育部重点实验室传热与能源利用北京市重点实验室传热与能源利用北京市重点实验室传热与能源利用北京市重点实验室传热与能源利用北京市重点实验室北京工业大学北京工业大学北京工业大学北京工业大学2019.11.25 2019.11.25 2019.11.25 2019.11.25 东莞东莞东莞东莞汇报提纲汇报提纲1.熔盐传热蓄热应用背景熔盐传热蓄热应用背景2.熔盐对流传热熔盐对流传热3.熔盐制备和热物性熔盐制备和热物性4.槽式熔盐集热传热试验系统槽式熔盐集热传热试验系统1.1 熔盐是理想的高温传热工质熔盐是理想的高温传热工质高温传热工质高温传热工质优点优点缺点缺点水蒸气水蒸气经济方便、直接带动汽轮机经济方便、直接带动汽轮机使使用用温温度度低低、系系统统压压力力大大、传传热能力小热能力小导热油导热油流流动动性性好好、传传热热能能力力强强、系系统压力小统压力小价价格格贵贵、使使用用寿寿命命短短、温温度度不不能超过、泄露易着火能超过、泄露易着火液态金属液态金属流流动动性性好好、传传热热能能力力强强、使使用温度高且温度范围广用温度高且温度范围广价价格格昂昂贵贵、易易泄泄露露、易易着着火火甚甚至爆炸至爆炸热空气热空气经经济济方方便便、直直接接带带动动燃燃气气轮轮机机、使用温度可达千度以上、使用温度可达千度以上系系统统压压力力大大、传传热热能能力力比比水水蒸蒸气更小气更小熔融盐熔融盐系系统统压压力力小小、传传热热能能力力强强、使使用用温温度度较较高高、经经济济性性较较好好、安全可靠安全可靠容易凝固冻堵管路容易凝固冻堵管路第四代核技术第四代核技术 Generation IV Reactor反应堆 Reator Type中子谱 冷却剂 Coolant温度 temperature(oC)钠冷快堆 SFR快钠550铅合金快堆 LFR快铅480-800气冷快堆 GFR快氦850超常高温堆 VHTR热氦900-1000超临界水冷堆 SCWR热/快水510-625钍基熔盐堆 TMSR热/快熔盐700-800先进高温堆 AHTR热/快熔盐800-1000先进高温堆先进高温堆 Advanced high temperature reactor钍基熔盐堆钍基熔盐堆Thorium-based molten salt reactor熔盐既做为传热工熔盐既做为传热工质又做为蓄热工质质又做为蓄热工质成为太阳能热发电成为太阳能热发电技术发展趋势技术发展趋势熔盐传热蓄热槽式太阳能电站熔盐传热蓄热槽式太阳能电站熔盐传热蓄热塔式太熔盐传热蓄热塔式太阳能电站阳能电站基于熔盐高温传热蓄热的太阳能热发电基于熔盐高温传热蓄热的太阳能热发电西班牙西班牙Gemasolar19MW Gemasolar19MW 塔式熔盐传热蓄热太阳塔式熔盐传热蓄热太阳能热电站能热电站该电站于该电站于2019年年4月建成运行，使月建成运行，使用了用了8500吨熔盐，实现蓄热吨熔盐，实现蓄热15小小时，实现了时，实现了24小时连续发电，年小时连续发电，年运行小时数达到了运行小时数达到了6500小时，年小时，年发电量发电量1.1亿度电亿度电意大利意大利Archimede 5MW熔盐传热蓄热槽式太熔盐传热蓄热槽式太阳能示范电站阳能示范电站该电站从该电站从2019年年6月建成，月建成，该电站使用了该电站使用了1300吨熔盐，吨熔盐，实现实现7小时蓄热，槽式聚小时蓄热，槽式聚光系统集热管出口温度达光系统集热管出口温度达到了到了540 , 蒸汽温度达蒸汽温度达到了到了100bar，500 ，产，产生了生了5MW电功率，熔盐电功率，熔盐管路连续循环达到了管路连续循环达到了200天天熔融盐也是目前最可靠的高温蓄热工质之一熔融盐也是目前最可靠的高温蓄热工质之一太阳能热发电能够提供稳定连续可调高品质电能太阳能热发电能够提供稳定连续可调高品质电能 熔盐熔盐解决了大规模蓄热问题解决了大规模蓄热问题 太阳能热发电可与低成本大规模熔盐蓄热结合太阳能热发电可与低成本大规模熔盐蓄热结合 可提供稳定的和符合用户要求的高品质电能可提供稳定的和符合用户要求的高品质电能 光伏风力发电只能蓄电。光伏风力发电只能蓄电。 蓄电成本太高，无法大规模蓄能蓄电成本太高，无法大规模蓄能 光伏发电不稳定，对电网冲击大光伏发电不稳定，对电网冲击大 阳光阳光+熔盐是人类能源问题的最终解决方案，这是大自然的恩赐熔盐是人类能源问题的最终解决方案，这是大自然的恩赐 Andasol 1-3 150MW (SPAIN) Extresol 1-2 100MW(SPAIN)Manchasol 1-2 100MW (SPAIN) Valle 1-2 100MW (SPAIN) La Flori 50MW (SPAIN) La Dehesa 50MW (SPAIN) Archime 5MW (ITALY) ASTE 1-2 100MW (SPAIN) la africana 50MW(SPAIN) Astexol 2 50MW (SPAIN) 总共有总共有16座商业化运行槽式电站（共座商业化运行槽式电站（共755MW,45万吨熔盐万吨熔盐) 采用了大规模熔盐采用了大规模熔盐蓄热技术蓄热技术太阳能热发电能够提供稳定连续可调高品质电能太阳能热发电能够提供稳定连续可调高品质电能太阳能热发电能够提供太阳能热发电能够提供稳定稳定连续可调高品质电能连续可调高品质电能西班牙西班牙Gemasolar商业化运商业化运行塔式电站使用了行塔式电站使用了15小时的小时的熔盐大规模蓄热，在熔盐大规模蓄热，在7月实月实现了现了24小时发电小时发电 美国在建的美国在建的110MW Crescent Dunes 塔式电站也采用熔盐大塔式电站也采用熔盐大规模蓄热技术规模蓄热技术2.1 熔盐光滑管内受迫对流换热试验熔盐光滑管内受迫对流换热试验2.2 横纹管内受迫强化对流传热的横纹管内受迫强化对流传热的2.2 熔盐自然对流传热研究熔盐自然对流传热研究2.3 熔盐混合对流传热研究熔盐混合对流传热研究2. 熔盐对流传热熔盐对流传热油盐换热器油盐换热器盐盐-水水/蒸气换热器蒸气换热器熔盐吸热器熔盐吸热器熔盐对流传热及其强化是熔盐传热蓄热系熔盐对流传热及其强化是熔盐传热蓄热系统设计的关键统设计的关键熔盐罐熔盐罐以上经典关联式已用水、空气、制冷剂、有机流体以上经典关联式已用水、空气、制冷剂、有机流体的试验数据进行了验证，但还未用熔盐试验数据进的试验数据进行了验证，但还未用熔盐试验数据进行验证行验证2.1 熔盐光滑管内受迫对流换热试验熔盐光滑管内受迫对流换热试验 受迫对流换热试验系统受迫对流换热试验系统2.1 熔盐光滑管内受迫对流换热试验熔盐光滑管内受迫对流换热试验Size of Tank: 0.7m1.2mMolten Salts in Tank2.1 熔盐光滑管内受迫对流换热试验熔盐光滑管内受迫对流换热试验 受迫对流换热试验系统受迫对流换热试验系统硝酸锂和三元硝酸盐试验数据硝酸锂和三元硝酸盐试验数据 Full developed Turbulent Flow Transition Flow from Laminar Flow to Turbulent Flow 2.1 熔盐光滑管内受迫对流换热试验熔盐光滑管内受迫对流换热试验美国橡树林国家实验室试验数据美国橡树林国家实验室试验数据 2.1 熔盐光滑管内受迫对流换热试验熔盐光滑管内受迫对流换热试验 采用我们和橡树岭实验室数据获得了通用试验关联式采用我们和橡树岭实验室数据获得了通用试验关联式2.1 熔盐光滑管内受迫对流换热试验熔盐光滑管内受迫对流换热试验 与经典与经典关联式的比较关联式的比较2.1 熔盐光滑管内受迫对流换热试验熔盐光滑管内受迫对流换热试验 普朗特数的影响普朗特数的影响2.1 熔盐光滑管内受迫对流换热试验熔盐光滑管内受迫对流换热试验 2.1 熔盐光滑管内受迫对流换热试验熔盐光滑管内受迫对流换热试验 美国爱达荷国家实验室美国爱达荷国家实验室2009年出版的两篇科技年出版的两篇科技报告中大篇幅引用我们报告中大篇幅引用我们的研究成果的研究成果 世世界界最最权权威威核核能能研研究究机机构构，世世界界第第一一个个核核电电站站设设计计单单位位，到到目目前前为为止止已已完完成成了了52个个核核电电站站设设计计。有有8000研研究究人人员员，占占地地2500平平方方公里公里2.1 熔盐光滑管内受迫对流换热试验熔盐光滑管内受迫对流换热试验 熔熔盐盐传传热热特特征征方方法法一一节节总总共共有有6页页，60%的的篇篇幅幅（近近4页页）直直接接引引用用我我们们的的两两篇篇国国际际论论文文，该该节节推推荐荐了了2个个公公式式和和6幅幅图图，全全部部为为我我们们的的研研究结果究结果2.1 熔盐光滑管内受迫对流换热试验熔盐光滑管内受迫对流换热试验该该报报告告推推荐荐的的熔熔盐盐传传热热计计算算方方法法一一节节总总共共有有3页页，80%的的篇篇幅幅直直接接引引用用我我们们的的两两篇篇国国际际论论文文，该该节节推推荐荐了了六六个个公公式式和和4幅幅图图，全部为我们的研究结果。全部为我们的研究结果。3.1 熔盐光滑管内受迫对流换热试验熔盐光滑管内受迫对流换热试验 2.2 2.2 熔盐横纹管强化传热的研究熔盐横纹管强化传热的研究管号d(内径)mmP节距 mme肋高mmp/de/d11650.550.310.03421690.550.570.034316160.7510.047横纹管熔盐强化传热实验关联式横纹管熔盐强化传热实验关联式2.2 2.2 熔盐横纹管强化传热的研究熔盐横纹管强化传热的研究e横纹管与光滑管阻力系数的对比横纹管与光滑管阻力系数的对比2.2 2.2 熔盐横纹管强化传热的研究熔盐横纹管强化传热的研究阻力系数阻力系数-雷诺数试验关联式雷诺数试验关联式强化传热效果的综合评价强化传热效果的综合评价2.2 2.2 熔盐横纹管强化传热的研究熔盐横纹管强化传热的研究2.3 2.3 熔盐自然对流换热熔盐自然对流换热熔盐自然对流换热实验台熔盐自然对流换热实验台Experimental System测试获得了微细金属丝表面自然对流换热的实验数据，与其测试获得了微细金属丝表面自然对流换热的实验数据，与其他工质试验数据及经典实验关联式具有很好的一致性他工质试验数据及经典实验关联式具有很好的一致性2.3 2.3 熔盐自然对流换热熔盐自然对流换热382.3 2.3 熔盐自然对流换热熔盐自然对流换热数值模拟研究数值模拟研究 Numerical Simulation2.4 2.4 熔盐混合对流换热熔盐混合对流换热2.4 2.4 熔盐混合对流换热熔盐混合对流换热放大放大X-10mm处，沿流处，沿流动方向的截面速度动方向的截面速度矢量分布图矢量分布图底面热流密度底面热流密度50kw/，进口速度为，进口速度为0.25m/s的速度矢量场的速度矢量场从图中可以看出近从图中可以看出近壁处速度矢量有向壁处速度矢量有向上流动的趋势。究上流动的趋势。究其原因是近壁处温其原因是近壁处温度高，熔盐密度降度高，熔盐密度降低，主流区熔盐温低，主流区熔盐温度相对较低，密度度相对较低，密度大，熔盐的密度差大，熔盐的密度差致使其有向上流动致使其有向上流动的趋势。的趋势。y=800mm处的处的截面速度矢量截面速度矢量分布图。分布图。2.4 2.4 熔盐混合对流换热熔盐混合对流换热No. 42 / 432.4 熔盐混合对流熔盐混合对流 测试段方管，外径测试段方管，外径25mm，壁厚，壁厚3mm，内径，内径19mm，长，长1000mm。1.3 1.3 熔盐混合对流换热熔盐混合对流换热 Mixed Mixed Convection Heat Transfer Convection Heat Transfer3. 熔盐配制及热物性熔盐配制及热物性2.1 熔盐配制和配方优化熔盐配制和配方优化2.2 熔盐热物性研究熔盐热物性研究 3.1 混合熔盐的配制混合熔盐的配制先后配制了先后配制了130种混合熔盐种混合熔盐 这些熔盐熔点不同，最高使用温度不同可分别满足槽式和塔式这些熔盐熔点不同，最高使用温度不同可分别满足槽式和塔式太阳能热发电的需要太阳能热发电的需要 优选了优选了优选了优选了1010种混合碳酸盐种混合碳酸盐种混合碳酸盐种混合碳酸盐熔盐优选熔盐优选熔盐优选熔盐优选熔点和结晶点约为熔点和结晶点约为400 分解温度大于分解温度大于850 甚至高达甚至高达熔点熔点结晶点结晶点潜热潜热稳定性稳定性密度密度K2CO3 +Na2CO3 +Li2CO337种三元混合碳酸盐种三元混合碳酸盐 37 kinds of ternary carbonates3.1 混合熔盐的配制混合熔盐的配制为了降低混合熔盐的成本，在为了降低混合熔盐的成本，在Solar Salt的基础上，通过增加的基础上，通过增加硝酸锂和添加剂配制了新型混合熔盐，进行了初步的测试。硝酸锂和添加剂配制了新型混合熔盐，进行了初步的测试。质量比熔点初晶点分解温度LiNO3:KNO3:NaNO3:Additive-A=2:5:1:282.2120604.9LiNO3:KNO3:NaNO3:Additive-A=2:6:1:285.4120612.0LiNO3:KNO3:NaNO3:Additive-A:Additive-B=2:6:1:1:1109.5187.5618.2LiNO3:KNO3:NaNO3:Additive-A:Additive-C=2:6:1:1:1126.2208.6623.4KNO3:NaNO3:Additive-A:Additive-D=6:2:1:1130.2209.7656.6KNO3:NaNO3:Additive-A:Additive-D=7:1:1:1129.0228.1687.2初步优选的熔盐初步优选的熔盐3.1 混合熔盐的配制混合熔盐的配制 Preparation of mixed molten salt 同步热分析仪同步热分析仪 高温低粘度测试仪高温低粘度测试仪3.2 混合熔盐热物性研究混合熔盐热物性研究共晶与非共晶混合熔盐的熔融峰特性共晶与非共晶混合熔盐的熔融峰特性共晶与非共晶混合熔盐的熔融峰特性共晶与非共晶混合熔盐的熔融峰特性典型熔融峰典型熔融峰非典型熔融峰非典型熔融峰研究发现：有的配比能形成共晶熔盐，有的配比不能形成共晶研究发现：有的配比能形成共晶熔盐，有的配比不能形成共晶 是否形成共晶的标准是是否能形成单一典型熔融峰是否形成共晶的标准是是否能形成单一典型熔融峰3.2 混合熔盐热物性研究混合熔盐热物性研究加热和冷却曲线加热和冷却曲线 放热曲线放热曲线首次进行了首次进行了9种高温碳酸熔盐冷却种高温碳酸熔盐冷却DSC曲线的测试，研究发曲线的测试，研究发现，碳酸熔盐的初晶点与其熔点不同，部分碳酸熔盐初晶现，碳酸熔盐的初晶点与其熔点不同，部分碳酸熔盐初晶点高于熔点，部分碳酸熔盐初晶点低于熔点点高于熔点，部分碳酸熔盐初晶点低于熔点3.2 混合熔盐热物性研究混合熔盐热物性研究熔盐熔解熔盐熔解/凝固温度与潜热的对比研究凝固温度与潜热的对比研究熔点和熔化潜热的测定熔点和熔化潜热的测定凝固点和凝结潜热的测定凝固点和凝结潜热的测定测量得到了测量得到了9种碳酸熔盐的熔解种碳酸熔盐的熔解/凝固温度与潜热，研究发现混合凝固温度与潜热，研究发现混合碳酸熔盐的凝固点一般低于熔点。熔化潜热大于凝结潜热碳酸熔盐的凝固点一般低于熔点。熔化潜热大于凝结潜热2.2 混合熔盐热物性研究混合熔盐热物性研究比热的测定与分析比热的测定与分析比热的测定与分析比热的测定与分析三元混合碳酸盐比热拟合曲线三元混合碳酸盐比热拟合曲线（质量比（质量比5: 2: 3），R-Square=0.95046 ， 37号样品的比热号样品的比热 测试得到了测试得到了9种配比熔盐比热与种配比熔盐比热与温度的关系曲线，拟合得到了试温度的关系曲线，拟合得到了试验关联式验关联式2.2 混合熔盐热物性研究混合熔盐热物性研究密度的测定与分析密度的测定与分析密度的测定与分析密度的测定与分析 测试得到的密度曲线（质量比测试得到的密度曲线（质量比3:1:6） =2.34330.3357103T （898K T 1023K，R-Square=0.9998；）；）测试得到了测试得到了9种碳酸熔盐的密度种碳酸熔盐的密度变化曲线，并拟合得到了密度变化曲线，并拟合得到了密度随温度变化的试验关联式随温度变化的试验关联式拟合得到的密度试验关联式拟合得到的密度试验关联式2.2 混合熔盐热物性研究混合熔盐热物性研究2.2 混合熔盐热物性研究混合熔盐热物性研究粘度粘度Water Hitec saltsFluride salts LiCO3Low melt point salts2.2 混合熔盐热物性研究混合熔盐热物性研究混合熔盐的热稳定性分析混合熔盐的热稳定性分析混合熔盐的热稳定性分析混合熔盐的热稳定性分析混合熔盐密度的推算混合熔盐密度的推算推算模型推算模型通过对测量值与计通过对测量值与计算值的比较发现，算值的比较发现，采用混合法则计算采用混合法则计算得到的混合熔盐密得到的混合熔盐密度公式具有很高的度公式具有很高的精度，误差不超过精度，误差不超过3%，完全可以满足，完全可以满足实验的要求。实验的要求。2.2 混合熔盐热物性研究混合熔盐热物性研究基于平滑硬球理论的纯质熔融氯化盐密度推算氯化盐温度区间最大偏差平均偏差NaCl1100-1250K-7.5064%-6.352%LiCl900-1100K-13.341%-12.634%RbCl1000-1200K4.164%1.201%KCl1050-1250K12.159%9.599%CsCl925-1125K6.396%3.231%1 1 杨进学，郭航杨进学，郭航. .熔融盐物性精度对传热特性影响分析及粘度推算熔融盐物性精度对传热特性影响分析及粘度推算. . 3.2 混合熔盐热物性研究混合熔盐热物性研究熔融盐粘度估算结果及与文献值的比较熔融盐粘度估算结果及与文献值的比较表表4 4 估算值与文献值的最大偏差和平均偏差估算值与文献值的最大偏差和平均偏差 熔融卤化盐的粘度估算结果能很好熔融卤化盐的粘度估算结果能很好符合文献中的粘度数据，表明估算符合文献中的粘度数据，表明估算结果具有较高精度，证明了形状因结果具有较高精度，证明了形状因子子CSP估算熔融卤化盐粘度的可行估算熔融卤化盐粘度的可行性。性。3.2 混合熔盐热物性研究混合熔盐热物性研究 Thermophysical properties study应用形状因子对应态原理估算熔融卤化盐的粘度应用形状因子对应态原理估算熔融卤化盐的粘度n基于平滑硬球模型的纯质熔融氯化盐的粘度推算n目标熔融盐：NaCl、KCl、CsCl、RbCl、AgCl、CaCl2 。n仅需要已知：摩尔质量、熔点、固态密度。氯化盐温度区间最大偏差平均偏差NaCl1100-1300K-13.203%-6.1338%KCl1050-1250K-12.882%1.052%CsCl925-1125K-4.843%0.41%RbCl1000-1200K-16.664%-10.651%AgCl750-950K-16.176%-3.8719%CaCl21050-1250K17.945%11.959%1 1 杨进学，郭航杨进学，郭航. .熔融盐物性精度对传热特性影响分析及粘度推算熔融盐物性精度对传热特性影响分析及粘度推算. . 3.2 混合熔盐热物性研究混合熔盐热物性研究 Thermophysical properties study开口：开口：5.77米米长度：长度：12米米聚光倍数：聚光倍数：5070倍倍最高温度：最高温度：3504. 熔盐传热蓄热槽式聚光集热系统熔盐传热蓄热槽式聚光集热系统自行研制的槽式跟踪装置自行研制的槽式跟踪装置跟踪精度：跟踪精度：0.014. 熔盐传热蓄热槽式聚光集热系统熔盐传热蓄热槽式聚光集热系统4. 熔盐传热蓄热槽式聚光集热系统熔盐传热蓄热槽式聚光集热系统以导热油工质获得了槽式聚光集热系统性能变化规律，以导热油工质获得了槽式聚光集热系统性能变化规律，最高效率达到了最高效率达到了70%以上以上本项目用自主研发的低熔点熔盐代替导热油做为吸热传热工质，在槽式系本项目用自主研发的低熔点熔盐代替导热油做为吸热传热工质，在槽式系统中成功实现了循环，已运行统中成功实现了循环，已运行30003000小时小时4. 熔盐传热蓄热槽式聚光集热系统熔盐传热蓄热槽式聚光集热系统结结 论论高温熔盐传热蓄热技术是太阳能热发电、核电的关键核心技高温熔盐传热蓄热技术是太阳能热发电、核电的关键核心技术；建立熔盐对流传热和热物性计算的理论体系是熔盐高温术；建立熔盐对流传热和热物性计算的理论体系是熔盐高温传热蓄热的基础研究内容和目标传热蓄热的基础研究内容和目标对熔盐管内受迫对流换热、自然对流换热和混合对流换热进对熔盐管内受迫对流换热、自然对流换热和混合对流换热进行了系统的实验研究，获得了对流传热系数计算的试验关联行了系统的实验研究，获得了对流传热系数计算的试验关联式，这一研究被美国爱达荷国家两个报告大篇幅引用，证明式，这一研究被美国爱达荷国家两个报告大篇幅引用，证明了国内熔盐研究在世界上处于重要地位了国内熔盐研究在世界上处于重要地位对不同熔盐的密度、粘度、比热、熔点、熔化潜热等热物性对不同熔盐的密度、粘度、比热、熔点、熔化潜热等热物性参数进行了测试，验证了测试仪器的精度，获得了规律，同参数进行了测试，验证了测试仪器的精度，获得了规律，同时探索了热物性参数的推算方法时探索了热物性参数的推算方法 谢谢！谢谢！Thank You网址：网址：energy.bjut.edu Email: wuyutingbjut.edu