混合硝酸盐圆管内强迫对流换热及混合碳酸盐腐蚀性研究

摘要

传热和蓄热问题是太阳能热发电的关键技术，目前正引起世界许多国家的关注。混合硝酸盐具有良好的传热蓄热性能且价格低廉，可以大规模应用于槽式和塔式太阳能热发电传热蓄热系统，在法国、西班牙等国家的人阳能电站中已经有了一定的应用，但十分缺乏对其传热特性的理论研究。
　　 本课题在国家“863”，“973”项目支持下，在原有实验台的基础上成功排出400kg硝酸锂熔融盐，更换了熔点低、具有良好热稳定性的三元混合硝酸盐，对导热油循环加热系统、熔盐循环管路预热系统等进行了改造，更好地解决了混合硝酸盐高温、腐蚀性、毒性等带来的技术难题，进行了三元混合硝酸盐圆管内强迫对流换热实验研究，测定了不同流量、不同熔盐温度、不同导热油温度等不同工况下混合熔盐和导热油的进出口温度、导热油的流量等热工参数，采用威尔逊分离法得到了不同工况下的对流换热系数，初步拟合得到了充分发展紊流状态下混合硝酸盐换热特性无量纲准则方程式，并将其与经典的传热公式Colburn方程、Dittus-Boelter方程、Sieder-Tate方程、Petukhov方程以及Hausen方程和Gnielinski方程进行了对比，结果表明，本文的实验结果与上述经典传热公式均有很好的一致性，最大偏差在±15％之间。另外还将本文的实验数据、硝酸锂的实验数据、美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）熔盐实验数据、水、空气和乙二醇水溶液的实验数据绘在了一张以普朗特数为横坐标的图上，结果表明：本文的实验数据与上述其他人的实验数据可用普朗特数得到很好的关联，证明了本文实验数据的可靠性，也充分证明了熔盐的对流换热可用经典传热学公式进行计算。
　　 本文通过对熔融盐传热系统的分析和长时间的实验经验总结，作者对整个熔融盐传热实验系统提出了改造方案，包括熔融盐加热系统、导热油循环系统、安全防护系统、集中控制及监控系统等，以保证今后熔盐实验的可靠、安全和高效运行，同时为实验人员的安全和健康提供保障。
　　 本文配置了可以应用于更高温度传热蓄热的三元混合碳酸盐，将三种不锈钢试样浸泡在熔融混合碳酸盐中进行了为期15天的腐蚀性实验，获得了三种不锈钢腐蚀表面的显微图像和腐蚀动力曲线，并将实验结果与硝酸盐和氯化盐的腐蚀性进行了对比，发现奥氏体不锈钢在混合熔盐中浸泡15天后，碳酸盐中不锈钢重量的减少量仅是氯化盐中十分之一，是硝酸盐中的十几倍，说明碳酸盐对不锈钢的腐蚀远低于氯化盐，但高于硝酸盐。
　　 通过本课题的研究得到了混合硝酸盐圆管内强迫对流换热特性无量纲准则方程式以及混合碳酸盐对奥氏体不锈钢的腐蚀特性，为聚光太阳能高温热发电和太阳能制氢系统提供了传热蓄热系统的设计依据和基础数据。

目录

文摘

英文文摘

物理量名称及符号表

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 熔融盐研究现状

1.3 本实验室研究成果

1.4 本课题的研究内容和目标

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究目标

第2章 混合硝酸盐传热实验系统实验台

2.1 实验原理

2.2 实验台介绍

2.2.1 混合硝酸盐加热及循环系统

2.2.2 导热油循环系统

2.2.3 套管式换热器

2.2.4 测量系统

2.3 实验操作步骤：

2.3.1 实验操作步骤

2.3.2 实验的重点和难点

2.3.3 熔盐实验必须注意的细节

2.4 混合硝酸盐的更换

2.4.1 纯净硝酸锂的排除

2.4.2 混合硝酸盐的添装

2.5 本章小结

第3章 混合硝酸盐圆管内强迫对流换热实验

3.1 混合硝酸盐和导热油的物性参数

3.1.1 混合硝酸盐的组成及物性参数

3.1.2 导热油的物性参数

3.2 实验方案

3.3 实验数据及处理

3.3.1 实验数据

3.3.2 实验数据处理方法

3.3.3 实验结论

3.3.4 实验数据和经典拟合关系式的比较

3.4 实验误差分析

3.4.1 测量误差

3.4.2 理论误差

3.4.3 实验误差

3.5 本章小结

第4章 实验系统深化改造方案

4.1 高温熔融盐加热及循环系统

4.1.1 高温熔融加热罐改造方案

4.1.2 操作空间改造

4.1.3 高温熔盐泵冷却系统改造方案

4.1.4 循环管路改造

4.2 导热油循环系统

4.3 安全防护系统

4.4 集中控制及监控系统

4.5 本章小结

第5章 混合碳酸盐腐蚀性实验研究

5.1 引言

5.2 金属腐蚀原理分析

5.2.1 金属腐蚀的定义

5.2.2 熔融碳酸盐对不锈钢的腐蚀原理分析

5.3 实验介绍

5.3.1 实验材料选择

5.3.2 实验原理及方法

5.4 实验结果与对比分析

5.4.1 实验结果分析

5.4.2 碳酸盐与氯化盐和硝酸盐腐蚀性对比分析

5.5 实验的经验和教训

5.6 小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致 谢