高温熔盐传热蓄热技术

一、研究必要性和意义

高温高热流传热蓄热广泛存在于太阳能热发电、核电、燃气轮机叶片冷却等高温热功转换和一些高温工业工程。尤其是近年来，化石能源的短缺和气候变化迫切要求使用和推广清洁和可再生能源技术，在这种背景下，太阳能热发电和核电受到前所未有的重视和发展，从而对经济可靠高效的高温高热流传热蓄热技术的需求更加迫切。工质是传热蓄热的基础。中低温传热蓄热工质广泛存在，但缺乏高温传热蓄热工质尤其是低压高温和高性能液体传热工质。

熔融盐是一种非常有前景的高温液体传热蓄热工质，它具有传热性能好，压力低、成本低等优势。熔融盐传热蓄热技术已在太阳能热发电和高温工业过程中得到大规模应用。国内外对熔融盐传热蓄热工质的研究偏重于混合硝酸盐、混合氟化盐，使用的混合熔融盐配方还存在熔点高、使用温度低等缺陷，熔盐热物性研究缺乏对混合熔盐宏观性能与熔盐种类、性质、比例、混合方法等关联机制的研究，还不能满足太阳能热发电、核电、储能、燃气轮机叶片冷却等多样化的需求。

虽然熔盐传热蓄热技术在化工和太阳能热发电中得到了规模化应用，但国际上关于熔盐对流传热的试验研究很少，只有美国橡树岭（Oak Ridge）国家重点实验室从1952年到1960年对LiF-NaF-KF和 NaNO3-KNO3-NaNO2共晶熔盐的管内湍流和过渡流传热进行了测试，获得了对流传热系数，但其只是发表在该国家实验室的内部报告上，未公开发表,也未与经典传热关联式进行比较。一百多年以来，传热学界许多著名的学者研对众多工质（空气、水、乙二醇、油、制冷剂等）的管内对流换热特性进行了大量的实验研究和分析，总结出了一系列描述管内强迫对流换热的经典关系型（如Dittus-Boelter公式、Coulburn公式、Sieder-Tate公式、Petukhov方程、Gnielinski方程以及Hausen方程等），为传热学的发展和各类传热工质在工程上的广泛应用做出了巨大贡献。纵观一百多年发表的相关对流传热试验文献，不难看到大多数对流传热试验是在环境温度附近的试验条件下得到的，缺少高温下的对流传热试验数据。尽管这些经典关系式适用的普朗特数、雷诺数范围也覆盖了熔盐，但从未用几百摄氏度的高温熔盐验证过这些经典公式的适用性。

二、主要研究内容

（1）        熔盐的对流换热机理及其强化（受迫对流、自然对流及混合对流）；

（2）        高性能混合熔盐配方的研发；

（3）        熔盐热物性测试及热物性变化机理与预测方法；

（4）        熔盐蓄热器、换热器与吸热器的研发；

（5）        熔盐传热蓄热应用系统的基础和应用研究

三、主要承担的科研项目

1.           973项目子课题：“高温传热蓄热过程多尺度结构中流动与传递规律” (2010CB227103）,课题负责人：吴玉庭，经费：393万元；

2.           973项目子课题：“高温混合熔盐集热传热蓄热的基础研究（2009CB220006-1）”，课题负责人：郭航，桑丽霞，经费：75万元

3.           973项目子课题：“太阳能光电化学电池制氢技术及太阳能高温吸热器研究”（2003CB214505-1），课题负责人：鹿院卫，经费：59万元

4.           863项目“太阳能热电系统中熔融盐传热蓄热技术研究”((2006AA05010503-1)，课题负责人：马重芳，经费：50万元

5.           863项目“熔盐高低温、传热及电化学物性研究及试验”（2013AA050502-1），课题负责人：鹿院卫，经费：47.5万元

6.           国家自然科学基金项目“熔融盐液体射流冲击传热的研究”（51276004），项目负责人：陈永昌，经费：80万元

7.           国家自然科学基金项目“熔盐加热和单螺杆膨胀机相结合的气动汽车混合动力系统的基础研究”（50976004），项目负责人：吴玉庭，经费：37万元

8.           国家自然科学基金重点项目子课题“熔盐热物性及传热机理研究”（50736005），项目负责人：马重芳，经费：30万元

9.           国家自然科学基金青年基金：“熔融盐混合对流换热特性的理论和实验研究”（51006003），项目负责人：刘斌，经费：25万元

10.       国家自然科学基金青年基金：“高温熔盐重力热管的关键科学问题研究”（51206004），项目负责人：熊亚选，经费：25万元

11.       北京市科技计划项目“塔式太阳能电站新型低熔点熔融盐研制”（D121100001012002），100万元

12.       北京市自然科学基金重点项目：““槽式聚光太阳能单螺杆膨胀热电联供系统的关键技术研究”（3081002），项目负责人：吴玉庭，经费：40万元

13.       北京市自然科学基金项目：“太阳能高温蓄热系统中管排管换热器表面熔融盐自然对流传热基础研究”（3132012），项目负责人：鹿院卫，经费：14万元

四、研究进展

（1）       分别以硝酸锂和混合硝酸盐为工质，实验得到了不同工况下光滑管的对流换热系数和流动阻力系数，综合美国和我们的五种熔盐实验数据拟合得到了充分发展紊流和过渡流混合硝酸盐换热通用无量纲准则方程式；

（2）       在国际上首次将高温熔盐的试验数据按照各种管内受迫对流经典试验关联式（如Dittus-Boelter、Sieder-Tate、Hausen和Gnielinski方程等）形式整理，验证了经典关联式对高温熔盐传热的适用性；

（3）       首次将高温熔盐实验数据与其他工质（水、空气和乙二醇水溶液等）的实验数据进行了比较，进一步验证了管内受迫对流传热与普朗特数的关联规律；

（4）       获得了横纹管管内混合熔盐对流换热系数和流动阻力系数，拟合得到了横纹管内换热的通用无量纲准则关系式；

（5）       国际上首次测得了微细金属丝表面熔盐自然对流换热系数，并与经典自然对流换热关联式进行了比较。

（6）       先后配制了一百多种混合熔盐，研究了混合熔盐成分、配比和温度等对混合熔盐热物性的影响规律，筛选出了100~800℃之间不同温区传热的优化熔盐配方，特别是配制出了熔点低于100摄氏度的低熔点熔盐。

（7）       定制了高温熔盐粘度测试仪，在国内首次解决了高温熔盐的粘度测试问题，测定了三元硝酸盐、碳酸盐、氟化盐的粘度，同还测定了熔点、熔解潜热、比热、热稳定性等其他热物性参数，获得了随温度、配比的变化规律及试验关联式。

（8）       成功研制了槽式聚光装置，实现了自行配制低熔点熔盐在槽式聚光集热系统中的长期循环运行；

（9）       提出了基于熔盐的改造槽式和创新塔式的新一代低成本高效太阳能热发电技术。

五、学术影响

2010年3月美国爱达荷国家实验室）发表了一份70页的《液态熔盐热物理和热化学特性的工程数据库》报告；2010年9月美国爱达荷核能国家实验室发表了另一份78页的（《熔融盐强迫对流换热试验系统概念设计》）的科技报告，在这两个报告的“熔盐传热特性”和“对流传热试验关联式”一节中，分别用了四页和两页多篇幅详细引用了我们的两篇国际期刊论文，推荐了6个熔盐对流换热的实验关联式，引用了6张熔盐对流换热实验数据图表，全部来自我们的两篇国际期刊论文。在2011国际太阳能热发电和化学组织（SOLARPACES）主办的国际太阳能热发电会议上，本课题组的刘斌博士、任楠博士的两篇论文分别入选口头报告。在这次大会上，中国只有3篇论文入选口头报告，本课题组就占了两篇。论文口头报告后美国Brightsource，德国西门子公司，意大利ENEL先后与我们联系寻求合作。本人被邀请成为国家能源局十二五能源材料发展指南——太阳能热发电材料编制组成员；国际权威传热年度进展丛书《advances in heat transfer》主编同意我们在该书上写一章熔盐传热的研究。

高温熔盐比热随温度变化的试验数据