熔融鹽傳熱蓄熱技術

2021-01-15 科學網

 

目前,隨著國際能源需求的與日俱增,傳統的化石能源如石油、煤炭等因儲存和產量的限制,價格不斷攀升,利用取之不盡、用之不竭的清潔太陽能取代傳統的化石能源越來越受到國際社會的廣泛認可,而太陽能熱發電被認為是太陽能發電技術中最有前途的發電方式,近年來在世界許多國家得到了快速的發展。

 

在太陽能熱發電技術中,由於太陽能聚光產生的溫度高,選擇可靠的高溫傳熱蓄熱工作介質是提高太陽能熱發電效率的關鍵。在傳統的太陽能熱發電技術中,採用的傳熱蓄熱工作介質主要有空氣、水蒸氣和導熱油,但這三種介質都有各自的缺陷:空氣的使用溫度高但是工作壓力大,傳熱性能差;水蒸氣傳熱性能稍好但是使用溫度較低,工作壓力仍然很大;導熱油擁有良好的傳熱性能和低的工作壓力,但是使用溫度低,工作溫度在400℃以下,而且導熱油成本很高。為了克服以上的缺點,美國率先使用了熔融鹽作為太陽能熱發電的傳熱蓄熱工質,並在Solar Two太陽能熱發電實驗電站上取得了很好的效果。

 

熔融鹽技術就是將普通的固態無機鹽加熱到其熔點以上形成液態(如NaNO3在308℃熔化,常見的食鹽NaCl在801℃熔化),然後利用熔融鹽的熱循環達到太陽能傳熱蓄熱的目的。與傳統的工質相比,熔融鹽具有使用溫度範圍廣(從幾十攝氏度到一千攝氏度以上)、傳熱性能高、工作壓力低、價格便宜等一系列巨大的優點,熔融鹽傳熱蓄熱技術已經在化工、軍工等領域得到了廣泛的利用,在太陽能熱發電、生物質高溫制氫等新的高科技領域也有著廣闊的應用前景。

 

北京工業大學傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室在馬重芳教授的指導下,在國內率先掌握了高溫熔融鹽傳熱蓄熱技術,解決了熔融鹽高溫、腐蝕等所帶來的技術難題,掌握了熔融鹽系統管道和閥門的防凝固、管路預熱保溫、高溫熔融鹽的填充和卸出等技術方法,首次實現了高溫熔融鹽的傳熱蓄熱循環,並安全工作了1000小時以上,獲得了大量寶貴的實際操作工程經驗。同時測得了不同雷諾數下管內熔融鹽對流換熱數據,實驗數據擬合得到的努謝爾特數與雷諾數關聯式,與傳熱學上經典的迪圖斯—波爾特管內湍流換熱公式十分吻合,從而在國內外首次用熔融鹽作為傳熱工質驗證了此公式的適用性。在此基礎上自行設計出了以熔融鹽為工質的換熱器、熔鹽泵、熔鹽流量計等專用設備,並實現了成功應用,實現了高溫熔融鹽試驗循環設備的全部國產化,填補了國內相關領域產品的空白。此外,課題組還在已有熔融鹽的基礎上,配製了36種使用溫度可達600℃以上的混合熔融鹽,相信通過對配製熔融鹽熱物性和熱穩定性以及混合熔融鹽對不鏽鋼材料的腐蝕性等方面進行的詳細研究,可以為熔融鹽傳熱蓄熱技術的廣泛應用打下堅實的基礎。

 

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