极端条件下熔融盐在太阳能吸热管内耦合传热与强化机理

熔融盐可以实现常压下高温传热与储热一体化，成为当前国内外太阳能热发电技术中的研究热点。熔融盐在太阳能热发电系统中应用时遇到时空分布随机变化的高温、高热流密度极端条件以及熔融盐热物性随温度变化的传热核心问题，对吸热器以及发电系统的安全性有重大影响。本课题以非均匀非稳态高密度热流（300 kW/m2 ~ 1500 kW/m2）条件下，熔融盐在太阳能吸热器管内的流动传热为研究对象，采用温度场与流场相互耦合的方法建立极端条件下吸热管内的三维耦合流动传热数学模型，结合熔融盐的热物性参数随温度的变化特点，通过与多工况实验测试结果比较分析，揭示熔融盐在吸热器光滑管及几种复合强化传热管内耦合传热规律、强化传热机理以及管壁温度动态监测方法。本研究结果可以为设计高效吸热器，优化解决吸热器的热应力及热疲劳等安全性难题提供新思路和理论依据。

课题针对太阳能热发电站中，吸热器表面能流密度分布极端非均匀非稳态的特点，首先采用蒙特卡洛光线追击法，建立了定日镜场的动态仿真模型。根据最终的定日镜场布置，在给定太阳辐射模型下，对春分日腔式吸热器内表面的平均能流密度随时间的变化进行了模拟，同时对不同时刻的腔内能流分布特征进行了详细的分析；针对非均匀热流边界条件下的管内换热，建立了太阳能高温吸热管对流换热电加热实验台和数值计算模型，通过实验研究和模拟计算，研究了周向非均匀热流边界条件下吸热管壁温度分布规律。研究结果显示：周向非均匀热流边界条件下吸热管壁温度分布与截面圆心角余弦呈函数关系，实验测量结果与数值计算结果吻合较好；经典Dittus-Boelter公式仍可用于计算周向非均匀热流边界条件下吸热管内的换热计算，但不适用于管壁温度分布计算。课题研究给出了周向非均匀热流边界条件下吸热器管壁温度计算关联式；针对熔融盐在非均匀受热吸热管内的强化换热问题，课题建立了混合熔融盐在太阳能高温吸热管内对流换热与强化换热数值计算模型，研究了周向非均匀热流边界条件下混合熔融盐在光滑管与强化换热管内的换热性能。结果显示：内插螺旋纽带强化换热方式对周向非均匀热流边界条件下吸热管的管壁温度和管内流体温度分布均匀性有明显改善。间隙率C与扭曲率的减小都有助于强化换热效果的增加，特别是C=0，即内插纽带完全接触管壁时，强化传热效果最为显著，但与此同时小的间隙率与扭曲率也造成阻力系数的增大。研究结果可为设计高效吸热器，优化解决吸热器的热应力及热疲劳等安全性难题提供新思路和理论依据。课题发表论文14篇，其中SCI与EI检索论文累计13篇，获得国家授权发明专利1项。