基于熔盐材料热能储存与输运的关键热科学问题

To overcome the key challenges of heat transfer on low cost and high efficiency thermal energy storage and heat transfer technologies, we propose to carry out the fundamental research on the four key scientific issues on thermal energy storage and heat transfer with molten salt materials. The proposed research includes: (a) the structure effect and heat-mass cooperative transport law for molten salt, (b) the interface effect and enhanced heat transfer mechanism between metal and molten salt, (c) the evolution and failuremechanism of molten salt microstructure, and (d) the thermal property measurements and analyses of liquid molten salt. .Based on the scientific issues on the heat transfer and storage process of molten salt, including partial covalent of chemical bond, the electronic structure of the metal-molten salt interface, vibrational and electronic spectra of molten salt, the ionic aggregation and potential field effects caused by the anion-cation interaction, the heat transfer synergy of radiation-conduction-convection, the heat and mass cooperative transport, and strong nonlinear coupling problems among the above phenomena, etc., we intend to (a) develop the structure-property relationship between the interface/structure of molten salts and transport phenomena, establish the constitutive equation, (b) reveal the synergistic effects of microstructure formation and evolution of the metal-molten salt system on the internal heat transfer mechanism, (c) explore the heat transport properties of high-temperature liquid molten salts, and the characterization techniques for accurate measurements of thermophysical properties. The proposed work will provide new theories and technologies for the rational design of microstructures of molten salts with optimized thermophysical properties in the molecular level, and generate new scientific insights for developing innovative heat storage and transport technologies.

本项目以大幅度提高熔盐传热蓄热材料和热能储存与输运系统蓄热密度和转换效率，促进其在工业节能和可再生能源规模化利用等能源技术中的应用为目标，拟对熔盐传热蓄热材料科学发展及应用的3个关键科学问题开展深入系统的研究，包括： 熔盐/金属界面效应和结构效应与能质协同输运规律；熔盐微结构演化与失效机制；液态熔盐热物性测试与分析。.针对熔盐传递和微观粒子迁移、微观粒子间相互作用势引起的能质场势差效应、辐射—导热—对流非稳态耦合传递现象以及它们之间的强非线性耦合等问题，建立熔盐界面效应和结构效应与传递现象的耦合关系并构建本构方程，揭示金属—熔盐体系微结构形成、稳定性条件和结构突变对熔盐体系内部传递过程强化机理和耦合作用规律，探悉高温液态熔盐的输运性质和热物性准确测量和分析方法。从分子水平设计熔盐微结构和优化性能，获得对热能储存与输运技术创新发展有导引与基础支撑作用的科学认知积累。

项目以熔盐材料高温传热蓄热工艺作为基础研究的工程背景，针对熔盐传递和微观粒子迁移、微观粒子间相互作用势引起的能质场势差效应、辐射—导热—对流非稳态耦合传递现象以及它们之间的强非线性耦合等问题开展研究，获得了金属/熔盐界面效应和结构效应与能质协同输运规律、服役环境下熔盐微结构演化与失效机制、考虑辐射—导热—对流非稳态耦合传递效应的高温液态熔盐热物性测试与分析方法。项目完成了计划任务书规定的研究任务，达到了预期研究目标。取得如下成果：. 1.建立了考虑金属/熔盐材料界面效应和结构效应的传蓄热过程热质迁移的理论描述，研究金属/熔盐体系“金属雾”胶粒相界面粒子迁移、粒子间相互作用势与热质输运规律，发现和揭示了金属/熔盐体系界面效应和结构效应及其协同作用的热质输运新物理效应，建立了熔盐传热蓄热材料热质输运协同调控理论，提出了强化熔盐材料传蓄热性能的新方法；. 2.构建了熔盐微结构的理论模型，计算了熔盐从低共熔点至极限温度范围内微结构和热物性，获得了熔盐材料微结构形成机制、结构形态与突变演化规律，揭示了熔盐微结构的临界状态、突变及其失效机理，获得了熔盐材料高温传热蓄热过程中微观结构与宏观输运性质间的量化规律，形成了熔盐材料微结构和性能可控的新技术，建立了熔盐传热蓄热材料及储热系统长期使用的可靠性评价和寿命评估方法；. 3.建立了高温液态熔盐辐射—导热—对流瞬态多场耦合传热的理论模型，阐明了熔盐在典型管道内的导热-对流-辐射耦合换热过程和熔盐相变传热耦合规律。提出了高温液态熔盐光谱吸收系数测量反演算法，发明了高温熔盐光谱吸收系数实验测量系统，获得了高温液态熔盐辐射物性准确测量和分析方法；.. 项目发表论文58篇，其中SCI/EI双检收录46篇，SCI单检收录1篇，EI单检收录5篇；申请国家发明专利7件，其中授权3件；培养博/硕士研究生8人。在先进储热技术领域形成了一支结构合理、研究能力强的研究队伍。