直流套管式熔鹽的傳熱研究

馬志遠 陳忠海 潘 柱 陳 吉

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

我國大面積霧霾等惡劣天氣的日益加重表明我國能源利用、分配不合理現(xiàn)象，而鍋爐燃煤采暖是造成空氣嚴重污染的重要因素之一.目前我國響應(yīng)“煤改電”政策，通過電加熱取代煤炭燃燒進行建筑供暖，尤其是電蓄熱式供暖技術(shù)，是一種綠色、環(huán)保、倡導(dǎo)的技術(shù)途徑.熔融鹽具有蓄熱溫度高、導(dǎo)熱系數(shù)大和性能穩(wěn)定等優(yōu)點，是良好的蓄熱材料.針對高溫熔鹽與水換熱溫差過大的問題，劉國敏等[1]采用高溫熔鹽-導(dǎo)熱油-水換熱方式，借助導(dǎo)熱油作為中間熱媒.姚俊彬、趙崢崢[2]等人設(shè)計一種單罐熔鹽蓄熱供暖系統(tǒng),通過鹽-風(fēng)換熱器和風(fēng)-水換熱器換熱進行熱水供暖并在遼寧省某大廈進行投入使用.吳玉庭[3]等人通過電加熱熔鹽蓄熱供熱技術(shù)，利用熔鹽蒸發(fā)器產(chǎn)生蒸汽，再通過汽水換熱器生產(chǎn)熱水供暖，在河北某綠色供暖工程中投入使用，結(jié)果表明該項目的經(jīng)濟效益可觀.利用熔鹽作為傳熱和儲熱介質(zhì)，滿足供暖以及光熱電站的穩(wěn)定發(fā)電,可見熔鹽是非?？煽康膬峤橘|(zhì).

由于高溫熔融鹽與水進行直接換熱，熔融鹽熔點較高，遇冷發(fā)生凝固堵塞管道，且水在高溫截面通過時會瞬間汽化產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，為了熔鹽換熱裝置的安全運行，提出真空-水套管結(jié)構(gòu)解決以上問題，并設(shè)計了一個直流套管式熔鹽換熱器，希望達到既能滿足生活熱水的同時，又能達到節(jié)能環(huán)保、高效、換熱器制造緊湊，占地面積小的目的.最后進行管優(yōu)化，確定最優(yōu)管徑，為后續(xù)的裝置的設(shè)計和改進提供新的思路和理論知識.

1 數(shù)值模擬理論

數(shù)值模型基于標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε模型，假設(shè)流動狀態(tài)為完全湍流且高溫熔融鹽放熱時間過長假設(shè)穩(wěn)態(tài)模型，計算求解湍動能及其耗散率方程，標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε模型的湍動能κ和耗散率ε方程如下：

(1)

(2)

采用simple算法確定動量離散方程的系數(shù)計算壓力和速度的耦合，采用二階迎風(fēng)格式的離散方程保證二階精度.

2 直流套管式熔鹽換熱器傳熱模型

2.1 物理模型

圖1 換熱器物理模型

為滿足華北地區(qū)1000m2建筑面積的供熱需求，設(shè)計一個直流套管式熔鹽換熱器，查閱文獻確定熔融鹽換熱介質(zhì)為NaCl、KCl、MgCl2摩爾比2:3.7:4的混合比的復(fù)合熔鹽[4]，可加熱至800～1200℃高溫，熔點為400℃，管材選用310S不銹鋼管，可在1000℃高溫下安全使用，且能承受氯鹽腐蝕，符合使用要求，利用低谷電加熱熔融鹽至800℃儲存熱量與內(nèi)管的低溫水(進口水溫為16℃)換熱進行供熱，外管為封閉真空狀態(tài)，解決氣體膨脹問題.通過：加快內(nèi)管里水流速、保持內(nèi)徑不變增大外徑和增大外徑三種途徑保證出口水不汽化(運行壓力為1.8atm,水沸點為115.7℃)，解決出口水汽化問題.

其物理模型為圖1所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1所示.

表1 直流套管式熔鹽換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

換熱管長根據(jù)以下公式計算

(3)

2.2 網(wǎng)格劃分及求解設(shè)置

以單管模型為研究對象，利用ICEM軟件對其單管模型進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分以及網(wǎng)格無關(guān)性驗證.結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有網(wǎng)格生成速度快、質(zhì)量高、容易生成區(qū)域邊界的擬合等優(yōu)點，同時也具有適用的范圍比較窄，只適合形狀規(guī)則的圖形等缺點；對模型網(wǎng)格數(shù)量進行加密處理(178000、365168、541287、742810)進行計算，隨著網(wǎng)格數(shù)的不斷增大，Nu數(shù)和出口水溫度的變化速度不斷減小，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為541287時再加密網(wǎng)格對出口水溫以及Nu數(shù)影響不大，說明再增大網(wǎng)格數(shù)量對于提升模擬結(jié)果準(zhǔn)確性有限且對計算機配置設(shè)備要求提升.為確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，最終確定模型網(wǎng)格數(shù)為541287個單元，用Fluent軟件進行仿真模擬，熔鹽域溫度范圍為400℃～800℃，故熔鹽的物性參數(shù)不是一個常數(shù)，故將熔融鹽物性參數(shù)隨溫度變化的多項式[4]進行軟件編輯保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性.設(shè)置k-ε湍流模型，simple算法計算壓力-速度耦合，采用二階迎風(fēng)離散方程求解.

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 溫度場分析

研究在此模型下不同水速的出口平均水溫，保證在出口水不汽化的前提下，平均出口水溫度又達到72～75℃供熱要求，將內(nèi)管水流速選取在2.9～3.3m/s，圖2表示的是不同水速下的出口水截面平均溫度云圖，從溫度云圖可以看出出口水溫隨著速度的增大而不斷降低，將不同水速下的出口平均水溫進行對比分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水速大于3.1m/s時流體的溫升增加速率下降，因此選此速度較為合理.圖3為該速度下內(nèi)管水平均溫度隨管長的變化圖，發(fā)現(xiàn)沿水流方向，水溫逐漸升溫且增長速率在逐漸增大.

圖2 出口水溫度云圖隨進口速度變化情況

圖3 內(nèi)管水平均溫度沿水流方向變化圖

3.2 外徑變化對出口水平均溫度的影響

圖4 不同外徑出口水平均溫隨內(nèi)管水流速變化圖

保持套管內(nèi)徑不變，增大套管外徑分析外徑與內(nèi)徑差△d(12mm、14mm、16mm、18mm、20mm)這五種工況下進行數(shù)值模擬研究分析對出口水溫的影響以及確定水速范圍，研究其綜合換熱性能h/△P[5]確定最優(yōu)△d.從圖4可以看出隨著內(nèi)外管徑差的增大，出口水平均溫度在逐漸降低.圖5表示的是這五種工況下?lián)Q熱器的綜合性能，可以看出當(dāng)內(nèi)外管徑差△d=12mm時，該換熱器的綜合性能是最優(yōu)的，隨著△d的增大，綜合性能指標(biāo)呈先增大后減小的趨勢，在△d為12mm時最優(yōu).同理當(dāng)△d=12mm保持不變的情況下增大內(nèi)徑(27mm、29mm、31mm、33mm、35mm)計算分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)內(nèi)徑d1=33mm時，其綜合換熱性能是最優(yōu)的，分析其原因是隨著內(nèi)管徑的不斷增大，水側(cè)對流傳熱系數(shù)不斷減少，而封閉真空側(cè)角系數(shù)不斷增大，輻射換熱逐漸增強，其封閉真空側(cè)傳熱系數(shù)逐漸增大，總傳熱系數(shù)h總先呈現(xiàn)一個先增大后減小的趨勢，內(nèi)管水側(cè)壓降△P隨水速增大不斷增大，故綜合換熱性能指標(biāo)也是一個先增大后減小的趨勢.

圖5 不同外徑下的綜合性能指標(biāo)

3.3 內(nèi)徑變化對出口水平均溫度的影響

保證外徑與內(nèi)徑差△d=12mm不變，增大套管內(nèi)徑(27mm、29mm、31mm、33mm、35mm)，保證出口水不汽化且出口水溫滿足供暖需求，將內(nèi)管水流速控制在2.7m/s～3.3m/s,針對這五種工況下模擬分析內(nèi)徑變化對出口水平均水溫的影響如圖6所示,可以看出隨著內(nèi)管徑的增大，出口水平均水溫在逐漸降低，且對比內(nèi)徑變化以及外徑變化對出口水平均溫度的影響發(fā)現(xiàn)：外徑的改變對出口水溫的影響程度大于內(nèi)徑的改變對出口水溫的影響程度.

圖6 不同內(nèi)徑下出口水平均溫度隨內(nèi)管水速變化圖

4 結(jié) 論

1)根據(jù)采暖面積對換熱器進行設(shè)計計算，確定換熱管內(nèi)管徑25mm、外管徑37mm、管長為1m；在此模型下當(dāng)內(nèi)管水速大于3.1m/s時，水出口溫升增加程度在逐漸降低，故內(nèi)管水速在3.1m/s時較為合理；

2)通過對比外徑變化以及內(nèi)徑變化對出口水平均溫度的影響時，發(fā)現(xiàn)改變套管外徑比改變內(nèi)徑對出口水溫的影響大；

3)分析套管外徑徑變化對換熱器綜合傳熱特性中，當(dāng)套管內(nèi)外徑差△d為12mm時換熱器的綜合性能最優(yōu)；保證△d不變，套管內(nèi)徑變化對換熱器綜合傳熱特性中，當(dāng)套管內(nèi)徑為33mm時換熱器的綜合性能最優(yōu)；