熔盐及熔盐纳米流体管内受迫对流的实验研究

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熔盐以其工作温度范围广、热容量大、传热效率高、热稳定性好、成本低、工作压力小等特点,作为中高温传蓄热介质可广泛应用于太阳能热发电、工业化学处理、余热利用等领域。熔盐纳米流体是在熔融盐的基础上添加纳米颗粒而形成的一种储热流体,可以显著提高熔盐的比热和导热系数,降低熔盐的粘度,对于提高蓄热密度和降低蓄热成本具有重要意义。为研究熔盐纳米流体相对于熔盐在管内流动换热的增强效果,本文通过对原自主搭建的实验台的局部改造搭建和运行调试,使用本课题组最新开发的低熔点二元熔盐以及低熔点二元熔盐纳米流体作为传蓄热工质,进行了一系列的管内受迫对流传热实验。
  首先,对二元熔盐(KNO3-Ca(NO3)2)-导热油管内强制对流换热进行了实验研究。通过测量在不同工况下的套管式换热器内外管中熔盐和导热油进出口温度及其流量的实验数据,运用Wilson分离方法或最小二乘法对数据进行处理,获得熔盐在圆管中的对流换热系数及相对应的对流换热关联式。并将得到的实验数据与经典的传热关联式进行比较,以验证传热关系式是否仍适用于低熔点二元混合熔盐。结果表明,实验数据和经典对流传热方程吻合良好,最大偏差为.22‰验证了实验系统的可靠性同时也表明了对于经典的传热关系式仍然适用于低熔点二元混合熔融盐的结论。
  为探究热物性优于纯盐的熔盐纳米流体管内流动换热增强效果的情况,在纯熔融盐实验的基础上,选取物性最佳的浓度为1%的熔盐纳米流体(KNO3-Ca(NO3)2)-SiO2)进行了圆管内强迫对流换热的实验研究,得到了不同工况下熔盐纳米流体.导热油的总传热系数,通过威尔逊分离法得到了管内熔盐纳米流体充分发展紊流条件下熔盐纳米流体侧的对流传热系数和对流准则数关联式,并将实验数据与经典关联式进行比较。结果表明,紊流实验数据与经典准则方程的偏差非常大,最大偏差为+62%、最小偏差+25%;考虑熔盐纳米流体高温变热物性的影响,利用黏度项对Dittus-Boelter方程关联式进行修正。发现改进的Dittus-Boelter方程与实验测试结果之间偏差依然高达+35%。结果表明,经典传热关联式己不再适用于熔盐纳米流体,因此拟合了适用于熔盐纳米流体的传热关系式,精度为士7%。研究发现,在相同的工况下熔盐纳米流体对流传热系数和努塞尔数均高于纯二元混合熔融盐,分别提高了约39.87%和16.27%。
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