陳睿哲，熊亞選*，張慧，冷光輝，王慧慧

（1.北京建筑大學(xué)供熱供燃?xì)馔L(fēng)及空調(diào)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044；2.河南東大高溫節(jié)能材料有限公司，河南鶴壁458030）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的飛速發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。為降低單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗和污染物排放，國(guó)家大力推進(jìn)節(jié)能減排政策。高溫熔鹽儲(chǔ)熱是當(dāng)前解決能源問(wèn)題最有效的途徑之一，為解決可再生能源的間歇性、電能利用峰谷問(wèn)題提供了新的途徑［1］。儲(chǔ)能設(shè)備是高溫熔鹽儲(chǔ)熱的重要設(shè)備，開(kāi)發(fā)新型“谷電”儲(chǔ)能設(shè)備已成為高溫熔鹽儲(chǔ)熱領(lǐng)域的重要研究方向。吳玉庭等［2-4］對(duì)熔鹽作為高溫儲(chǔ)熱材料的熱物性進(jìn)行了相關(guān)的研究；杜志強(qiáng)等［5］的研究表明，將熔鹽用作電力領(lǐng)域儲(chǔ)能材料能夠有效降低用電高峰期的成本，同時(shí)還能提高“谷電”的利用率。

針對(duì)熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)，學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究。岳松等［6］對(duì)熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)在光熱發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，當(dāng)儲(chǔ)熱容量相同時(shí)，槽式光熱電站的熔鹽儲(chǔ)熱成本是塔式光熱電站的3倍，塔式光熱電站比槽式光熱電站的熔鹽利用率高。汪琦等［7］將熔鹽蓄熱儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于光熱發(fā)電，使得太陽(yáng)能熱發(fā)電站實(shí)現(xiàn)全天持續(xù)發(fā)電，降低了太陽(yáng)能熱發(fā)電站的投資成本。何軍［8］對(duì)熔鹽儲(chǔ)熱儲(chǔ)能循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并且對(duì)光熱發(fā)電站中熔鹽貯罐的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，得出采用熔鹽蓄熱儲(chǔ)能循環(huán)技術(shù)可以提升系統(tǒng)運(yùn)行的可控性、具有更高經(jīng)濟(jì)效益的結(jié)論。吳玉庭等［4］對(duì)低谷電加熱熔鹽蓄熱工程實(shí)例進(jìn)行分析，并與其他類型儲(chǔ)熱系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，熔鹽蓄熱供熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益可觀，環(huán)保效益顯著。邢有凱［9］對(duì)我國(guó)熔鹽儲(chǔ)能供暖進(jìn)行了調(diào)研和核算，結(jié)果表明，熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)可以提升電網(wǎng)電能的使用率，有效節(jié)約能源，同時(shí)還能減少環(huán)境污染。熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)不僅可以應(yīng)用于聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電和供熱領(lǐng)域，同時(shí)還能應(yīng)用于核電站、燃煤熱力發(fā)電站、垃圾焚燒發(fā)電站、廢水處理站等領(lǐng)域。

文獻(xiàn)綜述表明，盡管學(xué)者們對(duì)熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)中熔鹽利用率和實(shí)際工程中的應(yīng)用做了大量的研究和分析，但對(duì)熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)的設(shè)備研究較少，尤其是未對(duì)熔鹽-水換熱器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)熔鹽儲(chǔ)熱性能的影響進(jìn)行研究。換熱器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化可有效降低成本，對(duì)熔鹽儲(chǔ)熱設(shè)備的運(yùn)行效率起著決定性的作用。采用熔鹽作為工質(zhì)形成高溫熔鹽換熱系統(tǒng)，在能源利用領(lǐng)域和供熱領(lǐng)域都有很好的發(fā)展前景。本文借助HTRI 軟件，對(duì)谷電熔鹽儲(chǔ)熱-供熱系統(tǒng)中的熔鹽-水換熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)和額定工況設(shè)計(jì)，進(jìn)而對(duì)換熱器在變工況下的換熱性能進(jìn)行分析研究，希望能為熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)的深入應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1 應(yīng)用背景與工藝條件

1.1 應(yīng)用背景

文獻(xiàn)［10］的Solar Two 聚熱太陽(yáng)能發(fā)電站在選擇熔鹽-水換熱器時(shí)，考慮蒸發(fā)器設(shè)計(jì)、實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及價(jià)格等因素后，最終選擇了ABB 公司的釜式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，但在運(yùn)行時(shí)發(fā)生了嚴(yán)重的凍管事件。Zavoico［11］提出可采用3個(gè)管殼式換熱器加汽包的方式代替釜式蒸發(fā)器，Kelly［12］也提出將該方式的換熱系統(tǒng)用于超臨界蒸汽發(fā)生器。雖然換熱器設(shè)計(jì)已經(jīng)相對(duì)成熟，但是在實(shí)際應(yīng)用中還需要考慮設(shè)備維護(hù)、介質(zhì)特性和換熱系統(tǒng)特性等方面；尤其是熔鹽-水換熱器的設(shè)計(jì)，要考慮水在蒸發(fā)器內(nèi)結(jié)垢、熔鹽進(jìn)出口溫差過(guò)大而產(chǎn)生的應(yīng)力等問(wèn)題：因此，需要對(duì)換熱器參數(shù)、工藝條件以及傳熱特性進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。

本文針對(duì)谷電熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)在供熱領(lǐng)域的應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)基于兆瓦級(jí)供熱能力的熔鹽-水換熱器。

1.2 換熱器選型

1.2.1 換熱器形式的確定

間壁式換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的換熱器，主要分為套管式換熱器、管殼式換熱器、板式換熱器、肋片管式換熱器、板翅式換熱器、螺旋板式換熱器等，其中，管殼式熱交換器結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、適應(yīng)性強(qiáng)、處理能力強(qiáng)，能夠承受高溫、高壓。

結(jié)合熔鹽高溫?fù)Q熱的實(shí)際情況，本文選擇管殼式換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

當(dāng)管殼式換熱器內(nèi)2 種流體溫差較大時(shí)，換熱器內(nèi)會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂或從管板上拉脫，故常采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償措施來(lái)消除或減少熱應(yīng)力。根據(jù)所采用的補(bǔ)償措施，管殼式換熱器主要分為固定管板式換熱器、U 型管換熱器和浮頭式換熱器。固定管板式換熱器只適用于冷熱流體溫差較小、殼程不需清洗的換熱操作；U型管換熱器能做到完全消除熱應(yīng)力，但管程不易清洗；浮頭式換熱器不僅能夠完全消除熱應(yīng)力而且便于清洗和檢修。

考慮熔鹽-水換熱器2種流體溫差較大、熔鹽具有一定的腐蝕性以及水易結(jié)垢等因素，本設(shè)計(jì)方案選擇浮頭式換熱器。

1.2.2 換熱器殼體和封頭形式的確定

管殼式換熱器通常可拆分為前封頭、殼體、后封頭，不同結(jié)構(gòu)的部件用不同的英文字母表示，故換熱器可以用3個(gè)字母來(lái)表示，如BES等。

為提高換熱效果，本設(shè)計(jì)方案選擇B 型封頭管箱作為前封頭，S型鉤圈式浮頭作為后封頭。E型殼體為單程殼體，適用于所有情況且換熱效果比較好，設(shè)計(jì)中一般優(yōu)先選擇，因此選用E型殼體。

1.3 工藝條件

為提高熔鹽與水之間的換熱溫差、減少換熱面積，本設(shè)計(jì)方案設(shè)置熔鹽與水呈逆流換熱，如圖1所示。熔鹽-水換熱器的設(shè)計(jì)工況參數(shù)見(jiàn)表1。

1.4 設(shè)計(jì)與校核計(jì)算

1.4.1 設(shè)計(jì)計(jì)算

換熱器的換熱負(fù)荷Q（W）計(jì)算公式為

式中：cp1為熱介質(zhì)的比熱容，kJ∕(kg·℃)；cp2為冷介質(zhì)的比熱容，kJ∕(kg·℃)；qV1為熱介質(zhì)的流量，m3∕h；qV2為冷介質(zhì)的流量，m3∕h；ρ1為熱介質(zhì)的密度，kg∕m3；ρ2為冷介質(zhì)的密度，kg∕m3；t1i為熱介質(zhì)的進(jìn)口溫度，℃；t1o為熱介質(zhì)的出口溫度，℃；t2i為冷介質(zhì)的進(jìn)口溫度，℃；t2o為冷介質(zhì)的出口溫度，℃。

圖1 熔鹽-水換熱器流體布置Fig.1 Configuration of a molten salt-water heat exchanger

表1 熔鹽-水換熱器設(shè)計(jì)工況參數(shù)Tab.1 Parameters of the molten salt-water heat exchanger under the design condition

換熱器的有效平均溫差Δtem（℃）計(jì)算公式為

式中：Δtm為沒(méi)有Delta 和熱損失修正時(shí)的平均溫度差，℃；cΔ為對(duì)由于泄漏和旁路流引起的溫度分布偏差的修正；cF∕G∕H為F∕G∕H 修正，即殼程為F，G，H 形式時(shí)，對(duì)通過(guò)縱向隔板發(fā)生熱損失的修正。

換熱器對(duì)數(shù)平均溫差Δtlm（℃）計(jì)算公式為

當(dāng)熱介質(zhì)的進(jìn)出口溫差與冷介質(zhì)進(jìn)出口溫差相等時(shí)，采用算術(shù)平均溫差

換熱器的換熱面積A（m2）通過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)輸入的尺寸參數(shù)進(jìn)行計(jì)算

式中：n為管數(shù)；D為管直徑，m；L為管長(zhǎng)，m。

1.4.2 校核計(jì)算

需求傳熱系數(shù)Kreq（W∕(m2·℃)）計(jì)算公式為

換熱器的實(shí)際傳熱系數(shù)Kact（W∕(m2·℃)）是指以計(jì)算的傳熱系數(shù)和給定的結(jié)垢熱阻為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)，計(jì)算公式為

式中：hs為殼側(cè)換熱系數(shù)，W∕(m2·℃)；ht為管側(cè)換熱系數(shù)，W∕(m2·K)；Di為換熱圓管內(nèi)直徑，m；λi為換熱圓管材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W∕(m·℃)；Do為換熱管外直徑，m；Rs，i為熔鹽污垢熱阻，(m2·℃)∕W；Rs，o為水垢熱阻，(m2·℃)∕W。

換熱器的面積設(shè)計(jì)余量dA計(jì)算公式為

1.5 設(shè)計(jì)與校核方案

1.5.1 換熱器設(shè)計(jì)

管殼式換熱器的計(jì)算選用HTRI 軟件的Xist 模塊。HTRI對(duì)管殼式換熱器的設(shè)計(jì)有Design，Rating，Simulation 模式，將相關(guān)參數(shù)輸入，即可對(duì)換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)、核算與模擬。

（1）安裝方向的確定。換熱器的安裝有臥式、立式和傾斜（傾斜角度為1°～20°）3 種形式，其中臥式和傾斜安裝方式適用于所有殼體類型，立式適用于TEMA-E 型。J，X 型殼體要求殼程流體為單相，F(xiàn)，G，H型殼體要求兩側(cè)流體均為單相，K型殼體不允許采用立式。傾斜安裝方式適用于所有殼體，但當(dāng)管內(nèi)為介質(zhì)冷凝時(shí)必須采用單管程且殼程為單相流體。因此，考慮設(shè)計(jì)產(chǎn)品的用途與經(jīng)濟(jì)性，本設(shè)計(jì)方案的換熱器均采用立式安裝方式。

（2）流體位置的確定。由于熔鹽的對(duì)流換熱系數(shù)大于水流的換熱系數(shù)，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)使高溫流體走管程，流量小的流體走殼程?？赏ㄟ^(guò)增加折流板使流量小的流體在殼程形成湍流，增強(qiáng)傳熱，減小換熱面積，降低殼程材料厚度，從而減小質(zhì)量。因此，本設(shè)計(jì)方案中熔鹽走管側(cè)，水走殼側(cè)。

（3）結(jié)構(gòu)尺寸與材料的確定。本設(shè)計(jì)方案中的換熱器長(zhǎng)1.5 m，換熱器所用材質(zhì)為S30409。根據(jù)GB∕T 151—2014《熱交換器》［13］設(shè)計(jì)換熱器的相關(guān)參數(shù)，殼的外徑為380.0 mm，厚度為10.0 mm，換熱管的外徑為10.0 mm，壁厚為1.0 mm，管間距為12.5 mm。由于換熱管排布方式為30°時(shí)比其他布管方式多排15%的管子，能夠有效增大換熱面積，故選擇30°布管方式。折流板選擇單弓形折流板。

（4）介質(zhì)的物性參數(shù)。本設(shè)計(jì)方案中水的物性參數(shù)從HTRI 軟件的物性庫(kù)中選取。熔鹽為二元硝酸鹽（ω（KNO3）=60%：ω（NaNO3）=40%），其物性參數(shù)參考《太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)》［14］。部分物性參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 熔鹽-水換熱器部分物性參數(shù)Tab.2 Partial physical parameters of the molten salt-water heat exchanger

1.5.2 換熱器校核

根據(jù)模擬計(jì)算的結(jié)果，對(duì)所得接管口尺寸等非標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行圓整。依據(jù)HTRI 設(shè)計(jì)手冊(cè)［15］與《熱交換器原理與設(shè)計(jì)》［16］中的浮頭式換熱器主要參數(shù)對(duì)初步計(jì)算的換熱器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行取整，使其符合制造尺寸。圓整后的結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表3。

表3 熔鹽-水換熱器設(shè)計(jì)尺寸Tab.3 Design dimensions of the molten salt-water heat exchanger

根據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù)重新進(jìn)行模擬計(jì)算并檢驗(yàn)，所得設(shè)計(jì)進(jìn)口水流速約為1.63 m∕s，符合要求。

2 結(jié)果分析

2.1 換熱器設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)額定工況適當(dāng)改變工況參數(shù)后，利用HTRI軟件模擬得到的熔鹽-水換熱器最終參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 熔鹽-水換熱器參數(shù)Tab.4 Parameters of the molten salt-water heat exchanger

2.2 變負(fù)荷工況下?lián)Q熱器的運(yùn)行特性

2.2.1 水流量變化的影響

如圖2—3 所示，在水、熔鹽進(jìn)口溫度和熔鹽流量一定的情況下，換熱器熱負(fù)荷、熔鹽出口溫度、有效平均溫差與水流量均呈線性。圖2 中，當(dāng)水流量從0.45 kg∕s 增加到0.70 kg∕s 時(shí)，由于用熱負(fù)荷的增加，換熱器熱負(fù)荷增加約0.43 MW。圖3中，熔鹽出口溫度因?yàn)橛脽嶝?fù)荷的增加而逐漸減小，水流量在0.45～0.70 kg∕s范圍內(nèi)時(shí)，熔鹽出口溫度降低約90.0 ℃。隨著水流量的增大，熔鹽出口溫度大幅降低，由于水蒸氣溫度變化不大，故換熱器一側(cè)流體溫差減小，另一側(cè)溫差幾乎不變，導(dǎo)致逆流換熱有效平均溫差減小，水流量在0.45～0.70 kg∕s范圍內(nèi)時(shí)，有效平均溫差減少約72.0 ℃。隨著水流量的增加，水蒸氣出口溫度降低。由于水汽化時(shí)的傳熱屬于相變傳熱，水蒸氣出口溫度變化不大，在試驗(yàn)水流量范圍內(nèi)僅有0.05 ℃的變化。

水流量不同會(huì)使計(jì)算的傳熱系數(shù)與面積設(shè)計(jì)余量發(fā)生變化，換熱器傳熱系數(shù)隨水流量變化規(guī)律如圖3 所示。由圖3 可見(jiàn)：隨著水流量的增加，由于熱負(fù)荷呈線性增長(zhǎng)，而有效平均溫差減小且減小幅度逐漸增大，故傳熱系數(shù)近似呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)；水流量從0.45 kg∕s 增加到0.70 kg∕s，傳熱系數(shù)增加約141%。面積設(shè)計(jì)余量變化規(guī)律如圖4 所示，隨著水流量的增加，因傳熱系數(shù)增長(zhǎng)幅度越來(lái)越大，故面積設(shè)計(jì)余量逐漸減小，且單位水流量增量下面積設(shè)計(jì)余量的減小量逐漸減小。

2.2.2 熔鹽流量變化的影響

如圖5所示，在水、熔鹽進(jìn)口溫度與水流量一定的情況下，熔鹽出口溫度隨熔鹽流量的增加而增加，且單位熔鹽流量增量下熔鹽出口溫度的增量逐漸減小。熔鹽流量增加導(dǎo)致傳熱時(shí)間縮短，故換熱器熔鹽出口溫度降低，熔鹽流量從2.60 kg∕s 增加到5.20 kg∕s，熔鹽出口溫度上升約133.0 ℃。隨著熔鹽流量的增加，水蒸氣出口溫度變化不明顯。由于該傳熱過(guò)程屬于相變傳熱，需要吸收大量的熱量，因此水蒸氣出口溫度變化不明顯。

圖2 水流量與換熱器熱負(fù)荷、傳熱系數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relationship between water flow，heating load and heat transfer coefficient of the exchanger

圖3 水流量與熔鹽出口溫度、有效平均溫差、水蒸氣出口溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between water flow，molten salt temperature at outlet，effective average temperature difference，steam temperature at outlet

圖4 水流量與面積設(shè)計(jì)余量的關(guān)系Fig.4 Relationship between water flow rate and margin of heating area

圖5 熔鹽流量與熔鹽出口溫度、水蒸氣出口溫度、有效平均溫差的關(guān)系Fig.5 Relationship between molten salt flow，molten salt temperature at outlet，steam temperature at outlet and effective average temperature difference

由圖5可以看出：隨著熔鹽流量的增加，有效平均溫差逐漸增大，由于熔鹽出口溫度大幅增加，而水蒸氣溫度變化卻很小，故換熱器一側(cè)流體溫差增大，另一側(cè)流體溫差幾乎不變，導(dǎo)致逆流換熱有效平均溫差增加；單位熔鹽流量增量下，由于熔鹽出口溫度增量減小，故有效平均溫差的增量逐漸減?。蝗埯}流量從2.60 kg∕s 增加到5.20 kg∕s，有效平均溫差增大約105.0 ℃。由圖6 可以看出：隨著熔鹽流量的增加，傳熱系數(shù)逐漸減小，由于熱負(fù)荷幾乎不變，而有效平均溫差增加且增加量逐漸減小，故傳熱系數(shù)呈指數(shù)級(jí)下降；熔鹽流量從2.60 kg∕s 增加到5.20 kg∕s，傳熱系數(shù)減小約47%；隨著熔鹽流量的增加，面積設(shè)計(jì)余量逐漸增大，由于傳熱系數(shù)減小量逐漸減少，故面積設(shè)計(jì)余量增大且單位熔鹽流量增量下面積設(shè)計(jì)余量增量逐漸減小。

圖6 熔鹽流量與傳熱系數(shù)、面積設(shè)計(jì)余量的關(guān)系Fig.6 Relationship between molten salt flow and margin of heating area

從上述分析可以看出，設(shè)計(jì)換熱器的額定換熱負(fù)荷能夠滿足兆瓦級(jí)換熱負(fù)荷的需要，其動(dòng)態(tài)換熱特性符合管殼式換熱器動(dòng)態(tài)換熱規(guī)律，設(shè)計(jì)選型能夠滿足工業(yè)蒸汽換熱的要求。

3 結(jié)論

本文借助HTRI 軟件對(duì)熔鹽-水換熱器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究與分析，得出以下結(jié)論。

（1）選擇二元硝酸鹽和水作為介質(zhì)，確定熔鹽-水換熱器為浮頭式換熱器，封頭與殼體形式為BES型；換熱器選擇立式安裝方式，水走殼側(cè)，換熱管選擇30°布管方式。利用HTRI 軟件進(jìn)行模擬校核后，得到的換熱器符合要求，熔鹽-水換熱器的最大換熱功率超過(guò)1.00 MW。

（2）在水、熔鹽進(jìn)口溫度和熔鹽流量一定的情況下，換熱器熱負(fù)荷、熔鹽出口溫度、有效平均溫差與水流量均呈線性關(guān)系。當(dāng)水流量從0.45 kg∕s 增加到0.70 kg∕s 時(shí)，熱負(fù)荷增加約0.43 MW，熔鹽出口溫度降低約90.0 ℃，有效平均溫差減少約72.0℃，面積設(shè)計(jì)余量逐漸減小，傳熱系數(shù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，增加約141%，水蒸氣出口溫度減小量不大，在試驗(yàn)水流量范圍內(nèi)僅有0.05 ℃的變化。

（3）在水、熔鹽進(jìn)口溫度與水流量一定的情況下，隨著熔鹽流量從2.60 kg∕s 增加到5.20 kg∕s，熔鹽出口溫度升高約133.0 ℃，有效平均溫差增大約105.0 ℃，水蒸氣出口溫度變化很小，面積設(shè)計(jì)余量逐漸增大，傳熱系數(shù)呈指數(shù)級(jí)下降，減小約47%。