高温熔盐在层流区的传热特性

孙 波 周金豪 佘长锋 龙德武 窦 强 胡伟青 李晴暖

1（中国科学院钍基熔盐堆核能系统卓越创新中心 上海 201800）

2（中国科学院核辐射与核能技术重点实验室 上海 201800）

3（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区 上海 201800）

高温熔盐在层流区的传热特性

孙 波1,2,3周金豪1,2,3佘长锋1,2,3龙德武1,2,3窦 强1,2,3胡伟青1,2,3李晴暖1,2,3

1（中国科学院钍基熔盐堆核能系统卓越创新中心 上海 201800）

2（中国科学院核辐射与核能技术重点实验室 上海 201800）

3（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区 上海 201800）

高温熔盐在熔盐堆和太阳能储能等领域有广泛的应用前景，为研究熔盐堆乏燃料后处理的氟化挥发过程中熔盐的传热特性，本文基于三元硝酸盐与导热油的对流传热实验装置，对熔盐在层流区的传热特性进行了研究。根据实验数据对努塞尔数Nu计算关联式进行了评价，并在Sieder-Tate关联式基础上，利用实验数据进行拟合得到了新的计算关联式。通过Fluent6.3平台对新Nu关联式进行验算。与换热器内的温度场分布对比，发现新Nu计算关联式能较准确地预测熔盐在层流区的传热特性。

熔盐，层流，传热

熔盐堆是第四代反应堆核能系统的6种候选堆型之一[1]。熔盐的传热现象广泛存在于熔盐堆的运行和乏燃料处理的化学工艺流程中，如熔盐堆的一二回路间的换热和裂变材料铀的氟化挥发分离等。氟化挥发是利用不同元素氟化物的挥发度差异来实现铀与裂变产物的分离，为保证氟化挥发的效率，熔盐处于低流速的层流区，并且为了防止熔盐、氟气对容器壁的腐蚀，还需要通过外壁冷却形成冷冻壁进行保护。相关的传热及温度场梯度对冷冻壁技术至关重要，因此熔盐在层流区的传热规律对后续冷冻壁的形成和维持有重要的指导意义。

美国橡树岭国家实验室[2−3]利用硝酸盐和氟化盐对其在湍流和过渡流的换热进行了试验研究，但没有得到熔盐管内的传热关联式。国内一些学者[4−6]主要针对横纹管和螺旋管内的湍流和过渡流熔盐强化传热进行了研究，提出了一些强化传热计算关联式。然而，目前对于层流区的熔盐传热研究较少，对于现有的适用于层流的传热关联式是基于水的实验数据得到的，而熔盐与水在粘度、表面张力、导热系数等方面有较大差异。因此，有必要通过实验来研究熔盐在层流区的传热规律。

本文通过管内熔盐和管外导热油的实验研究了熔盐的对流传热特性，分别分析了对流传热系数和努塞尔数Nu在层流阶段随雷诺数Re的变化规律，对现有的对流传热计算关联式进行了评价和分析，在实验数据的基础上，拟合得到了适用于熔盐在层流区的传热计算关联式。

1 实验装置及实验步骤

1.1 实验装置

本文所用实验回路主要由熔盐回路和导热油回路组成，具体如图1所示。图1中，熔盐回路主要包括：熔盐排泄罐、熔盐加热罐、屏蔽泵、换热器、流量计1和流量计2。导热油回路主要包括：导热油槽、导热油泵、冷却器、流量计3。换热器试验段为316-L不锈钢锥形罐，高度为620 mm，其入口处内径200 mm，熔盐溢流口处内径306 mm，并且在距离入口100 mm、300 mm、500 mm三个截面上各布置了11个热电偶（精度0.1 ºC），用以测量换热器内的温度场分布。换热器内部通以熔盐，其外层为50 mm的导热油夹套，通以导热油进行热交换。流量计1、2为数显靶式流量计，测量范围分别为30−500 L.h−1、0.5−5 m3.h−1，测量精度分别为±1%、±1.5%，流量计3为涡街流量计，范围1.5−15 m3.h−1，测量精度为±1%。超耐热型屏蔽泵扬程为22 m，最高工作温度为300 ºC；导热油泵为离心泵，扬程为20 m。

图1 实验回路图Fig.1 Schematic of experimental loop.

2 实验步骤

熔盐在排泄罐内经加热到熔点以上，通过气体压送到加热罐中；关闭V5，通过泵循环，调节三通阀V3可获得相应的熔盐流量。熔盐回路有加热器、电伴热及保温层，可调节熔盐的温度。导热油回路主要通过导热油泵变频调节导热油流量，通过导热油槽加热器和冷却器调节导热油温度。熔盐进出口有相应的热电偶测量熔盐的温度，进出口的平均温度为熔盐的平均温度，流量计1测量熔盐的流量；导热油进出口有相应的热电偶测量导热油的温度，换热器壁面温度近似为导热油的进出口平均温度，流量计3测量导热油的流量；换热器内的温度场由3个截面上共33个热电偶测量获得。所有实验数据可通过控制系统在线采集。

3 实验方法

3.1 Nu测量方法

可根据实验中测量的熔盐流量及熔盐的进出口温差计算得到传热量：

式中，Q为总传热量；V、ρ、Cp分别为熔盐体积流量、熔盐密度、熔盐定压比热； tsi、tso为熔盐进出口温度。换热器管内平均对流传热系数：

式中，A为内表面的面积；tw为壁面平均温度；tsf为管内熔盐的平均温度。Nu（反映对流传热强弱的无量纲数）为：

式中，λ为熔盐的导热系数；d为管的当量直径。本实验选用的是混合硝酸盐(53% KNO3+40% NaNO2+ 7% NaNO3)，其熔点142 ºC，其密度、粘度、导热系数按文献[7]的公式计算。

3.2 现有的Nu计算关联式

根据Re可分为以下三个区域：层流区(Re＜2300)、过渡区(2300≤Re＜10000)和湍流区(Re≥10000)，适用于层流区的Nu计算关联式有Sieder-Tate关联式[7]，适用于过渡区的关联式有Gnielinski关联式[8]和Hausen关联式[9]；适用于湍流的关联式有Dittus-Boelter关联式[10]。Sieder-Tate关联式[7]有如下形式：

式中，Pr、d和l分别普朗特数、管道当量直径和管道长度；μ和μw分别为管内流体在平均温度和壁温下的粘度。适用范围为：Re＜2300，Pr＞0.6，Re.Pr.d.l−1＞10。Gnielinski关联式[8]有如下形式：

式中，Pr和Prw分别为流体平均温度和壁面温度时的普朗特数。适用范围为：Re=2300−104，Pr=1.5−500，Pr/Prw=0.05−20。Hausen关联式[9]有如下形式：

此关联式的适用范围：Re=2300−104，Pr=0.5−1000。Dittus-Boelter关联式[10]有如下形式：

此关联式适用范围：Re＞10 000，0.7＜Pr＜120。

4 结果和讨论

4.1 管内熔盐的换热特性

熔盐侧的对流传热系数随Re的变化见图2，由于熔盐的流量较小(34−330 L.h−1)，因此相应的熔盐传热系数都比较小，传热系数随Re有增大的趋势。在不同的工况下，通过式(1)、(2)和(3)可得到Nu实验值，并与层流区Sieder-Tate的Nu关联式计算结果进行了比较，结果如图3所示，Sieder-Tate关联式计算的平均相对误差为：16.1%。当Re＜300时，计算值比实验值偏大，当Re＞300时，计算值比实验值偏小。并且当Re在大于800之后，计算值与实验值相差较大。分析其原因为：熔盐与水相比，熔盐随着Re的增加，相应的对流传热能力会更强，因此对应的Nu数会更大。考虑到熔盐的传热及温度场梯度对冷冻壁技术发展至关重要，因此有必要进一步研究，拟提出更精确的传热关联式。

图2 对流传热系数随Re变化曲线Fig.2 The curve of convection heat transfer coefficient changing with Re.

图3 Nu-Re实验值与Sieder-Tate关联式的对比Fig.3 Comparison between Nu-Re data and Sieder-Tate correlations.

基于Sieder-Tate计算关联式，利用实验中的数据采用取对数拟合的方法，得到了新的计算关联式：

图4为新Nu-Re关联式计算值与实验值的对比。新的计算关联式主要修正了Re与Pr的耦合指数因子，增加了Re对Nu的影响因子，更能准确地反映出Nu随Re的变化规律。其中新关联式与实验值的平均相对误差为8.5%，可见新关联式能够对熔盐层流区的传热特性进行更准确的预测。

图4 新Nu关联式计算值与实验值对比Fig.4 Comparison between Nu data and new correlation.

4.2 新关联式验证

通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法，基于Fluent6.3平台研究换热器内熔盐的流动与传热特性，计算选用以上数据之外的工况，主要对新Nu关联式计算方法进行验证。由于换热器内溢流口以上空间为空气，因此选用Mixture多相传热模型，其中，在换热器下方通以熔盐，换热器夹套通以导热油，熔盐进口温度200 ºC，熔盐流量175 L.h−1，导热油进口温度100 ºC，导热油流量2.7 m3.h−1，并通过新关联式计算得到的Nu为31.4，相应求得传热系数h为55.9 w.m−2.k−1，用于熔盐侧对流换热边界条件设置。图5为换热器内求解得到的熔盐的体积分数，其中熔盐从下往上流动，经过溢流口流出换热器，上部空间为空气。

图5 熔盐的体积分数Fig.5 Volume fraction of the molten salt.

图6 为换热器内侧熔盐的三维温度场分布情况。随熔盐由下往上流动，因外壁导热油的冷却，熔盐由下往上温度逐渐降低，熔盐到达溢流口的平均温度为169.8 ºC（实验值为174.5 ºC）。选取实验对应的上、中、下三个截面（分别距离入口100 mm、300 mm、500 mm）研究径向上温度场的分布，可以看出中心温度较高，逐渐靠外侧的温度降低，出现了一定的温度梯度。图7为对应的三个截面上不同热电偶测得的实验值与计算值的对比情况，从实验值和计算值都可以看出从壁面到中心的第1、2号热电偶之间的温差较大，之后的热电偶温度分布相对均匀，而上截面温度计算值偏小，下截面的温度计算值偏大，总的计算的平均相对误差为5.1%，因此基于Fluent软件利用新关联式得到温度场分布能够较准确地反映换热器内不同高度、不同径向上的传热情况。

图6 熔盐的温度分布Fig.6 Temperature distribution of the molten salt.

图7 不同截面温度实验值与计算值对比(a) 上截面，(b) 中截面，(c) 下截面Fig.7 Comparison between calculated results against experimental data of temperature in different sections.(a) Top section, (b) Middle section, (c) Bottom section

5 结语

利用硝酸盐与导热油的对流传热实验，研究了硝酸盐在层流区的对流传热特性，通过传热平衡得到了对流传热系数、Nu实验值，根据Nu实验值与Sieder-Tate计算值进行了比较，平均相对误差为16.1%。在Sieder-Tate计算关联式基础上，利用实验数据拟合得到了新的计算关联式，通过Fluent6.3平台对新Nu关联式进行验算。与换热器内的温度场分布对比，发现新Nu计算关联式能较准确地预测熔盐在层流区的传热特性。

1 Cheng M S, Dai Z M. Development of a three dimension multi-physics code for molten salt fast reactor[J]. Nuclear Science and Techniques, 2014, 25: 010601

2 Liu Z L, Wang H Y, Zhang X H, et al. An experimental study on minimizing frost deposition on a cold surface under natural convection conditions by use of a novel anti-frosting paint Part I: anti-frosting performance and comparison with the uncoated metallic surface[J]. International Journal of Refrigeration, 2006, 29(2): 229−236

3 Liu Z L, Wang H Y, Zhang X H, et al. An experimental study on minimizing frost deposition on a cold surface under natural convection conditions by use of a novel anti-frosting paint Part II: long-term performance, frost layer observation and mechanism analysis[J]. International Journal of Refrigeration, 2006, 29(2): 237−242

4 叶猛, 刘斌, 吴玉庭, 等. 熔融盐(LiNO3)强制对流换热实验[J]. 工程热物理学报, 2008, 29(9): 1585−1587

YE Meng, LIU Bin, WU Yuting, et al. An experimental investigation of heat transfer during forced convection in molten salt (LiNO3)[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2008, 29(9): 1585−1587

5 文玉良, 丁静, 杨晓西, 等. 高温熔盐横纹管传热特性与强化机理研究[J]. 工程热物理学报, 2010, 31(1): 113−115

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7 王树涛. 混合硝酸盐横纹管强化传热实验研究[D]. 北京: 北京工业大学, 2012: 1−29

WANG Shutao. Experimental study of enhanced heat transfer in transversally corrugated tube with molten salt[D]. Beijing: Beijing University of Technology, 2012: 1−29

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10 姚玉英. 化工原理(上册)[M]. 天津: 天津大学出版社, 2003: 242−243

YAO Yuying. The principle of chemical engineering[M]. Tianjin: Tianjin University Press, 2003: 242−243

CLC TK124

Heat transfer characteristics of high-temperature

SUN Bo1,2,3ZHOU Jinhao1,2,3SHE Changfeng1,2,3LONG Dewu1,2,3DOU Qiang1,2,3HU Weiqing1,2,3LI Qingnuan1,2,3

1(Center for Excellence TMSR Energy System, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China)
2(Key Laboratory of Nuclear Radiation and Nuclear Energy Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China)
3(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)

Background: High-temperature molten salt has a wide range of applications, which has been considered as an extremely potential medium for heat transfer and storage in concentrating solar thermal power plants and molten salt reactors. Purpose: The aim is to obtain the heat transfer characteristics of molten salt during fluoride volatility processing of spent fuel reprocessing in molten salt reactor. Methods: Based on the convective heat transfer experimental apparatus of ternary nitrate salt and oil, the heat transfer characteristics of molten salt in the laminar flow region was studied. Calculation correlation for Nusselt number (Nu) was evaluated against the experimental data. Results: Based on the Sieder-Tate correlation, a new correlation was proposed by fitting experimental data. The new correlation was evaluated by using Fluent6.3 software. Conclusion: The new correlation can accurately predict the heat transfer characteristics of molten salt in laminar flow region by comparison with the temperature distribution in the heat exchanger.

Molten salt, Laminar flow region, Heat transfer

TK124

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.030601

中国科学院战略性先导科技专项(No.XDA02030000)资助

孙波，男，1987年出生，2013年于哈尔滨工程大学获硕士学位，助理研究员，从事放射化学与工程技术

周金豪，E-mail: zhoujinhao@sinap.ac.cn

2014-11-24，

2014-12-19