CN108956690B - 一种微小通道内高温熔盐换热特性的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微小通道内高温熔盐换热特性的测量装置，包括高温熔盐加热管段、水循环管段、测试及产物收集管段和数据采集及显示模块；通过高压氮气推挤高温熔盐，在微小通道内建立流动换热系统；通过减压阀和调节阀来调节工质的流量；通过可控硅调压器调节加热功率，保证系统运行温度；利用盐水换热器的热平衡原理来测量熔盐流量，同时通过电子天平实时记录熔盐重量来计算熔盐流量。本发明可以很好地测量熔盐的换热特性，与现有装置相比，具有成本低、易操作、运行可靠等诸多优点。本发明完善了高温熔盐换热的测量方法，填补了当前微小通道内熔盐换热特性测量的技术缺陷。

Description

一种微小通道内高温熔盐换热特性的测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于微小通道内熔盐传热特性测试装置技术领域，具体涉及一种微小通道内高温熔盐换热特性的测量装置，还涉及一种微小通道内高温熔盐换热特性的测量方法。

背景技术

熔盐凭借其传热温度高，饱和蒸气压低、粘性小、比热大等多项显著优势，已作为传热、储热工质被广泛应用于核电站、太阳能光热发电等能源领域，有着广阔的发展前景。其换热性能的优良决定着其所在系统的经济性、稳定性和可靠性，对工业生产和国民生活有着巨大影响。因此，对熔盐传热特性的研究十分必要。

由于熔盐凝固温度高、运行温度高，并且具有腐蚀性的特点，在对熔盐传热特性的测量过程中产生了诸多技术问题。在试验研究中，必须对试验回路进行保温、预热、伴热、防高温分解和防腐蚀等操作。为克服这些问题，研究者们搭建的熔盐测试平台均系统庞大，流程繁冗。这些试验平台不仅成本造价非常高，而且运行可靠性低。因此，提供一个系统简单，运行可靠，能准确测量熔盐换热特性的试验平台，成为目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种微小通道内高温熔盐换热特性的测量装置，解决了现有技术中存在的熔盐测试平台系统庞大、成本高、运行可靠性低的问题。

本发明的另目的是提供一种微小通道内高温熔盐换热特性的测量方法。

本发明所采用的一个技术方案是，一种微小通道内高温熔盐换热特性的测量装置，包括通过管道依次相连的高温熔盐加热管段、水循环管段和测试及产物收集管段，高温熔盐加热管段、水循环管段和测试及产物收集管段上的管道外部均包裹保温棉，高温熔盐加热管段、水循环管段和测试及产物收集管段通过导线连接数据采集及显示模块。

本发明的特点还在于：

高温熔盐加热管段包括氮气罐，氮气罐依次通过管道连接熔盐罐和盐水换热器，氮气罐和熔盐罐之间的管道上依次设置有减压阀和开关阀，熔盐罐和盐水换热器之间设置有耐高温调节阀，耐高温调节阀两端的管道上均设置有极板a，极板a之间设置有直流电源a，熔盐罐侧壁上设置有温度传感器，盐水换热器两端均设置有第四温度传感器，第一温度传感器和第四温度传感器通过导线连接所述数据采集及显示模块，盐水换热器分别通过管道连接水循环管段及测试及产物收集管段。

水循环管段包括依次通过管道连接的冷水机组、水箱、过滤器、高压恒流泵、流量计和高压水预热装置，冷水机组和水箱之间设置有背压阀，冷水机组和高压水预热管段均通过管道连接盐水换热器，冷水机组和盐水换热器之间及高压水预热装置和盐水换热器之间均设置有第二温度传感器，第二温度传感器通过导线连接所述数据采集及显示模块。

高压水预热管段两端相对设置有两个极板b，两个极板b之间设置有变压器，变压器分别通过导线连接调压器和交流电源，两个极板b之间依次设置有若干个热电偶，一个极板位于高压水预热管段和盐水换热器之间，一个极板b与盐水换热器之间设置有一个第三温度传感器，另一个极板b位于高压水预热管段和流量计之间，另一个极板b与流量计之间设置有第三温度传感器，第三温度传感器通过导线连接数据采集及显示模块。

数据采集及显示模块包括数据处理显示装置，数据处理显示装置与第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器通过导线连接，处理显示装置还通过导线连接测试及产物收集管段。

测试及产物收集管段包括熔盐测试管段，熔盐测试管段的出口端下方设置有储盐罐，储盐罐放置在电子天平上，熔盐测试管段两端分别设置一个第五温度传感器，第五温度传感器和电子天平均通过导线连接处理显示装置。

熔盐测试管段两端相对设置有两个极板c，两个极板c之间通过导线连接直流电源b，一个极板c位于测试及产物收集管段和盐水换热器之间，一个极板c与测试及产物收集管段之间设置一个所述第五温度传感器，另一个极板c位于测试及产物收集管段和储盐罐之间，另一个极板c与储盐罐21之间设置一个第五温度传感器。

本发明所采用的另一个技术方案是，一种微小通道内高温熔盐换热特性的测量方法，采用了上述一种微小通道内高温熔盐换热特性的测量装置，具体步骤如下：

步骤1、检查电路，保证无断线、漏电情况；打开开关阀，进而打开氮气瓶5，吹扫高温熔盐加热管段和测试及产物收集管段，确保管路通畅并且无泄漏；

步骤2、关闭耐高温调节阀，向熔盐罐中加入熔盐，并开启直流电源a进行加热；同时打开交流电源与直流电源b，通过观测第一温度传输给数据处理显示装置的温度数据，判断控制管路温度是否升至熔盐熔点以上，通过调节交流电源与直流电源b的输出功率来进行控制；

步骤3、确保熔盐罐内熔盐为液体后，打开耐高温调节阀，同时开启开关阀，使氮气罐向熔盐罐充入氮气，使高温熔盐从熔盐罐流向储盐罐；开启高压恒流泵形成循环水回路，再打开高压水预热管段的交流电源；开启数据采集及显示模块、电子天平，通过调节减压阀和耐高温调节阀依次控制熔盐罐内的氮气压力及盐水换热器内部压力控制熔盐测试管段的熔盐流量；调节高压恒流泵的频率控制循环水的压力和流量；

步骤4、数据采集结束后，先将熔盐罐内和管道内残余的熔盐吹扫干净；再依次关闭交流电源、直流电源b、直流电源a；最后关闭数据处理显示装置。

本发明的有益效果是：本发明能够较准确的测量熔盐的换热特性，与现有装置相比，具有成本低、易操作、运行可靠等诸多优点；本发明完善了高温熔盐换热的测量方法，填补了当前微小通道内熔盐换热特性测量的技术缺陷。

附图说明

图1是本发明一种微小通道内高温熔盐换热特性的测量装置的结构示意图；

图2是本发明一种用于测量微小通道内高温熔盐换热特性的高压水预热管段与极板的连接关系图；

图3是本发明一种用于测量微小通道内高温熔盐换热特性的熔盐测试管段与极板的连接关系图。

图中，1.高温熔盐加热管段，2.水循环管段，3.测试及产物收集管段，4.数据采集及显示模块，5.氮气罐，6.熔盐罐，7.盐水换热器，8.减压阀，9.开关阀，10.极板a，11.直流电源a，12.耐高温调节阀，13.冷水机组，14.背压阀，15.水箱，16.过滤器，17.高压恒流泵，18.流量计，19.高压水预热管段，20.熔盐测试管段，21.储盐罐，22.电子天平，23.数据处理显示装置，24.第一温度传感器，25.第二温度传感器，26.第三温度传感器，27.第四温度传感器，28.第五温度传感器，29.极板b，30.交流电源，31.调压器，32.变压器，33.热电偶，34.极板c，35.直流电源b。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种微小通道内高温熔盐换热特性的测量装置，如图1所示，包括通过管道依次相连的高温熔盐加热管段1、水循环管段2和测试及产物收集管段3，高温熔盐加热管段1、水循环管段2和测试及产物收集管段3上的管道外部均包裹保温棉，高温熔盐加热管段1、水循环管段2和测试及产物收集管段3通过导线连接数据采集及显示模块4。

如图1所示，高温熔盐加热管段1包括氮气罐5，氮气罐5依次通过管道连接熔盐罐6和盐水换热器7，氮气罐5和熔盐罐6之间的管道上依次设置有减压阀8和开关阀9，减压阀8用于精确控制熔盐罐6中的氮气进气压力；熔盐罐6和盐水换热器7之间设置有耐高温调节阀12，耐高温调节阀12用于调节熔盐管路的流量。在保证熔盐罐6内熔盐全部熔化的基础上，向罐内充入氮气，推挤熔盐流入管路。耐高温调节阀12两端的管道上均设置有极板a10，极板a10之间设置有直流电源a11，熔盐罐6侧壁上设置有温度传感器24，盐水换热器7两端均设置有第四温度传感器27，第一温度传感器24和第四温度传感器27通过导线连接所述数据采集及显示模块4，盐水换热器7分别通过管道连接水循环管段2及测试及产物收集管段3。

如图1所示，水循环管段2包括依次通过管道连接的冷水机组13、水箱15、过滤器16、高压恒流泵17、流量计18和高压水预热装置19，冷水机组13和水箱15之间设置有背压阀14，冷水机组13和高压水预热管段19均通过管道连接盐水换热器7，冷水机组13和盐水换热器7之间及高压水预热装置19和盐水换热器7之间均设置有第二温度传感器25，第二温度传感器25通过导线连接所述数据采集及显示模块4。

过滤器16便于除去水中杂质；高压恒流泵17维持水循环回路上的流动，调节高压恒流泵17的频率能够控制循环水的压力和流量；流量计18为质量流量计，能够精确测量水的流量；冷水机组13用于降低水的温度；背压阀14用于调整整个水循环管段的压力；

如图2所示，高压水预热管段19两端相对设置有两个极板b29，两个极板b29之间设置有变压器32，变压器32分别通过导线连接调压器31和交流电源30，两个极板b29之间依次设置有若干个热电偶33，热电偶33连接补偿导线，热电偶33用于测量高压水预热管段19不同截面上的壁面温度，一个极板29位于高压水预热管段19和盐水换热器7之间，一个极板b29与盐水换热器7之间设置有一个第三温度传感器26，另一个极板b29位于高压水预热管段19和流量计18之间，另一个极板b29与流量计18之间设置有第三温度传感器26，第三温度传感器26通过导线连接数据采集及显示模块4。

高压水预热管段19用于控制高压水的温度。

高压水预热管段19和熔盐测试管段20均采取两点式加热方式，通过可控硅精确控制加热功率。

如图1所示，数据采集及显示模块4包括数据处理显示装置23，数据处理显示装置23与第一温度传感器24、第二温度传感器25、第三温度传感器26和第四温度传感器27通过导线连接，处理显示装置23还通过导线连接测试及产物收集管段3。

如图1所示，测试及产物收集管段3包括熔盐测试管段20，熔盐测试管段20的出口端下方设置有储盐罐21，储盐罐21放置在电子天平22上，熔盐测试管段20两端分别设置一个第五温度传感器28，第五温度传感器28和电子天平22均通过导线连接处理显示装置23。

如图3所示，熔盐测试管段20两端相对设置有两个极板c34，两个极板c34之间通过导线连接直流电源b35，一个极板c34位于测试及产物收集管段3和盐水换热器7之间，一个极板c34与测试及产物收集管段3之间设置一个第五温度传感器28，另一个极板c34位于测试及产物收集管段3和储盐罐21之间，另一个极板c34与储盐罐21之间设置一个第五温度传感器28。

熔盐管路外均采取保温棉进行保温，以确保熔盐在管路中不会冻堵；

熔盐管路中所有的非垂直管道均按一定坡度设置，确保熔盐仅凭重力作用便可流向储盐罐21。

一种用于测量微小通道内高温熔盐换热特性的方法，采用了上述一种微小通道内高温熔盐换热特性的测量装置，具体步骤如下：

步骤1、检查电路，保证无断线、漏电情况；打开开关阀9，进而打开氮气瓶5，吹扫高温熔盐加热管段1和测试及产物收集管段3，确保管路通畅并且无泄漏；

步骤2、关闭耐高温调节阀12，向熔盐罐6中加入熔盐，并开启直流电源a11进行加热；同时打开交流电源30与直流电源b35，通过观测第一温度传输给数据处理显示装置23的温度数据，判断控制管路温度是否升至熔盐熔点以上，通过调节调节交流电源30与直流电源b35的输出功率来进行控制；

步骤3、确保熔盐罐6内熔盐为液体后，打开耐高温调节阀12，同时开启开关阀9，使氮气罐5向熔盐罐6充入氮气，使高温熔盐从熔盐罐6流向储盐罐21；开启高压恒流泵17形成循环水回路，再打开高压水预热管段19的交流电源30；开启数据采集及显示模块4、电子天平22，通过调节减压阀8和耐高温调节阀12依次控制熔盐罐6内的氮气压力及盐水换热器7内部压力控制熔盐测试管段20的熔盐流量；调节高压恒流泵17的频率控制循环水的压力和流量；

步骤4、数据采集结束后，先将熔盐罐6内和管道内残余的熔盐吹扫干净；再依次关闭交流电源30、直流电源b34、直流电源a11；最后关闭数据处理显示装置23。

试验开始时，首先启动水循环管段2。先开启冷水机组13并设定冷水机的出口温度，再开启高压恒流泵17。水由恒流泵17流出后首先会通过质量流量计18获取其流量参数，再进入高压水预热管段19；在高压水预热管段19中水被加热到高温后，进入盐水换热器7，通过盐水换热器7后再进入冷却机组13，经过水冷降温后，再经过背压阀14回到水箱15。

当水循环管段2稳定运行后，再启动高温熔盐管路。首先，加热熔盐罐6内的固体混合盐；待罐内温度上升至熔点温度以上后，打开熔盐管路耐高温调节阀12，向熔盐罐6内充入高压氮气，将熔化的混合盐挤压入熔盐管路。氮气罐5通过减压阀8与熔盐罐8相连，罐中的氮气进气压力可由减压阀8精确控制熔盐罐6的出口与耐高温调节阀12相连，调节耐高温调节阀12可控制熔盐管路的流量。通过调节减压阀8和耐高温调节阀12依次控制熔盐罐6内的氮气压力及盐水换热器7内部压力控制试验测试段的熔盐流量；熔盐在管路中依次通过盐水换热器7和熔盐测试管段20。熔盐在流经盐水换热器7时与水进行换热，通过第四温度传感器27测量盐水换热器7的进出口温度，并根据热平衡原理来计算熔盐流量。数据采集及显示模块4通过第四温度传感器27采集盐水换热器7进出口的温度数据，根据热平衡原理计算熔盐流量；数据采集及显示模块4对电子天平22采集到的熔盐质量数据进行处理得到熔盐流量；调节高压恒流泵17的频率控制循环水的压力和流量；采集第五温度传感器28及热电偶33的测温数据，进一步分析处理可得到管内熔盐的换热性能参数；熔盐流经熔盐测试管段20时，通过第五温度传感器28获得其进出口的温度以及壁面温度，进一步进行分析计算，可得到熔盐对流换热性能与变化规律。经过测试管段20后，熔盐最终流入储盐罐21。在储盐罐21下放置有电子天平22，可实时记录储盐罐21中的熔盐重量，并根据其重量随时间的变化来计算熔盐流量。

本发明一种微小通道内高温熔盐换热特性的测量装置，其有益效果在于：

1.本发明一种微小通道内高温熔盐换热特性的测量装置，可以通过氮气推挤熔盐的方式在较宽范围内对熔盐流量进行调节，大大提高了实验平台的适用范围。同时，由于没有使用熔盐泵，不仅减少了测试系统的成本，而且减少了系统的故障率；

2.本发明一种微小通道内高温熔盐换热特性的测量装置，不仅可以通过测量盐-水换热器的进出口温度，利用热平衡原理计算对熔盐流量；同时可以利用电子天平对熔盐流量进行测量，将两种方法进行对比分析可得到更加可靠的熔盐流量数据；

3.本发明一种微小通道内高温熔盐换热特性的测量装置，熔盐测试装置、高压水预热装置、熔盐管路的预热等均采用极板加热的方式，热流密度高，加热时间短，并且热量在管壁均匀分布加热效果非常好；

4.本发明一种微小通道内高温熔盐换热特性的测量装置，所有温度传感器测点的数据均同步传输到数据采集系统，同时进行分析和处理，增强了系统的可靠性，提高了试验效率；

5.本发明提供的用于测量微小通道内高温熔盐换热特性的装置，试验管路均为微小通道，为工程应用提供了可行性。

Claims (3)

1.一种用于测量微小通道内高温熔盐换热特性的方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1、检查电路，保证无断线、漏电情况；打开开关阀(9)，进而打开氮气罐(5)，吹扫高温熔盐加热管段(1)和测试及产物收集管段(3)，确保管路通畅并且无泄漏；

步骤2、关闭耐高温调节阀(12)，向熔盐罐(6)中加入熔盐，并开启直流电源a(11)进行加热；同时打开交流电源(30)与直流电源b(35)，通过观测第一温度传输给数据处理显示装置(23)的温度数据，判断控制管路温度是否升至熔盐熔点以上，通过调节交流电源(30)与直流电源b(35)的输出功率来进行控制；

步骤3、确保熔盐罐(6)内熔盐为液体后，打开耐高温调节阀(12)，同时开启开关阀(9)，使氮气罐(5)向熔盐罐(6)充入氮气，使高温熔盐从熔盐罐(6)流向储盐罐(21)；开启高压恒流泵(17)形成循环水回路，再打开高压水预热管段(19)的交流电源(30)；开启数据采集及显示模块(4)、电子天平(22)，通过调节减压阀(8)和耐高温调节阀(12)依次控制熔盐罐(6)内的氮气压力及盐水换热器(7)内部压力控制熔盐测试管段(20)的熔盐流量；调节高压恒流泵(17)的频率控制循环水的压力和流量；

步骤4、数据采集结束后，先将熔盐罐(6)内和管道内残余的熔盐吹扫干净；再依次关闭交流电源(30)、直流电源b(35)、直流电源a(11)；最后关闭数据处理显示装置(23)；

所述一种用于测量微小通道内高温熔盐换热特性的方法，依赖于一种微小通道内高温熔盐换热特性的测量装置，包括通过管道依次相连的高温熔盐加热管段(1)、水循环管段(2)和测试及产物收集管段(3)，所述高温熔盐加热管段(1)、水循环管段(2)和测试及产物收集管段(3)上的管道外部均包裹保温棉，所述高温熔盐加热管段(1)、水循环管段(2)和测试及产物收集管段(3)通过导线连接数据采集及显示模块(4)；

所述高温熔盐加热管段(1)包括氮气罐(5)，所述氮气罐(5)依次通过管道连接熔盐罐(6)和盐水换热器(7)，所述氮气罐(5)和熔盐罐(6)之间的管道上依次设置有减压阀(8)和开关阀(9)，所述熔盐罐(6)和盐水换热器(7)之间设置有耐高温调节阀(12)，所述耐高温调节阀(12)两端的管道上均设置有极板a(10)，所述极板a(10)之间设置有直流电源a(11)，所述熔盐罐(6)一侧设置有第一温度传感器(24)，所述盐水换热器(7)两端均设置有第四温度传感器(27)，所述第一温度传感器(24)和所述第四温度传感器(27)通过导线连接所述数据采集及显示模块(4)，所述盐水换热器(7)分别通过管道连接所述水循环管段(2)及测试及产物收集管段(3)；

所述水循环管段(2)包括依次通过管道连接的冷水机组(13)、水箱(15)、过滤器(16)、高压恒流泵(17)、流量计(18)和高压水预热管段(19)，所述冷水机组(13)和所述水箱(15)之间设置有背压阀(14)，所述冷水机组(13)和高压水预热管段(19)均通过管道连接所述盐水换热器(7)，所述冷水机组(13)和所述盐水换热器(7)之间及高压水预热管段(19)和所述盐水换热器(7)之间均设置有第二温度传感器(25)，所述第二温度传感器(25)通过导线连接所述数据采集及显示模块(4)；

所述高压水预热管段(19)两端相对设置有两个极板b(29)，两个所述极板b(29)之间设置有变压器(32)，所述变压器(32)分别通过导线连接调压器(31)和交流电源(30)，两个所述极板b(29)之间依次设置有若干个热电偶(33)，一个所述极板b(29)位于所述高压水预热管段(19)和所述盐水换热器(7)之间，一个所述极板b(29)与所述盐水换热器(7)之间设置有一个第三温度传感器(26)，另一个所述极板b(29)位于所述高压水预热管段(19)和所述流量计(18)之间，另一个所述极板b(29)与所述流量计(18)之间设置有第三温度传感器(26)，所述第三温度传感器(26)通过导线连接所述数据采集及显示模块(4)；

所述数据采集及显示模块(4)包括数据处理显示装置(23)，所述数据处理显示装置(23)与所述第一温度传感器(24)、所述第二温度传感器(25)、所述第三温度传感器(26)和所述第四温度传感器(27)通过导线连接，所述数据 处理显示装置(23)还通过导线连接测试及产物收集管段(3)。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量微小通道内高温熔盐换热特性的方法，其特征在于，所述测试及产物收集管段(3)包括熔盐测试管段(20)，所述熔盐测试管段(20)的出口端下方设置有储盐罐(21)，所述储盐罐(21)放置在电子天平(22)上，所述熔盐测试管段(20)两端分别设置一个第五温度传感器(28)，所述第五温度传感器(28)和所述电子天平(22)均通过导线连接所述数据 处理显示装置(23)。

3.根据权利要求2所述的一种用于测量微小通道内高温熔盐换热特性的方法，其特征在于，所述熔盐测试管段(20)两端相对设置有两个极板c(34)，两个所述极板c(34)之间通过导线连接直流电源b(35)，一个所述极板c(34)位于所述测试及产物收集管段(3)和所述盐水换热器(7)之间，一个所述极板c(34)与所述测试及产物收集管段(3)之间设置一个所述第五温度传感器(28)，另一个所述极板c(34)位于所述测试及产物收集管段(3)和所述储盐罐(21)之间，另一个所述极板c(34)与所述储盐罐(21)之间设置一个所述第五温度传感器(28)。

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