熔融盐腔式吸热器动态仿真及热性能测试方法研究-张强强.doc

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博士学位论文

熔 融 盐 腔 式 吸热 器 动 态 仿 真 及热 性 能 测 试 方 法研 究

作者姓名： 张 强强

指导教师: 王志峰 研究员

中 国科学院电 工研究所

学位类别: 工 学博 士

学科专业: 电 工理论与 新技术

研究所: 中 国科学院电 工研究所

二〇一四年四月

A Study on the Dynamic Simulation and Thermal Performance Te st of Molten Salt Cavity Receiver

By Qiangqiang Zhang

A Dissertation Submitted to

The University of Chinese Academy of Sciences In partial fulfillment of the requirement
For the degree of Doctor of Engineering

Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences April, 2014

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摘要

本文的研究对象是熔融盐腔式吸热器。熔融盐可以同时作为传热和储热工质， 使电站的传热储热一体化，同时在无相变的情况下提高了工质的使用温度，而腔 体式的设计可以有效减小吸热器的热损失，所以本文对熔融盐腔式吸热器及吸热 器系统的性能进行了细致的研究。
本文首先利用熔融盐热工水力学实验平台对熔融盐腔式吸热器进行了多组 不同输入功率和流量的实验，并通过对实验结果进行分析得到了吸热器效率与输 入功率和流量的关系。对于本实验台安装的吸热器，热损失与电能损失的增长速 度较快，因此吸热器的效率随着输入功率的增大会降低，而吸热器的效率随着流 量的增大而增大。另外，将由输入功率突变引起的动态过程划分为三个阶段，从 而能更好的理解吸热器的动态响应过程。
本文利用仿真平台 Dymola 建立了熔融盐腔式吸热器以及吸热器系统的动态 仿真模型，该模型可对吸热器的导热、对流和辐射耦合传热进行快速求解。在角 系数的计算过程中考虑了吸热管道之间的遮挡和管道表面的弯曲情况。经过大量 不同实验工况的验证，该模型可正确反映吸热器热性能以及动态性能。利用该模 型对吸热器系统中的入口缓冲罐的结构进行了分析，同时还对部分控制进行了失 效分析，得到了流量控制失效以及液位控制失效对吸热器系统的影响。
通过将熔融盐腔式吸热器的对流热损失与辐射热损失结合得到了吸热器的 总热损失系数的表达式，并得到了该参数与吸热面发射率、吸热面温度和环境温 度等参数的关系。介绍了热损失系数的测试方法，并通过仿真与实验结合的方法 进行了验证。根据两点热容法建立了吸热器的能量平衡方程，并通过拉普拉斯换 方法得到了出口温度对由输入能量突变引起的动态过程的解析解，通过合理的推 导得到了吸热器的特征时间数的表达式，建立了测试方法，并得到了多次仿真实 验下的特征时间数的值，结果表明，在相同输入能量下，特征时间数随着流量的 增大而减小，即流量越大，吸热器对输入能量的响应速度越快；而在相同流量下， 输入能量的大小对吸热器的特征时间数影响非常小。最后对熔融盐腔式吸热器应 用了传递函数法，并对传递函数法进行了简化，利用该方法对四个工况下的吸热 器出口温度进行预测，最大相对误差小于 15%，结果表明传递函数法可以较为准
确的对熔融盐腔式吸热器的出口温度进行预测。 关键词：熔融盐，腔式吸热器，动态仿真，热性能，测试方法

Abstract

This work is focused on the molten salt cavity receiver. The heat transfer and storage of solar tower power plant can be integrated by using molten salt and the temperature range of heat transfer fluid can be also extended without phase changing. The cavity design can effectively decrease the heat loss of receivers. Therefore, the thesis takes the molten salt cavity receiver and the receiver system as the research object.
With the molten salt experimental-setup in Yanqing, a lot of experiments are conducted to the molten salt cavity receiver under different input power and flow rate. And the connections between these variables are found out. For the indoor receiver, the electrical loss and heat loss increase faster than the useful energy so the efficiency of the receiver goes down while the input power increase; the increase of flow rate can raise the efficiency. The dynamic process of molten salt receiver, which is due to the sudden change of input power, is divided into three stages in order to get a better understanding of the dynamic response.
Based on the multi-engineering software Dymola, a dynamic model of molten salt cavity receiver and receiver system are developed. This model can did a coupled calculation on heat conduction, convection heat transfer and radiation heat transfer. During the calculation of view factor, the blocking effect of adjacent tubes is considered. The model is verified through a lot experimental data. And the model is used to analyze the structure of cold surge tank and the failure analysis on the flow rate and level control system is also carried out.
The total heat loss coefficient is obtained by integrating the convection and radiation heat loss. The influence of surface emissivity, surface temperature and ambient temperature on the total heat loss coefficient is investigated. The testing method of this coefficient is verified through simulation and experimental data. The energy balance equation of the receiver is developed based on two-node model. Laplace transform is used to get the analytical result of outlet temperature when the input power changes suddenly and the characteristic time are obtained in the expression. The testing method of characteristic time is also introduced and applied to many simulation cases. The results indicate that the characteristic time goes opposite with the flow rate while the level of input power has not much influence on it. In the

last part, the transfer function method is simplified and applied to the molten salt cavity receiver. The method successfully predicts the outlet temperature in four working conditions with a max relative error less than 15%. The results indicate the outlet temperature can be predicted reasonably using transfer function method.
Keywords: molten salt, cavity receiver, dynamic simulation, thermal performance,
test method

目 录
第一章 绪论 1
1.1 背景与意义 1
1.1.1 熔融盐塔式热发电技术的发展情况 1
1.1.2 熔融盐腔式吸热器及吸热器系统的基本概念 7
1.1.3 选题意义 9
1.2 国内外研究现状 10
1.2.1 熔融盐腔式吸热器研究概述 10
1.2.2 熔融盐腔式吸热器系统仿真研究成果介绍 11
1.2.3 熔融盐腔式吸热器热性能测试的研究介绍 16
1.3 研究目标与研究内容 19
1.4 本章小结 21
第二章 熔融盐腔式吸热器系统仿真 23
2.1 熔融盐腔式吸热器的非稳态实验 23
2.1.1 熔融盐热工水力学实验平台 23
2.1.2 熔融盐腔式吸热器的非稳态实验研究 28
2.1.2.1 实验设计和结果的初步分析 28
2.1.2.2 吸热器非稳态过程中的能量和温度变化分析 32
2.2 熔融盐腔式吸热器的建模和实验验证 35
2.2.1 基于 Modelica 语言的熔融盐腔式吸热器建模 35
2.2.1.1 管壁导热模块 35
2.2.1.2 对流热损失模块 36
2.2.1.3 辐射换热模块 37
2.2.1.4 反射交换模块 39
2.2.1.5 角系数计算过程 41
2.2.1.6 管内换热模块 50
2.2.1.7 吸热器模型 52
2.2.2 熔融盐腔式吸热器模型的实验验证 53
2.3 熔融盐吸热器系统简介 61
2.4 熔融盐腔式吸热器系统仿真 65

熔融盐腔式吸热器动态仿真及热性能测试方法研究
2.4.1 入口缓冲罐和出口缓冲罐模型 65
2.4.2 带控制的熔融盐吸热器系统仿真 66
2.4.3 入口缓冲罐结构分析 69
2.4.4 部分控制失效分析 72
2.5 本章小结 78
第三章 熔融盐腔式吸热器的热性能测试方法研究 81
3.1 熔融盐腔式吸热器的热损失系数推导及实验验证 81
3.1.1 熔融盐腔式吸热器的热损失系数推导及分析 81
3.1.2 熔融盐腔式吸热器特征流体温度和入口温度的关系 87
3.1.3 熔融盐腔式吸热器热损失系数测试 90
3.2 熔融盐腔式吸热器的特征时间数的推导和测试 93
3.2.1 平板集热器时间常数测试方法介绍 94
3.2.2 熔融盐腔式吸热器特征时间数推导 95
3.2.3 熔融盐腔式吸热器特征时间数测试 102
3.3 熔融盐腔式吸热器热性能测试的传递函数法 108
3.3.1 传递函数法数学模型 109
3.3.2 传递函数法的参数回归和实验验证 111
3.4 本章小结 117
第四章 总结与展望 119
4.1 主要结论 119
4.2 论文创新点 121
4.3 前景和展望 121
符号说明 123
参考文献 129
攻读博士学位期间发表的论文与专利 137
致 谢 139

第一章 绪论

1.1 背景与意义

1.1.1 熔融盐塔式热发电技术的发展情况
太阳能热发电技术是可再生能源发电 技术中的一种，英文全称是 Concentrated solar power，该技术是通过定日镜场将太阳能“聚集”起来，然后 通过传热将这部分太阳能转换为热能，最终通过传统的热能-机械能-电能的转换 方式产生最为广泛应用的电能。由于太阳能热发电站的输出电能平稳可控、储能 方式独特等特点，全球范围内的热发电装机容量逐步上升，截至 2013 年 3 月， 国外的太阳能热发电装机容量超过 2.8GW[1]。与国外市场相比，中国太阳能热发 电市场的起步较为落后[2, 3]。随着 2011 年第一座商业化 50MW 太阳能槽式热发 电站招标的结束，太阳能热发电技术在国内开始进入商业化工程示范阶段[4]。
太阳能热发电主要包括四种常见的集热方式，如图 1.1 所示，即太阳能抛物 槽式发电、太阳能碟式-斯特林发电、太阳能线性菲涅尔式发电和太阳能塔式发 电[5, 6]。
太阳能抛物槽式发电通过抛物面聚光器将太阳光汇聚到吸热管表面，吸热管 位于聚光器的焦线位置，吸热管表面的太阳辐射能加热管内的传热流体参加热力 循环系统发电[7]。槽式热发电系统通常使用导热油作为传热工质，近年来，一些 研究人员开始使用熔融盐作为传热流体以提高槽式集热器的运行温度[8]，比如意 大利的“阿基米德”电站[9]。
太阳能碟式-斯特林发电利用抛物碟式聚光器自动追踪太阳，并将太阳光聚 集到焦点处的吸热器上，进一步通过斯特林循环或者布雷顿循环发电[10]。
太阳能线性菲涅尔式发电是利用地面放置的菲涅尔式反射镜将太阳辐射聚 集到位于焦线位置的集热管表面，加热管内的工质，并通过参与热力循环进行发 电[11]。
太阳能塔式发电是利用众多的定日镜，将太阳辐射能反射到置于高塔顶部的 吸热器上，加热工质，直接或者间接的产生蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电，从 而实现太阳能到电能的转换。
塔式热发电根据传热工质的不同主要分为水/水蒸汽，空气和熔融盐三大类
[12, 13]。这三类工质由于特性不同，在不同的温度范围内都有着广泛的应用，但
是每种工质在应用过程中也都有不可避免的缺点。水工质提高工作温度的代价是

提高了吸热器的运行压力，从而对吸热器及相应管路的安全性有较高的要求；空 气作为传热工质的工作温度非常高，可以达到接近 1000℃，但是由于空气的比 热较小，换热系数较低，因此吸热器需要较大的换热面积来提升换热量，而且空 气吸热器的压力损失较大，目前仍处于探索研究阶段[14, 15]。

图 1.1 四种常见的太阳能热发电形式

熔融盐是指处于熔融态的盐，包括无机盐、氧化物熔体以及熔融有机物等种 类，通常所指的熔融盐是无机盐，其中最常用的两类盐是硝酸盐和碳酸盐。如果 以熔融盐作为吸热器中的传热工质，则系统可以常压运行，安全性提高[16]；传 热工质在整个吸热、传热循环中无相变，且熔融盐热容大，吸热器可承受较高的 热流密度，进而使吸热器做的更小，既能减少成本，又能降低热损。从商业前景

来看，以熔融盐为传热介质的吸热器效率高、功率大，系统易于实现大容量蓄热， 可实现连续、稳定发电[17]。当然，熔融盐也有着自身的缺点，该类工质通常具 有较高的凝固点，而且对材料有较强的氧化性和腐蚀性。但是，随着国内外研究 机构的努力，低熔点的熔融盐制备工作进展良好[18-22]，而且稳定性也在逐步提升， 相信随着时间的推移，这些问题都将得到解决。
熔融盐在太阳能热发电领域的应用始于 20 世纪 80 年代，美国的 MSEE
（Molten Salt Electric Experiment）是第一个采用熔融盐作为传热工质的太阳能热 发电实验装置（图 1.2），该实验装置位于美国新墨西哥州的 Albuquerque，是美 国能源部太阳能热发电计划的一部分。MSEE 共有 221 台定日镜，每台定日镜的 面积为 37.2m2，中央塔的高度为 61m。MSEE 采用的换热工质为二元硝酸盐，主 要成分为 60%的 NaNO3 和 40%的 KNO3，熔点介于 221℃到 243℃之间。在设计 工况下，吸热器的质量流量为 12.2kg/s，流经吸热器的熔融盐从 287℃被加热到 566℃。MSEE 的吸热器输出功率为 5MWt，储热容量为 6MWt。MSEE 可以对熔 融盐系统进行完整的测试，该实验装置最初在 1982 年建成，从建成初期到到 1985 年期间进行了多次测试，示范了熔融盐吸热储热技术的可行性[23-26]。

图 1.2 位于 Albuquerque 的 MSEE 实验装置

法国电力公司（EDF），法国国家科学研究中心（CNRS）和法国太阳能机构
（CNESOL）耗资 4500 万欧元在法国南部的 Targassonne 建立了 Themis 塔式热 发电站[27]。该电站 1979 年开始动工，1982 年建成后由法国电力公司运营，并在 1983-1986 年期间提供电力，后来由于资金问题关闭。Themis 电站的输出功率为
2.5MWe，共有 201 面双轴跟踪定日镜，在中央塔的北侧呈扇形分布，单个定日 镜的面积是 53.7m2。
Themis 电站中的吸热器位于 100m 高的中央塔顶部（图 1.3），属于腔体式结 构。传热工质采用三元混合盐，主要成分为 53%的 KNO3，40%的 NaNO2 以及

7%的 NaNO3。该类熔融盐在高温时的腐蚀性较小，熔点为 146℃，正常工作的 温度范围为 150℃-550℃。在设计工况下，吸热器的质量流量为 28.9kg/s，熔融 盐从 250℃被加热到 450℃。高温熔融盐进入蒸汽发生器产生压力为 5MPa 的蒸 汽，蒸汽温度可高达 430℃。图 1.4 所示为吸热器的结构以及管道的布置情况， 熔融盐吸热器的管道通常会以竖直方向排列，在系统停机时，这样的布置可以快 速的将熔融盐依靠重力排出吸热器，而 Themis 电站的吸热器中部的吸热管采取 了水平布置的方式，熔融盐从吸热器中部分两路进入水平布置的吸热管中并行流 动，而在其他部分又成为串联关系。整个 Themis 电站的控制都通过操作软件来 实现，电站工作的状态被定义为 9 个运行模式，每个模式间转换的操作需要严格 地按照软件定义操作执行。

图 1.3 位于法国南部 Targassonne 的 Themis 实验电站

图 1.4 Themis 电站的腔体式吸热器（左）和吸热器内管道的布置（右）

Solar Two 电站由美国能源部及美国企业合作对 Solar One 电站进行改造而建 成，该电站已经成为了美国太阳能热发电历史上的里程碑[28-31]。通过对原有 Solar

One 定日镜场增加 108 个大定日镜（单个定日镜面积为 95m2），Solar Two 共有 1926 面定日镜（图 1.5），总面积达到 82750m2，电站的设计功率为 10MWe。Solar Two 于 1996 年 4 月建成，6 月并网发电，在 1999 年正式停止使用。
Solar Two 电站的吸热器是柱体式熔融盐吸热器，由 Boeing 公司的 Rockwell 部门设计和制造，吸热器的直径为 5.1m，高度为 6.2m，吸热面积为 99.3m2。吸 热器的设计功率为 42MWt，Solar Two 采用二元熔融盐作为传热工质，主要成分 为 60%的 NaNO3 和 40%的 KNO3。为了保证吸热器的使用寿命，在设计工况下， 吸热面的平均热流密度为 430kW/m2，聚集的太阳能将熔融盐从 290℃加热到 565℃。吸热器由 24 块管板围成圆柱形，每块管板由 32 根吸热管组成，这些吸
热管的两端各接入同一个集箱，如图 1.6 左所示。吸热管的材质为 316 不锈钢， 对熔融盐具有良好的耐腐蚀性，管子的外径为 2.1cm，壁厚 1.2mm，管壁最外层 涂有 Pyromark 选择性吸收涂层，增加了管壁对温度变化的耐受度，并且对太阳 辐射的吸收率高达 95%。吸热器内熔融盐的流程如图 1.6 右所示，熔融盐从中央 塔的最北面分两路进入吸热器，一路沿西侧管板流动，一路沿东侧管板流动，为 了让吸热器的出口温度更加均匀，在吸热器的中间部分，两个回路的熔融盐互换 方向继续流动。

图 1.5 美国的 Solar Two 实验电站

图 1.6 Solar Two 吸热器的管板结构（左）和吸热器内熔融盐的流程示意图（右）

Solar Two 成功的示范了大规模熔融盐塔式热发电站为电网供电的可行性和 商业潜力，在 1994 年到 1999 年间的持续运行也证明了熔融盐技术能以低廉的储 热成本为电网提供持续的电能。Solar Two 项目极大的推进了塔式太阳能热发电 站的商业化进程。
在借鉴了 Solar Two 的建设及运行经验后，西班牙、法国、德国和美国等国 家投资建设了 Gemasolar 电站（图 1.7），该电站位于西班牙的 Andalucia，额定 输出功率为 19.9MWe，总投资额超过了 2 亿欧元。Gemasolar 电站是世界上第一 座商业化的熔融盐塔式电站，由 Torresol 能源公司建设和运营，占地 195 公顷， 该电站已经成为 Andalucia 的地标性建筑。Gemasolar 电站从 2009 年 2 月开始动 工，在 2011 年 5 月竣工，并于同年 10 月正式投入运营[32-34]。该电站共有 2650 个定日镜，单个定日镜面积为 120m2，定日镜场总面积为 304750m2。
Gemasolar 采用了与 Solar Two 电站一样的柱体式吸热器，放置于 140m 高的 中央塔顶部，吸热器的输出功率为 120MWt，吸热器允许承受的最大热流密度为 1.2MW/m2。另外，Gemasolar 电站也采用了跟 Solar Two 电站同样成分的二元熔 融盐作为传热和储热介质，其主要成分为 60%的 NaNO3 和 40%的 KNO3。在设 计工况下，吸热器内熔融盐的入口温度为 290℃，出口温度为 565℃。该电站最 大的特点在于其储热规模达到了 647MWt，可以在没有太阳的情况下连续发电 15 小时，因此该电站可以为电网不间断的提供电能，对解决太阳能“看天吃饭” 的困局有极大的帮助。

图 1.7 位于西班牙 Andalucia 的 Gemasolar 电站

Solar two 电站和 Gemasolar 电站在熔融盐塔式热发电技术的发展历史中都有 着至关重要的意义，Solar two 电站验证了大规模熔融盐塔式热发电技术的可行 性，为该技术的商业化做了大量的技术储备，而 Gemasolar 电站从真正意义上实 现了该技术的商业化，让不间断的清洁能源成为了可能，吸引了全球新能源领域 的目光。熔融盐塔式热发电技术也吸引全世界学者进行了大量的科学研究，这些 研究涉及了电站的方方面面。吸热器作为整个电站进行光热转换的重要部件具有 不可替代的重要性，下面介绍与吸热器及吸热器系统相关的基本概念。
1.1.2 熔融盐腔式吸热器及吸热器系统的基本概念
吸热器在塔式电站中起着光热转换的重要作用，通常放置于中央塔的顶部， 根据使用工质的不同，分为水/水蒸汽，空气和熔融盐三大类；根据结构的不同 可以分为外置式和腔体式两种。本文的研究对象是熔融盐腔式吸热器，其结构如 图 1.8 所示。吸热面是由管板（receiver panel）连接组成， 腔口（receiver aperture） 也被称为采光口，定日镜场聚集的太阳能从采光口入射到吸热面上。从定日镜场 入射到吸热器的能量并不能完全被吸热器吸收，如果光斑的尺寸超过了采光口， 那么位于采光口外面的那部分能量被称为溢出损失；经过采光口入射到吸热面上 的能量中，一部分太阳辐射能会从吸热面经过采光口反射到外界环境中，这部分 能量被称为反射损失；腔体内的吸热面跟空气会发生对流，由于对流损失的能量 被称为对流热损失；因为吸热面的温度非常高，所以其与外界的辐射换热不可以 忽略，由于吸热面的热辐射而损失掉的能量被称为辐射热损失；吸热器的管板是 与支撑结构相连接的，所以管板的热量会向支撑结构传导，这种由于热传导引起

的吸热器的热损失被称为导热损失。


吸热面

管板

腔口（采光口）

图 1.8 熔融盐腔式吸热器结构图

吸热器的基本组成单元为管板，管板的中间部分是并排的吸热管束，其作用 是将聚集的太阳辐射能通过导热和对流的形式传递给管内的流体，管板的上下两 端各有一个联箱，主要起到汇集工质或将工质分配到各吸热管中的作用。为了增 加吸收能量的时间，熔融盐在吸热器内呈蛇形蜿蜒流动。吸热器的管板主要有两 种结构[35]，如图 1.9 所示。在第一种结构中（图 1.9 左），熔融盐在一个管板中 有两个流程，下联箱中间设有挡板，熔融盐进入下联箱后分配到管板左半部分的 吸热管束中，沿着管束向上流动，在上联箱中汇集后再沿管板右半部分的吸热管 束向下流动，最终汇集到下联箱中进入下一个管板，每个管板的流程都相同。在 第二种结构中（图 1.9 右），熔融盐在单个管板中只有一个流程，根据位置的不 同，每个管板内熔融盐的流向也不相同，但熔融盐在吸热器内总体仍然呈蛇形流 动。
熔融盐吸热器系统除了吸热器本体外，主要还包括入口缓冲罐（inlet vessel）、 出口缓冲罐(outlet vessel)、供气系统等部件[36]，如图 1.10 所示。入口缓冲罐与供 气系统连接，罐内保持一定的压力，里面存储有一定体积的熔融盐，当吸热器启 动充盐时，由于入口缓冲罐距离吸热器较近，可以快速的充满吸热器。当熔盐泵 失灵或者突然停电的情况下，入口缓冲罐内的压力可以让罐内的熔融盐继续流动 一段时间，在这段时间内，定日镜场可以进行“散焦”操作，这样可以防止吸热 器由于没有流体冷却而被聚集的太阳辐射能损坏。出口缓冲罐与大气相连，其作 用是混合不同区域的熔融盐，使出口温度更加均匀。当下降管故障时，出口缓冲 罐可以为吸热器里的熔融盐提供存储空间。出口缓冲罐位于吸热器系统的最高点， 当吸热器启动充盐时，可以通过监测出口缓冲罐的液位来判断吸热器是否完成充 盐。

图 1.9 吸热器管板的两种结构

图 1.10
吸热器子系统结构图

1.1.3 选题意义

吸热器是太阳能塔式热发电站中的重要设备，起着光热转换的重要作用，吸 热器的热损失、效率都将影响整个电站的运行情况，以熔融盐作为传热工质可以

提高吸热器的许用能流密度，减少成本，而且有利于电站的传热储热一体化，实 现连续稳定的发电，而腔体式的设计可以有效的减少吸热器的各项能量损失，两 者结合在一起可以有效的提高吸热器的热性能，因此，为了掌握该类型吸热器的 传热规律和动态特性，有必要对该类型吸热器的热性能和动态特性进行研究。
熔融盐吸热器系统是熔融盐塔式电站的重要组成之一，性能良好的吸热器系 统可以持续输出温度稳定的熔融盐参与产生过热蒸汽，并在出现问题的时候自动 启动应急措施，该系统的稳定运行对整个电站的安全性有着重要的意义。近年来， 熔融盐塔式热发电技术成为了研究热点，但是关于吸热器系统的研究非常少，为 了更好的了解吸热器系统的动态特性，有必要对该系统的动态性能以及安全性进 行研究。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 熔融盐腔式吸热器研究概述
国内外的众多学者从上世纪 80 年代开始对熔融盐吸热器进行了广泛的研究， 吸热器的热损失直接影响着吸热器的热性能，因此有很多学者进行了这方面的研 究。Sieber 和 Kraabel[37]对常见的外置式和腔式吸热器的对流热损失进行了研究，
并提出了目前应用非常广泛的计算对流热损失的经验关系式。Skocypec 和 Romero[38]提出了一种计算腔式吸热器热损失的理论模型，计算结果显示辐射热 损失与对流热损失的量级相当；McDonald[39]对碟式热发电系统中的腔式吸热器 的热损失进行了研究，并得出了腔口大小与各项热损失之间的关系。Clausing[40,
41]的研究指出，风对腔式吸热器的热损失影响较小，而浮升力才是导致能量从腔
口流失的主要原因。李鑫[42]提出了一种简单易用的稳态模型，可以很方便的计 算腔式吸热器的各项热损失。方嘉宾[43]利用 Monte-Carlo 方法计算了吸热器壁面 的热流以及温度分布，并研究了风向对腔式吸热器热性能的影响。Leibfried 和 Ortjohann[44]研究了不同倾角下腔式吸热器的热损失，并基于 Clausing 和 Stine 的 经验公式提出了新的对流热损失关系式。Taumoefolau 等人[45]利用电能作为能量 输入研究了吸热器的倾角与对流热损失之间的关系。Gonzalez 和 Palafox[46]针对 腔式吸热器的对流和辐射热损失进行了数值计算，结果表明在吸热面与流体的温 差较大的情况下，辐射换热比对流换热所起的作用更加重要。Hogan[47]等人对轴 对称形式的吸热器进行了数值模拟，结果显示入射能量与对流换热系数均对吸热 器的热性能有很大的影响。
中国的很多学者对熔融盐在管内的传热特性做了研究，杨晓平和杨敏林[48, 49]
等人研究了熔融盐在管内的传热特性与吸热器效率之间的关系，结果显示螺旋槽

管的努塞尔数比光滑管道的努塞尔数大 3 倍。吴玉庭[50, 51]等人对熔融盐在管道 内的换热情况做了很多研究，并得出了不同种类的熔融盐在管内换热的实验关联 式。常春[52]研究了高温吸热管在周向非均匀热流边界条件下的性能，得到了吸 热管壁面温度的分布规律。陆建峰和丁静[53-55]等人利用数值模拟研究了熔融盐在 冷充过程中的熔化与凝固现象，发现压降在某个流速下会达到最大值。
吸热器的结构和优化方面，Jesús M. Lata[56]为 Gemasolar 电站设计了一个吸 热器的模型，并进行了制造和测试，初步测试结果显示该吸热器的设计可以满足 要求。Montes[57]基于热力学设计了一种新的熔融盐吸热器结构，优化了吸热器 表面的传热，可以让出口温度更加均匀，同时降低了传热的不可逆性。Oliver[58] 提出了一种新奇的熔融盐吸热器设计方案，并利用 CFD 对该吸热器进行了仿真 研究，结果证实这种设计方案可以有效的减少吸热器的反射能量损失。
以上研究成果主要集中在吸热器的传热机理上面，下面对熔融盐腔式吸热器 的仿真以及测试方面的相关研究进行详细介绍。
1.2.2 熔融盐腔式吸热器系统仿真研究成果介绍
熔融盐腔式吸热器系统仿真的研究非常少。余强[59, 60]在“STAR-90”仿真平 台上，建立了以水为蒸发段工质，以蒸汽为过热段工质的吸热器系统的非稳态数 学模型，该模型能够对管内水工质因吸热而发生相变过程中的参数变化进行动态 仿真。Wagner[61]对熔融盐塔式电站进行了系统仿真，其中吸热器部分的建模对 象只针对柱体式吸热器，没有建立吸热器系统的模型。
Kolb[62]采用集总参数法建立了简单的熔融盐吸热器系统的动态仿真模型， 该仿真研究的对象是美国 Sandia 国家实验室的熔融盐塔式系统 MSEE。MSEE 采用的是腔式吸热器。吸热器子系统的结构如图 1.11 所示，腔式吸热器被分为 东西两个区。吸热器系统除了吸热器本体外还包括进出口缓冲罐，该系统的模型 如下：
（1）腔式吸热器模型 报告中的吸热器模型将吸热器管板沿熔融盐流动方向划分为很多的微元，针
对每个微元，管壁传递给熔融盐的能量为：
Ts,i-Tf,i

R
Qs,f,i =
s,f
+Rcond
(1-1)

其中下标 i 表示微元的序号：
Qs,f,i ：微元 i 中管道壁面与管内熔融盐的换热量；[W]
Ts,i ：微元 i 中管道的壁面温度；[K]
Tf,i：微元 i 中管内熔融盐的温度；[K]
Rs,f：微元 i 中管道内壁面与管内流体的对流换热热阻；[K/W]

�����：微元 i 中管壁的导热热阻；[�/�]
腔式吸热器热损失计算采用了有限元方法，只考虑通过腔口散失到环境中的
热损失。吸热器被划分为 291 个传热单元，如图 1.12 所示。将网格数据和其它 参数输入 CAVITY 代码[63]，当给定入射能量的分布情况后，该代码就会计算不 同单元之间的辐射换热，并预测腔内的温度分布，当温度分