熔盐翅片管换热器设计与动态特性分析+EES程序(2)
通常而言,水、有机流体、烟气和空气占据能源利用、换热领域工质的90%。这些工质的最高使用温度为400℃，虽然气体能在400℃以上的温度时使用,但是气体热传递系数小,不适合使用。但是，熔盐可以在500℃以上的温度使用,具有良好的传热特性 ,并且危险性小，在化工行业也应用广泛。
使用熔盐作为工质，对设备材料的耐热性能以及耐腐蚀性提出更高的要求。高温环境中,在金属及合金的表面有一层熔融盐膜沉积而腐蚀加速，这就是熔盐的热腐蚀[3]。热腐蚀主要发生在各种燃油、燃煤的动力装置。但随着科学技术的发展,热腐蚀问题已不只是发生在上述中装置,各种以熔融盐为介质的换热及储能设备中,都有不同程度的热腐蚀问题。根据美国桑迪亚国家重点实验室对NaNO3 -(40wt%)KNO3 -(7wt%)NaNO2在823K温度下4560h对各种类型的不锈钢腐蚀性的研究，实验报告表明,含Cr钢可以有效抵制硝酸盐/亚硝酸盐的腐蚀[4]。
除了熔盐的高温、腐蚀性外，熔盐的预热、保温也是利用熔盐作为工质的系统必须考虑的问题。通常经过预热系统先将熔盐升高到尽可能高的温度，再开启外部加热器，使外部加热器低负荷运行。而熔盐的保温则通过水稀释循环系统进行，熔盐的凝固点会随着水分的加入而降低，通过控制熔盐中的含水量，可以降低熔盐保温时消耗的能量。
1．2 本文的主要工作
本文的主要工作是利用EES软件完成5kW熔盐翅片管（空气-二元硝酸盐）换热器设计计算，利用AutoCAD和SolidWorks软件完成换热器结构设计，并且建立换热器动态传热模型，编制计算程序，分析在典型条件下换热器动态特性。
2 熔盐翅片管换热器热设计
2．1 热设计参数
本文设计的熔盐翅片管换热器是以二元硝酸盐作为管内热介质，空气作为冷却介质的翅片管换热器，空气和熔盐的流动方式是错流。
换热器的额定热负荷Q是5000 ，熔盐的工作上限温度是550℃，入口温度 为500℃，管内熔盐流速 为0.2 。流经换热器之前空气为标准大气压下温度 为240℃的理性气体，空气流速 为2 。
考虑到熔盐的热稳定性以及共晶特性，选取二元硝酸盐的组分为硝酸钾占混合物重量的40%，硝酸钠占混合物重量的60%，含量为40wt%KNO3、60wt%NaNO3的二元硝酸盐的熔点为238℃[5]。根据研究，对于二元硝酸盐混合物，其摩尔体积具有可加性[6]，由这个性质推导出混合熔盐的密度计算公式为：
式中 、 ——分别为硝酸钠、硝酸钾的摩尔质量， ；
、 ——分别为纯硝酸钠、硝酸钾的密度，单质硝酸盐的密度与温度之间具有良好的线性关系： ， ， ；
x——混合物中硝酸钠的质量分数；
二元硝酸盐的动力粘度 、导热系数 、定压比热 的计算遵循Frankel混合公式[7]：
式中 ——混合物中各组分的摩尔分数；
——纯物质的物性参数；
二元硝酸盐的动力粘度 [ ]，导热系数 [ ]，定压比热 [ ]的计算公式推导如下：
考虑到翅片管内的介质——高温熔盐具有腐蚀性，翅片管基管的材质不仅要求耐高温，而且要求具有耐腐蚀性，参考GB/T 20878-2007（不锈钢和耐热钢牌号及化学成分），翅片管的材料采用不锈钢06Cr8Ni11Nb（统一数字代号S34778）, 06Cr8Ni11Nb是铌稳定化的奥氏体型不锈钢，添加铌提高耐晶间腐蚀性能，焊接性能良好，既可以作耐蚀材料，又可作耐热钢，主要用来制作400℃—900℃腐蚀条件下使用的部件[8]。在设计工况下，这种材料的导热系数 约为20.2 ，密度约为7830 ，比热 约为460 。
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