提高熔盐电加热器温度分布均匀性的策略：运行参数的全面优化

《Renewable Energy》：Strategy for improving temperature distribution uniformity in molten salt electric heaters: comprehensive optimization of operating parameters

熔盐电加热器（MSEH）耦合模型研究，分析不同加热功率与流速下的流动传热特性，提出修正瑞利数混合对流起始准则，推导经验公式优化温度均匀性，并建立BP神经网络预测最大温度，为实时优化提供依据。

　　近年来，熔盐热储能技术在热力系统柔性转换和可再生能源消纳方面得到了广泛应用。熔盐电加热器（MSEH）作为热电解耦系统中的关键组件，其性能直接影响到整个热储能系统的效率和安全性。然而，现有的MSEH在运行过程中容易出现局部过热现象，且在运行条件变化时缺乏有效的操作参数调整方法。为了解决这一问题，本研究构建了一个耦合模型，以优化MSEH的对流换热性能和操作参数。研究结果表明，降低加热功率可以显著缓解过热问题。同时，研究发现，在低流速条件下，浮力效应占据主导地位，导致严重的过热现象，并使熔盐温度达到657.72°C。此外，基于改进的雷诺数建立了一个用于判断MSEH混合对流起始的准则，为系统运行提供了理论依据。研究还推导了MSEH的流体和传热特性经验公式，使得在不依赖复杂测量的情况下，能够预测其性能。最终，研究发现，在相同温度升高的条件下，MSEH在较低的流速和加热功率下表现出更好的温度均匀性，最大温度被降低至573.85°C。同时，开发了一个基于BP神经网络的模型，用于预测MSEH在不同运行条件下的最大温度，为实时运行优化提供了关键依据。

随着工业化进程的加快和化石燃料的大规模使用，温室气体排放量显著增加，引发了全球变暖、海平面上升等环境危机。国际社会已就应对这些问题达成共识。《巴黎协定》旨在将全球平均气温上升幅度控制在2°C以内，并努力将其限制在1.5°C以内。该协定为各国制定减排政策和能源结构转型提供了指导框架。在全球推动碳中和的背景下，可再生能源已成为各国实现能源安全和可持续发展的主要途径，因此其在全球范围内迅速发展。然而，风能和太阳能等可再生能源具有随机性、波动性和间歇性，这些特性与用户需求的动态变化相结合，往往导致能源供需在时间和空间上的不匹配。能源储存技术能够有效平抑可再生能源的波动，并将其与化石能源高效结合，从而为能源供需不匹配问题提供有效的解决方案。熔盐热储存技术因其高能量密度和良好的稳定性，成为大规模、长周期、中高温热储存的首选方案。该技术不仅适用于太阳能热发电，还适用于热力系统的柔性转换和可再生能源的消纳，是未来能源储存系统的关键技术。

目前，将可再生能源或化石能源与熔盐热储存技术结合的新能源系统受到了广泛关注和研究。其中，熔盐电加热器在这些系统中起着至关重要的作用，它通过加热熔盐提高其温度，显著增强热储存能力和质量。同时，它还可以吸收多余的可再生能源电力，有助于平衡能源供需。例如，在太阳能热系统中，MSEH可以并联连接在热罐上，使绿色电力高效提升熔盐温度，补偿热损失。在风-光-热储能-电加热器联产系统中，MSEH可以利用多余的可再生能源电力，有效稳定风能和光伏发电的波动。此外，在与热力发电厂集成的熔盐热储存系统中，MSEH可以在用户负荷较低时将多余的可再生能源电力转化为熔盐热能，从而减少煤炭消耗，增强热力发电单元的灵活调峰能力。总而言之，MSEH在系统热电解耦过程中具有不可替代的作用。

MSEH可分为电阻型、电极型和感应型。其中，电阻型加热器因其结构简单、适用范围广、技术成熟而广泛应用于工业领域。它们通常使用一种特殊的管状加热元件，配备法兰束，并设有挡板以增强换热效果。在工业应用中，多级加热器常被安装，以实现熔盐的分阶段加热。加热管的表面功率范围为1.0至6.0 W/cm2，终端加热功率一般较低。然而，当前的电阻型MSEH仍面临一些挑战，包括较高的流动阻力、较差的换热性能以及加热杆上的温度分布不均。这些问题可能导致熔盐的局部过热和高温分解。对于商用熔盐，如Solar Salt和Hitec，其主要的高温分解反应分别如文献[10]和文献[11]中所示。

熔盐的高温分解会改变其组成和热物理性质，引入氧离子杂质，增加设备壁面的腐蚀风险。因此，确保MSEH能够在不引起局部过热的情况下快速加热熔盐，是实现其系统安全高效运行的关键。目前，关于MSEH流体和传热特性的研究仍较为有限，大多数研究集中在通过数值模拟进行整体布局和结构设计。研究发现，通过优化壳体挡板间隙、电热杆挡板间隙以及挡板数量，可以提高MSEH中熔盐温度分布的均匀性。同时，研究表明，较小的挡板间距和较低的横截面挡板窗口可以显著增加湍流强度，有助于减少热分层现象，防止加热器中的局部过热。此外，热交换器的对流换热特性为电加热器提供了有价值的参考。在熔盐热交换器系统中，熔盐入口温度、流速和热通量密度对系统内的熔盐流动和换热特性有显著影响。一项针对单U型管热交换器的数值模拟研究分析了流体质量流速对系统换热效率的影响。同时，研究还考察了在新型热交换器中，管侧流速在0.169至0.331 kg/s范围内的变化对系统换热特性的影响，发现能量效率随着雷诺数的增加而提高。基于上述文献，大多数现有研究集中在MSEH的结构改进上，而专门针对MSEH流动和换热特性的研究仍较为有限。此外，尽管壳管式热交换器的研究较为丰富，但其基本换热机制涉及流体之间的热交换，与依赖电热杆直接提供热通量的电加热器存在本质区别。因此，对MSEH在不同运行条件下的对流换热特性进行专门研究具有重要意义。

在电加热器中，当熔盐流速较低时，湍流强度较弱，浮力效应变得显著。尽管关于熔盐电加热器中混合对流的研究仍较为有限，但其他热储存设备中的混合对流研究可以提供有价值的参考。对储罐中瞬态混合对流流动的数值分析被开展，并推导了与普朗特数相关的效率关联式，阐明了普朗特数与流体对流混合特性的关系。此外，研究表明，熔盐在方形管中的流动显示，浮力效应的增加会导致摩擦因子、流动熵产率、努塞尔数和能效的提升，同时减少换热熵产率和能损。在单侧、双侧或三侧不均匀加热的情况下，浮力诱导的涡旋会改变核心主流区域的形状，并引入额外的扰动，从而改善换热性能。对于垂直圆形管中的向上熔盐流动，提出了一种结合格拉肖数、雷诺数和普朗特数的浮力判断参数。当该参数超过10??时，浮力效应变得显著。在圆形管中的混合对流中，浮力驱动的自然对流会增强整体换热性能。径向浮力会引发二次流动，改善壁面上半部分的换热，同时减少下半部分的换热。开发了一种改进的自然对流与强制对流之间的关联式，以描述熔盐在层流状态下的换热行为。综上所述，文献强调了混合对流中浮力效应对熔盐在储罐或管中的流动和换热性能的影响。然而，专门针对熔盐电加热器中混合对流现象的研究仍处于空白。因此，研究熔盐电加热器在混合对流条件下的流动和换热特性变得尤为重要。

本研究构建了一个耦合模型，用于分析MSEH在不同运行条件下的流动场和热行为。研究系统地考察了电加热功率对MSEH最大温度和过热比的影响。同时，研究分析了不同入口流速下的流动和换热特性，发现当流速较低时，浮力效应占据主导地位，导致混合对流的出现，严重恶化MSEH的换热性能。值得注意的是，基于改进的雷诺数建立了一个用于预测混合对流起始的准则，该准则作为定量工具，有助于避免MSEH的危险运行状态。此外，研究还分析了熔盐入口流速对MSEH压力降、换热系数以及综合评价指标的影响。随后，推导了用于描述MSEH独特流动和换热特性的经验公式。最后，开发了一个基于BP神经网络的模型，用于预测MSEH在不同运行条件下的最大温度，从而为实时运行优化提供了理论基础。