腔式太陽能吸熱器熱流密度及管道壁溫和熱損失的模擬計(jì)算

1、多相流 編號(hào):086108圖1塔式人陽能發(fā)電系統(tǒng)中的腔式吸熱器中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議論文腔式太陽能吸熱器熱流密度及管道壁溫和 熱損失的模擬計(jì)算 方嘉賓魏進(jìn)家*董訓(xùn)偉王躍社(西安交通大學(xué)動(dòng)力匸程篡相流國(guó)家盲:點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.西安710049)(Tel: 029一82661462 Eaail：xjtu. edu. cn摘要：腔式吸熱器是塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的一個(gè)部件，它的性能住接關(guān)系到蔡個(gè)發(fā)電系 統(tǒng)的效率，丙此對(duì)吸熱器內(nèi)的人陽能能流密度及吸熱器的效率進(jìn)行計(jì)算住吸熱器設(shè)計(jì)中便顯得尤為巫 要.本文提出了一種綜介計(jì)克的方法來解決這個(gè)問題：許先利用蒙特K羅(Monte Carlo)方法來模擬吸 熱

2、器內(nèi)太陽光束的行為，得到吸熱器內(nèi)的太陽能能流密度分布：然麻利用流動(dòng)換熱的相應(yīng)公式計(jì)笄出 吸熱器內(nèi)吸熱管道的星溫：接著再對(duì)吸熱器內(nèi)空氣的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算得到吸熱器管道的熱損失。利用這 種綜合計(jì)算的方法町以佔(zhàn)算出太陽能能流密度以及吸熱器的效率，為設(shè)計(jì)提供一泄的理論指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：腔式吸熱器，蒙特K羅，流動(dòng)換熱0前言隨希環(huán)境保護(hù)意識(shí)以及對(duì)可持續(xù)發(fā)展 戰(zhàn)略晅視程度的提高，潔凈并可長(zhǎng)期利用 新能源12經(jīng)受到全壯界的關(guān)注。太陽能便 是人們廣為關(guān)注的新能源Z。因其資源 豐富，既可免費(fèi)使用，乂無需運(yùn)輸，對(duì)環(huán) 境無任何污染，所以人陽能已經(jīng)被廣泛應(yīng) 用到了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、日常生活等各方面。 太陽能用J：發(fā)電也從匕個(gè)世紀(jì)漸漸

3、地發(fā)展 起來了。冃前國(guó)際上太陽能熱發(fā)電技術(shù)人 概有三個(gè)形式：槽式，塔式和碟式叭 其 中槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化，塔 式和碟式熱發(fā)電技術(shù)仍處丁示范階段。由J：太陽能熱發(fā)電技術(shù)在國(guó)際上是近 些年才發(fā)展起來的.我國(guó)更是在“十一五” 期間才將具作為一個(gè)車點(diǎn)項(xiàng)片進(jìn)行開發(fā)，故這項(xiàng)技術(shù)并未發(fā)展成熟，H國(guó)外在許務(wù)情況 卜將其作為保密技術(shù)血不公開。吸熱器是實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，對(duì)太陽能吸熱器的基金項(xiàng)目：國(guó)家863匝點(diǎn)項(xiàng)忖課題資助(2006AA050105) 性能進(jìn)行研究，對(duì)發(fā)展我國(guó)人陽能熱發(fā)電技術(shù)有著巫耍的意義。本文針對(duì)塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)中吸熱器的性能進(jìn)彳模擬研究。圖1顯示的是一個(gè)腔 式吸熱器的外形。腔

4、體的開【1人小為4mX4m,太陽光通過泄口鏡反射聚光后，通過腔 體開口入射到腔體壁而布置的換熱管道上，加熱管道內(nèi)的水工質(zhì)，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽以 推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電吸熱器的效率的估算是研究的一個(gè)車耍內(nèi)容，它血臨三個(gè)關(guān)鍵問題需耍 解決。根據(jù)日照強(qiáng)度和吸熱器的位置，如何得到吸娛器內(nèi)的能流慚度分布，這足本文研 究的第一個(gè)問題：由J：吸熱器內(nèi)熱流滋度相刈較涼 燉都/!-： 100kW/m2這個(gè)ht級(jí)，而 且吸熱管道內(nèi)的丁質(zhì)水在流經(jīng)吸熱器時(shí)耍發(fā)生沸騰，即發(fā)生從單相到兩相的變化，所以 這期間必然有明顯的過冷沸騰現(xiàn)象，而如何判斷流動(dòng)狀態(tài)，選取介適的公式來計(jì)算流動(dòng) 換熱，最肩得到壁溫，就成為第：個(gè)問題：同時(shí)11T吸熱

5、管道溫度較高，必然向空氣中 傳遞熱最而造成一定的熱損火，從而使吸熱管道得到的熱流密度小J：該處的太陽能能流 密度，故如何確定管道的熱損失，確定吸熱管道的熱流密度便成本文研究的第三個(gè)問題。 本丈將針対這個(gè)問題 提出相應(yīng)的解決丿川人（WiliA陽能能流密度以及吸熱器的 效率，為設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)。1吸熱器內(nèi)太陽能能流密度模擬計(jì)算本文選取蒙特卡羅法來模擬吸熱器內(nèi)的太陽能能流密度分布。蒙特卡羅方法口也稱 為施機(jī)模擬（Random Simulation）方法，一種典型依據(jù)物理過程統(tǒng)訃特性或者模仿物理 過川炎似模型的數(shù)7技術(shù)。它的加本思想是：為了求解數(shù)學(xué)、物理、工程技術(shù)以及生產(chǎn) 管理等方而的問題，首先

6、建立一個(gè)概率模熨或隨機(jī)過程，使它的參數(shù)等丁問題的解；然 厲通過對(duì)?？栈蜻^程的觀察或抽樣試驗(yàn)來計(jì)算所求參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征，最厲給出所求解的 近似值，而解的耕確度町用估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)誤幷來表示。用J：太陽能熱輻射傳遞中蒙特卡 羅模擬計(jì)算的星本思想是：將熱輻射的傳輸過程分解為發(fā)射、反射、吸收、散射等一系 列獨(dú)立的子過程，并建立每個(gè)子過程的概率，令每個(gè)單元（面尤和體元）發(fā)射定屆的 光束（能束）,跟蹤、統(tǒng)計(jì)每束光束的歸宿,即判斷是否被介質(zhì)和界面吸收、或從系統(tǒng)中 逸出，從而得到該單元的輻射能量分配的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。本文住計(jì)毎中采用的足光束不攜帶能錄的方法，概率模擬和溫度場(chǎng)的迭代求解計(jì)舜 是分離的。這種方法可獲得很大的模

7、擬吊:，H.計(jì)算將度較高。首先利用概率離擬來求輻 射傳遞因了RD叮 然后將輻射傳遞因子代入能駁方程中求解溫度以及與溫度仃關(guān)的變 量.定義輻射傳遞因子RD昇 在輻射傳遞系統(tǒng)中，單元i （體元Y或而元S,）輻射出去 的能最，經(jīng)過一次投射以及系統(tǒng)中其他單元的一次或多次反射和散射后被單尤j （體尤 V）或面元 ）吸收的份額。對(duì)J：-個(gè)由M,個(gè)面積單元和Mg個(gè)體積單元組成的封閉系統(tǒng)，應(yīng)用輻射傳遞因子RDy表示體兀丫或面元S的能屋方程為:4綱叫4 = E+ 工 宀噸冃4k=1(1)MMf丿慮叭 =工 4&Vj0Tj4RD” + X 心九10j=14k=l蒙特卡羅方法在腔內(nèi)輻射傳熱中的應(yīng)用:(1) 劃分吸熱

8、器內(nèi)輻射單元。岡吸熱器內(nèi)不包含參與性介質(zhì)，將只其分為數(shù)個(gè)面尤，并用相應(yīng)的方程來衣爪。比 如，圖1所示的吸熱器可將具劃分為8個(gè)平面單元，平而方程均可表示成如下形式：a7x+asy+a9z+alo = O(2)(2) 建立概率模型。本文采用裴波納契法與乘同余法組介產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，通過這種方法產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)周期 長(zhǎng)隨機(jī)性好。有了隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生方法Z后，便可以対平面上光束發(fā)射點(diǎn)的概率以及發(fā) 射和漫反射方向的概率進(jìn)行模擬。其中光束發(fā)射點(diǎn)的概率為：環(huán)=忌+ &仏_2yp = ynun + Ry(yxxx-yOTn)Zp = f(Xp,yP)式中max和nw分別為自變鼠取值的最大值和最小値。對(duì)不是落在平面I：的點(diǎn)應(yīng)

9、另做 處理。而光朿發(fā)射和漫反射方向的概率為:0 = aiccos(Jl_&)0= 2才齊通過(3)式和G9式可以得到光束的運(yùn)動(dòng)方程，并能判斷光束是落在墻面上還是逸出腔 體.(a)側(cè)曲1(b)iEifti(c)側(cè)血2圖？吸熱器內(nèi)唯太陽光能流密度分布蒙特卡羅方法具體的計(jì)算詳見文獻(xiàn)。以圖1所示的吸熱器為例,計(jì)算發(fā)現(xiàn)，吸熱 器后墻三個(gè)面上的人陽能能流密度遠(yuǎn)大丁貞他壁而上的。在一定的口照條件和鏡場(chǎng)分布 下，計(jì)算出的吸熱器后墻三個(gè)面上的太陽能能流密度如圖2所示。2流動(dòng)換熱正如曲言中第二個(gè)問題所述，吸熱器內(nèi)吸熱管道中的工質(zhì)水在經(jīng)過吸熱器時(shí)發(fā)生了 相變，這使得流動(dòng)相對(duì)變得復(fù)雜，卜面是本文在各種流動(dòng)狀態(tài)卜選取的

10、判別公式和換熱 關(guān)系式。在流動(dòng)傳熱的研究中，通常將傳熱系數(shù)h表達(dá)成壁溫(Tw)和主流溫度(Tf)ZlHj溫左aT的函數(shù)；咕=q/g-Tf )=rq/(ATsat+ATsub)當(dāng)TfVQt/丁曲Tf=Tsat(1)在單相流動(dòng)區(qū)域，即流體在壁面還沒有形成氣泡的區(qū)域TP =o = l/(Tw_Tf )計(jì)算全液相卜，流體和壁面之間的對(duì)流換熱系數(shù)町以采用Petukhov-Popov(1963)EI 和 Gnieliski(1976)51 關(guān)聯(lián)式：對(duì) J O 5Pr2000#J1104 Relo 5xlO6Nu10 = h10k1/D = Re10Pr1(f/2)/l.07+ 1 2.7(Pr2/3-1)

11、( f /2) 5對(duì)0 5Pr2000# H.2300Relo lg* Ahg sub2bTsat%hi(10)bxnE152H2(PartialSinglephaseBoilngExtern m ofFDBFully developed BoilingqONB =如lg / &刃g(shù)Sg sdtQNB】(9)(9)* Wall T empei atva e, T w國(guó)3熱流密度q和償了堅(jiān)溫T*的關(guān)系曲線圖(3) 充分發(fā)展沸騰(Fully Developed Boiling, FDB)區(qū)城在此區(qū)域采用Kandlikar(1998)岡關(guān)聯(lián)式，因?yàn)镵andlikar通過和人磺的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行 對(duì)比，發(fā)

12、現(xiàn)Kandhkar(1998)關(guān)聯(lián)式比其他關(guān)聯(lián)式何更小的謀差以及更一致斜率。此關(guān)聯(lián) 式為：(11)q = ri058(Gilgf-7l)loATsatr3(4) 充分發(fā)展沸騰(FDB)區(qū)域的確定圖3足在過冷度x保持不變的情況卞熱流密度q和竹了壁溫兒的關(guān)系曲線。A-C是 單相區(qū)，JtlC點(diǎn)為核態(tài)沸騰的起始點(diǎn)。CE是部分發(fā)展沸騰(PartialDeveloped Boihng. PB)區(qū)域，充分發(fā)展沸騰(FDB)從E點(diǎn)開始。對(duì)E點(diǎn)位置的確定，Bownng(1962)叨建 工的模型是被廣泛接受的，所以我們采用這個(gè)模劇。如圖3所示，將式(6)得到的曲線 A-C和由式)得到的曲線延伸并交與D點(diǎn)。則D點(diǎn)處

13、的熱流密度險(xiǎn)可由以I屈個(gè)方程 組聯(lián)立可得：(12)10580(Gi嚴(yán)了力-力 3 -10581。(01覽)一嘔=0由于方程(12)直接求解比較困難，所以需要用迭代法求出 CBD)o 這個(gè)兩個(gè)區(qū)域相應(yīng)的關(guān)系式為： 核態(tài)沸騰占主婆成分的區(qū)域(NBD)：(19)的）嚴(yán)）0.3側(cè)而2hrp/hoJhbd = 0 6683(a /“jy “Q-x嚴(yán)5(pq)+ 1058 0Bo 7(l-x)0 8對(duì)流沸騰占主要成分的區(qū)域(CBD)：% /hoJcBD =1.136O(A/p6)o *5xo n(1_x)oo8t(Fii)+ 667 2Bo 7(l-x)0 8(20)式(15)和(中可以通過下式得到水平管

14、HFij 0 04或者豎fl管通過上述的關(guān)聯(lián)式，只耍知道入II條件以及管道的熱流 密度便可以求出管道乞處的換熱系數(shù)和壁溫。在圖】所示的 空腔內(nèi)后墻三個(gè)面布置如圖4所示的管道，其中正面上的沸 腐管道為每排20跟，每根管道的尺寸為50x4：側(cè)而上的 管道為毎排20根.毎根管道的尺寸為640x4.管道走向如 圖4中淺顏色的管道所示，入口處管道壓力p = 7.0MPa, 工質(zhì)水入口溫度T = 277-C，若假定三個(gè)曜面的管道熱損欠 都為10%,則可計(jì)算出管道上各處的溫度如圖5所示。但是，正如前言中第三個(gè)問題所述，管道的熱流密度圖4吸熱器內(nèi)吐卜符道布用示總圖是未知的，耍得到管道的熱流密度需耍用的迭代法，

15、 即假設(shè)一個(gè)管道熱流密度.求出管道唯溫再通過吸 熱器內(nèi)的流場(chǎng)計(jì)算得到管道熱損失進(jìn)而得到新的管道熱流密度。這將在卜文進(jìn)行闡述。6Width (m) Width (m)Width (m)505050505050505055373736363535343433333232313130302928(a)側(cè)面1(c)側(cè)向2溫度場(chǎng)如圖7所示。22嘆訓(xùn)1wei1 He利1W1 w1 Ofoet8 0 wo7 scoeoEeo5M*C02s*e*eoZWR-C12 42WMO圖6吸熱器水f ulfil的速度場(chǎng)1 i02116-02圖7吸熱器水半剖血的濫度場(chǎng)圖5吸熱器內(nèi)堅(jiān)錚逍溫度分血3流場(chǎng)計(jì)算管道的熱損失是通過

16、對(duì)吸熱器空腔進(jìn)彳j流場(chǎng)計(jì)算求得的。宙在A陽能熱發(fā)電系統(tǒng) 中吸熱器大概國(guó)J： 100m的高空中.周闈的氣流處湍流流動(dòng)狀態(tài)，本文根據(jù)這個(gè)條件 選収k-g方程山模型，采用SIMPLE算法來計(jì)算沆場(chǎng)和溫度。如圖1所示的吸熱器， 在風(fēng)速為16m/s的情況卜(lQn標(biāo)需的風(fēng)速為9m/s).腔體內(nèi)外的速度場(chǎng)如圖6所示,而6恢KQ572eD EmCD 5.42e*CC 5刀曲 12血 497eKQ45UKQ 心皿 4 2UKQ dECQ 3.9kC 3ECC J6WKC 3.4&eKQ mg 3.15tXC 30DeD由管道布置比較緊密.同時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算本文對(duì)邊界條件進(jìn)彳一些處理，即把 吸熱器內(nèi)后墻三個(gè)壁面上

17、的管道分別看成是三個(gè)壁id并把管道的均溫度當(dāng)成是壁面 的溫度.以此作為邊界條件代入計(jì)算.可算出三個(gè)壁而向外傳遞的熱鼠.即壁而的熱損失。再把唯而的熱損欠占該壁而上人陽能總熱彊的比例近似地看做是管道的熱損欠率。4計(jì)算管道熱流密度以及熱損失的步驟這里，本文主耍說明如何將吸熱管道內(nèi)的流動(dòng)換 熱和吸熱器空腔內(nèi)的流場(chǎng)計(jì)算進(jìn)行耦合,從而得到真 正的管道熱流密度和管道熱損失。計(jì)算步驟如圖7所 示：(1) 給定1?道壓力p、工質(zhì)水入口溫度T、管子規(guī)格、太陽能能流密度q,的分布情況：(2) 假定一個(gè)熱損失率K0,便可算出管道的熱流密度q；(3) 利用流動(dòng)換熱相應(yīng)關(guān)系式，求山管逍各處的外醴 溫，如圖5所示：(4)

18、將管道的平均溫度肖作壁而溫度，選取k-G方程 模吃來模擬吸熱器空腔的流場(chǎng)，算出壁面的熱損 失。進(jìn)而算得壁面的熱損失比例，并把它當(dāng)成是 管子新的熱損失率K；(5) 判斷管道新的熱損失率與Z前的熱損失率Z間 的偏雄是否滿足耍求，若不滿足，則將新的熱損失率K代入，重復(fù)第(?)第(4)步的計(jì)算，玄到熱損失將K代入圖7計(jì)算管子熱損失的流程圖率滿足要求為止。通過以上步驟的計(jì)算之后,最終可得圖4所示的管道的熱損失率為:正啲為2.3%, 側(cè)面1為5 6%.側(cè)而2為5 6%。由此可得并個(gè)壁而上管道真正的熱流密度以及管道的 壁溫分布。5結(jié)論本文針對(duì)腔式A陽能吸熱器口前還沒有個(gè)良好的方法來估算其性能捉出-種綜 合利

19、用蒙特卡羅法、流動(dòng)換熱以及流場(chǎng)計(jì)算的方法，即利用蒙特卡羅法來計(jì)算吸熱器內(nèi) 的人陽能能流密度.為吸熱器的形狀選擇提供一定的理論指導(dǎo)：接看通過對(duì)吸熱管道的 流動(dòng)換熱和吸熱器的流場(chǎng)計(jì)算進(jìn)行耦合，經(jīng)過迭代并貞 倒管道的熱流密度和管道的 熱損失。利用此方法可以估算出吸熱器內(nèi)的人陽能能流密度分布以及管道的壁溫和熱損 失.從而可以從理論上分析吸熱器的性能和效率.給吸熱器的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。參考文獻(xiàn)1 王志崢，滋春，童春暉國(guó)際太陽能熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展悄況。2004 112 談和平.紅外輻射特性與傳輸?shù)臄?shù)值計(jì)算，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，20063 Modest MF Radiative Heat Transfer M

20、cGraw-Hill, Inc. J993 669-7004 Petukhov B S , Popov VN Theoretical Calailation of Heat Exchan序 in Turbulent Flow in Tubes ofanIncompressible Fhud with Venable Physical Properties H 妙 Temp,1963,1(1):69-835 Gmdinski V New Equations for Heat and Mass Transfer in Turbulent Pipe and Channel FlowInternati

21、onal Cham cal Engneer, 1976,16 359 3686 Hsu YY On the Size Range of Active Nudeation Cavities on a Heating Surface. Journal of Heat Transfer,1962,84:2072167 Sato T and Matsumura H On the Condition of Inapient Sub cooled Boiling With Forced Convection BuUetin ofJSME. 1964.7(26):392-3988 Kandlikar S G

22、 Heat Transfer Charactenstics in Partial Boiling Fully Developed Boiling and Sigiificant bid Flow Redons of Sub cooled Flow B oiling Journal ofHsat Transfer, 1998.120:395-4019 B ownng WR Physical Model of Bubble Detachment and bid blume in Sub cooled Boiling OECD Halden Reactor Project Report No HPR-10,196210 Kandlikar S G Development of a Flow Boiling Map for Subcooled and Saturated Flow