太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵部件吸熱器質(zhì)量分析

太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵部件吸熱器質(zhì)量分析

太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)已成為長壽空間系統(tǒng)、低軌和高功率能源系統(tǒng)的主要選擇對(duì)象。圖1顯示了采用bryaton循環(huán)的室內(nèi)太陽能熱力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理。利用拋物聚集器提取能量，并將其收集到吸熱器的圓柱形腔中，被吸收和轉(zhuǎn)化為能耗。其中一些熱量通過工藝改進(jìn)，另一些熱量通過多個(gè)小容器中的融化和儲(chǔ)存產(chǎn)生。吸熱后的循環(huán)工質(zhì)在渦輪內(nèi)膨脹做功,推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。膨脹做功后的循環(huán)工質(zhì)經(jīng)過回?zé)崞髋c由壓縮機(jī)出來的高壓工質(zhì)進(jìn)行換熱,再經(jīng)過工質(zhì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)一步排熱降溫,進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮,經(jīng)過回?zé)崞黝A(yù)熱,再次進(jìn)入吸熱/蓄熱器,完成一個(gè)循環(huán)過程。工質(zhì)冷卻系統(tǒng)由工質(zhì)冷卻器、泵和輻射器組成,廢熱主要通過輻射器釋放到宇宙空間。在軌道陰影期,PCM在相變點(diǎn)附近凝固釋熱,充當(dāng)熱機(jī)熱源來加熱循環(huán)工質(zhì),使得空間站處于陰影期時(shí)仍能連續(xù)工作發(fā)電。航天器的發(fā)射和維護(hù)費(fèi)用及其昂貴,因此如何在滿足總體要求的前提下,盡可能減少航天器的質(zhì)量,是具有重大意義的研究課題。文獻(xiàn)進(jìn)行了太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的輕量化研究,但所建立的模型過分理想化,所得結(jié)果與實(shí)際相差較遠(yuǎn),文獻(xiàn)對(duì)以系統(tǒng)總重量和總當(dāng)量阻力面積最小為目標(biāo)的熱力參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。本文以系統(tǒng)分析的方法,研究太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)中熱力學(xué)過程,分析影響吸熱器質(zhì)量的諸多因素,當(dāng)輸出功率一定時(shí),尋找減少吸熱器質(zhì)量的技術(shù)途徑。1能熱動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的能量公式1.1計(jì)算每個(gè)組件的能量平衡的公式為(1)機(jī)械效率gc式中:Na為發(fā)電機(jī)的凈輸出功率;ηa,ηpl和ηM分別為電機(jī)效率、自耗效率和機(jī)械效率;G為工質(zhì)的質(zhì)量流量;Cp為工質(zhì)的定壓比熱;g為軸承及發(fā)電機(jī)的冷卻用氣率;T1,T2,T3,T4分別為節(jié)點(diǎn)1,2,3,4的溫度。(2)吸熱器向工作場所注入熱量(3)吸熱器的散熱量(4)回?zé)崞骰責(zé)?5)輸入吸熱器的能量(6)輸入聚能器的太陽能式中:T5和T6分別為節(jié)點(diǎn)5,6的溫度;ηcon,ηRC分別為聚能器和吸熱/蓄熱器的效率;tsh,tsn分別為陰影期和日照期。1.2回?zé)岜鹊倪x取式中:πt,πc分別為渦輪的膨脹比和壓縮機(jī)的增壓比;K為絕熱指數(shù);ηc,ηt分別為壓縮機(jī)和渦輪的效率;ε為回?zé)崞鞯幕責(zé)岜取嚎s機(jī)和渦輪的效率是由壓縮機(jī)和渦輪的入口壓力P、溫度T、轉(zhuǎn)速n和流量決定的,為此引入了一個(gè)通用相似準(zhǔn)則比速。比速的定義如下:式中,對(duì)于壓縮機(jī):對(duì)于渦輪:壓縮機(jī)和渦輪效率的近似公式:2吸熱器質(zhì)量及其接口系數(shù)的確定圖2為NASA2kW樣機(jī)吸熱/蓄熱器結(jié)構(gòu)示意圖,23根蓄熱換熱管平行均勻分布在吸熱腔內(nèi)壁,換熱管的兩端通過入口、出口環(huán)形導(dǎo)管連接到入口、出口總管。每根換熱管由24個(gè)蓄熱容器單元焊接套裝在工質(zhì)導(dǎo)管外。蓄熱單元為一個(gè)個(gè)分離的環(huán)形容器,內(nèi)部充裝相變材料(PCM),容器單元之間采用絕熱墊片隔離。吸熱器總質(zhì)量等于相變材料質(zhì)量Mpcm、工質(zhì)管質(zhì)量Mtube、蓄熱容器質(zhì)量Mcanisters和其他部件Mother之和,其中其它部件的質(zhì)量認(rèn)為不受變量的影響,可按經(jīng)驗(yàn)取一定值。吸熱器質(zhì)量及其各部分質(zhì)量關(guān)系式如下:由傳熱方程可得吸熱器管徑與管長間關(guān)系:由于He-Xe混合氣的Pr數(shù)較低,管壁之間的強(qiáng)迫對(duì)流換熱系數(shù)采用文獻(xiàn)推薦的公式,形式如下:式中:γpcm為相變材料的潛熱量;Tw為傳熱管壁溫度;α為吸熱/蓄熱器中傳熱管內(nèi)的對(duì)流換熱系數(shù);NRC為吸熱/蓄熱器中傳熱管的數(shù)目;dRC,LRC分別為吸熱/蓄熱器中傳熱管的直徑和長度;N為吸熱器中換熱管數(shù)量;n為換熱管中蓄熱容器的質(zhì)量;ρcanisters為蓄熱容器的密度;V為其體積,是結(jié)構(gòu)尺寸的函數(shù),其具體結(jié)構(gòu)尺寸見圖3,它包括了容器的外徑r0、長度L、壁厚δwo等參數(shù);Nu為努謝爾特?cái)?shù);Re為雷諾數(shù);Pr為普朗特?cái)?shù)。為了保證工質(zhì)的流速需要,換熱管采用了中央封堵的結(jié)構(gòu),工質(zhì)在環(huán)形工質(zhì)通道中流動(dòng),環(huán)形通道間加入了內(nèi)翅片以強(qiáng)化傳熱,帶內(nèi)翅的環(huán)形通道減小了工質(zhì)流道的水力直徑,增加了傳熱面積,增大了對(duì)流換熱系數(shù)。流經(jīng)換熱管的循環(huán)工質(zhì)的壓力損失可由下式計(jì)算:對(duì)于由進(jìn)口環(huán)形總管到各換熱管分流產(chǎn)生的壓降以及由各換熱管到出口環(huán)形總管匯流造成的壓降,可由文獻(xiàn)中的公式計(jì)算。式中,ξ1和ξ2分別為分流或匯流的阻力系數(shù)。假設(shè)各換熱管的工質(zhì)流進(jìn)和流出環(huán)形總管的速度相同均為VRC,阻力系數(shù)ξ1,ξ2根據(jù)文獻(xiàn)分別取為1和4。由此吸熱器中總的壓降為:3發(fā)電機(jī)循環(huán)工況參考國內(nèi)外相關(guān)資料,吸熱器殼體、容器、工質(zhì)導(dǎo)管等主要結(jié)構(gòu)材料采用鈷基合金Haynes188,Haynes188有很好的高溫性能,特別是與相變材料有很好的相容性。相變蓄熱材料采用共晶混合物80.5LiF-19.5CaF2(摩爾比),其熔點(diǎn)為1040K,相變潛熱為790kJ/kg。循環(huán)工質(zhì)采用37.3He-62.7Xe(摩爾比)混合氣體,摩爾重量83.8。參考NASA25kW發(fā)電系統(tǒng)和2kWSDGTD的系統(tǒng)參數(shù)和文獻(xiàn)選定循環(huán)基本參數(shù)如下:壓氣機(jī)進(jìn)口溫度T1為270K;壓氣機(jī)進(jìn)口壓力P1為0.27MPa;壓氣機(jī)效率取0.82;壓氣機(jī)的壓縮比取2.03;機(jī)械效率ηM取0.98;電機(jī)效率ηa為0.92;自耗效率ηpl為0.93;回?zé)岫葹?.90;軸承及發(fā)電機(jī)的冷卻用氣率g為0.025;陰影期τsh為27min;日照期τsn為66min;聚能器效率ηcon為0.85;吸熱器效率ηRC為0.86。4kw太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)對(duì)吸熱器質(zhì)量的影響根據(jù)上述的太陽能熱動(dòng)力系統(tǒng)的的能量方程和吸熱器質(zhì)量方程的數(shù)學(xué)模型,本文編寫了該系統(tǒng)的性能模擬和質(zhì)量計(jì)算的數(shù)值模擬程序。該程序可以模擬不同參數(shù)下太陽能熱動(dòng)力系統(tǒng)和吸熱器的工作性能,進(jìn)行吸熱器質(zhì)量的輕量化分析。對(duì)不同功率的發(fā)電系統(tǒng),所選擇組件的效率和其他特性參數(shù)有所不同,不能盲目套用。通過對(duì)吸熱器系統(tǒng)及其物理、數(shù)學(xué)模型的分析,影響該系統(tǒng)的獨(dú)立結(jié)構(gòu)參數(shù)有吸熱器中工質(zhì)傳熱管的直徑和數(shù)目、物性參數(shù)有工質(zhì)流量、壓縮機(jī)入口溫度以及回?zé)崞骰責(zé)嵝实葏?shù),這些參數(shù)的范圍均滿足系統(tǒng)的要求,不考慮對(duì)吸熱器質(zhì)量影響不大的其它參數(shù)的影響,下面以2kW太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)中吸熱器為基礎(chǔ),計(jì)算分析這些參數(shù)對(duì)吸熱器質(zhì)量的影響。由文獻(xiàn)可知,吸熱器的長徑比的大小對(duì)改變PCM總的熔化率的大小作用不大,并且本文所討論的吸熱器的長徑比均在1.56～1.6范圍內(nèi),熱力性能指標(biāo)和阻力降能夠滿足吸熱器的要求。4.1傳熱工藝改變圖4為吸熱器質(zhì)量隨管徑變化的關(guān)系,由圖可以看出,隨著工質(zhì)傳熱管直徑的增加,吸熱器的質(zhì)量先降低到某一最小值而后隨著傳熱工質(zhì)管直徑的增加而逐漸增大,換熱管直徑增大后,為了保持流體的質(zhì)量流量,需要提高壓縮機(jī)的動(dòng)力,這樣會(huì)引起其他部件質(zhì)量的增加,進(jìn)而影響到整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)效率。從圖4可以看出,吸熱器質(zhì)量最低時(shí)相應(yīng)的傳熱管直徑為20mm,此時(shí)吸熱器的質(zhì)量為195kg,和NASA2kW樣機(jī)吸熱器相比,質(zhì)量可以降低3.2%。4.2管流速度的影響吸熱器的質(zhì)量與工質(zhì)傳熱管數(shù)目的關(guān)系見圖5。在滿足傳熱條件的前提下,傳熱管數(shù)目越少,會(huì)使通過每個(gè)傳熱管的流速增加,從而增大了工質(zhì)的流動(dòng)阻力,會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的效率降低。從圖中可以看出,吸熱器的質(zhì)量隨傳熱管數(shù)目的增加而增加,但增加不很明顯,當(dāng)傳熱管數(shù)目為23根時(shí),吸熱器的質(zhì)量約為200kg,與NASA2kW太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)中吸熱器的質(zhì)量相當(dāng)。4.3容器長度對(duì)吸熱器質(zhì)量的影響圖6是蓄熱容器長度與吸熱器質(zhì)量間的關(guān)系,由圖可見在滿足其它條件時(shí),容器的長度越短,需要的容器的數(shù)量就越多,則容器的質(zhì)量就會(huì)增大,隨著容器長度的增加,所需容器的數(shù)量減少,因而吸熱器的質(zhì)量會(huì)隨之下降。當(dāng)采用的長度不超過25.4時(shí),吸熱器的質(zhì)量不會(huì)超過200kg。4.4吸熱器質(zhì)量不高能量轉(zhuǎn)換單元的轉(zhuǎn)速對(duì)吸熱器質(zhì)量的影響如圖7所示。從圖中可以看出,隨著轉(zhuǎn)速的增加,吸熱器質(zhì)量逐漸降低。到轉(zhuǎn)速大于900r/s時(shí),吸熱器質(zhì)量有較明顯的下降?？紤]到渦輪和壓氣機(jī)的強(qiáng)度,系統(tǒng)的最佳轉(zhuǎn)速取為1100r/s,此時(shí)吸熱器的質(zhì)量約為198kg。與NASA2kW吸熱器質(zhì)量相比略有下降。4.5回?zé)崞骰責(zé)崃繉?duì)吸熱器質(zhì)量的影響圖8表示了回?zé)崞骰責(zé)岫扰c吸熱器質(zhì)量的變化曲線,回?zé)岫鹊奶岣?增加了循環(huán)的熱效率,從而降低了吸熱器的質(zhì)量,從圖中可以看出,隨著回?zé)崞骰責(zé)岫鹊脑黾?吸熱器的質(zhì)量逐漸減少,考慮到回?zé)岫葘?duì)其他參數(shù)的影響,要保持吸熱器的正常工作,回?zé)岫炔粦?yīng)大于0.92。4.6入口溫度不超過200k圖9為壓縮機(jī)入口溫度與吸熱器質(zhì)量間的關(guān)系,從圖中可以看出:隨著壓縮機(jī)入口溫度的增加,吸熱器的質(zhì)量逐漸增加,但變化幅度不大。只要入口溫度不大于280K,就能保證吸熱器的質(zhì)量不會(huì)超過200kg。由以上分析可知,有較多的因素影響吸熱器的質(zhì)量,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須綜合考慮這些參數(shù)的相互關(guān)系,結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)優(yōu)先保證,其次才考慮操作參數(shù)。5主要影響參數(shù)