DSG太陽能槽式集熱器的熱性能研究

陳媛媛， 朱天宇， 劉德有， 葛 劍

（1.河海大學 機電工程學院，常州 213022；2.河海大學 水利水電學院，南京 210098；3.東南大學 能源與環境學院，南京 210096）

符號說明：

V——風速，m／s

k——導熱系數，W／（m·K）

Re——雷諾數

Pr——普朗特數

ρl——液體密度，kg／m3

E——兩相對流強化因子

S——核態沸騰抑制因子

Xtt——Martinelli參數

x——干度

μl——液相的動力黏度，Pa·s

Fr——弗勞德數

Bo——沸騰數

p——工作壓力，MPa

pr——相對壓力

pcr——水的臨界壓力，MPa

Din——金屬吸收管內徑，mm

G——流體的質量流速，kg／（m2·s）

T——溫度，K

Ta——環境溫度，K

Tsky——天空溫度，K

εab——吸收管的發射率

Tf——與吸收管內壁接觸的流體溫度，K

Tab——吸收管壁上某點的溫度，K

q——吸收管壁上某點的熱流密度，W／m2

rext——金屬吸收管外半徑，mm

rin——金屬吸收管內半徑，mm

qL——吸收管壁上某點的熱損失，W／m2

hB——核態沸騰傳熱系數，W／（m2·K）

hc——對流沸騰傳熱系數，W／（m2·K）

hf——流體的對流傳熱系數，W／（m2·K）

Qrad，4－s——玻璃管外壁與天空輻射傳熱量，W

Qconv，4－a——玻璃管外壁與空氣對流傳熱量，W

Qrad，2－3——吸收管外壁與玻璃管內壁輻射傳熱量，W

QL——總熱損，W

Qb——通過波紋管和支承物向外散失的熱量，W

Qcond，2－3——吸收管外壁與玻璃管內壁導熱量，W

傳統的太陽能槽式發電技術以導熱油為工質，盡管已大規模投入商業運行，但由于導熱油的工作溫度范圍較小以及運行回路配置復雜等原因，技術改進和成本降低均受到了一定的限制.近年來，一種新型槽式太陽能發電技術［1］——槽式太陽能直接產生蒸汽（DSG）系統，因具有多方面的優勢［2］，越來越受到科研工作者的關注.Almanza等［3］建立了DSG集熱器理論模型，得出周向溫度梯度的變化對DSG集熱器金屬吸收管性能的影響.崔映紅等［4］根據傳熱熱阻原理分析了DSG集熱器熱損失計算方法.筆者在對DSG集熱管中不同相區流體的對流傳熱能力進行分析的基礎上建立了穩態傳熱模型，采用數值計算的方法分別對各相區的金屬吸收管周向溫度分布特點進行研究并建立了熱損模型，得到了不同相區的熱損受可控因素流體溫度、質量流量以及工作壓力影響的規律，為DSG系統的設計和控制提供理論依據.

1 傳熱模型

1.1 熱平衡方程

為研究不同相區吸收管溫度沿周向的分布，分別選取各相區垂直于吸收管軸向的截面作為研究對象，建立了二維穩態傳熱模型，其熱平衡方程為：

對式（1）可以采用文獻［5］中的有限差分法進行離散，但對邊界條件的處理方法與文獻［5］不同.

圖1為吸收管的具體網格劃分.圖1中的網格劃分邊界條件為：

有關qL的計算方法較多，筆者采用基于管壁溫度的擬合公式對其進行計算［6］.

圖1 吸收管的網格劃分Fig.1 Meshing of the absorber tube

將DSG集熱器吸收管內沿管程分為3個相區：單相水區、飽和相區及干蒸汽相區.

對于單相水區和干蒸汽相區，對流傳熱系數hf由下式確定：

對于兩相飽和區，其流型比較復雜，正常運行時的主要流型為環狀流.一般，根據Fr的值來判斷分層流與環狀流：當Fr＜0.04時為分層流，當Fr＞0.04時為環狀流.Fr的值及環狀流對流傳熱系數可根據已有的經驗公式來確定［7］：

其中，Rel按分液相考慮，即Rel＝G·（1－x）·Din／μl，對流沸騰傳熱系數hc仍可按照式（4）進行計算，核態沸騰傳熱系數hB則按以下公式［6］計算：

根據式（4）～式（12）可以計算出吸收管內、外徑分別為54mm、70mm的管內不同相區的對流傳熱系數.

圖2給出了不同壓力、不同質量流量下單相水區和干蒸汽相區的對流傳熱系數隨流體溫度的變化.由圖2可知：隨著流體溫度的升高，單相水區的對流傳熱系數增大，但干蒸汽相區的對流傳熱系數則呈減小趨勢.隨著壓力的升高，單相水區的對流傳熱系數基本不變，但是干蒸汽相區的對流傳熱系數卻增大，且增大的幅度隨著溫度的升高而減小.隨著質量流量的增大，單相水區和干蒸汽相區的對流傳熱系數均增大.

圖2 不同壓力、不同質量流量下單相水區和干蒸汽相區的對流傳熱系數隨溫度的變化Fig.2 Heat transfer coefficients vs.temperature in single－phase water region and dry steam region at various pressures and mass flow rates

圖3給出了不同壓力、不同質量流量下飽和相區對流傳熱系數隨蒸汽干度的變化.由圖3可知：隨著蒸汽干度的提高，飽和相區對流傳熱系數基本呈增大趨勢.當壓力升高時，飽和相區的對流傳熱系數減小.與其他2個相區一樣，質量流量的增大會導致對流傳熱系數增大.綜合以上3個相區的情況可知：不同相區的對流傳熱能力差異很大，因而不同相區金屬管與管內流體的熱交換量存在很大差別，必然導致不同相區吸收管的周向溫度分布不同，同時也影響到不同相區的熱損.

圖3 不同壓力、不同質量流量下飽和相區對流傳熱系數隨蒸汽干度的變化Fig.3 Heat transfer coefficients vs.steam quality in saturated region at various pressures and mass flow rates

1.2 熱損模型

圖4給出了DSG集熱管的熱損模型.

圖4 DSG集熱管的熱損模型Fig.4 Heat loss model of the DSG collector

在圖4中，點1～4分別表示金屬吸收管內壁、金屬吸收管外壁、玻璃管內壁和玻璃管外壁，點a和點s分別表示空氣和天空.集熱管向外界散失的熱量由兩部分組成：一部分是通過玻璃管向天空輻射的熱量及其與周圍空氣對流傳熱的熱量；另一部分則是通過端部波紋管及相關支承物向外界散失的熱量.前者等于金屬吸收管向環狀空間輻射的熱量加上環狀空間殘余氣體傳導的熱量（假設吸收管與玻璃管間環狀區高真空，對流傳熱可忽略）.以上關系可由式（13）、式（14）表述：

上面2個表達式中的各項均可用具體的公式表示，最終可與吸收管的壁溫以及環境條件關聯成如下關系式［6］：

式（15）中系數a、b和c可通過將上式與不同管壁溫度、環境條件下的熱損值作曲線擬合得到.

2 計算結果與討論

2.1 吸收管的周向溫度分布

為驗證傳熱模型的正確性，筆者參考了文獻［8］中工作壓力為3MPa時DSG槽式集熱器在典型輻射分布下吸收管周向溫度分布曲線圖中的數據.圖5給出了吸收管周向溫度分布計算結果與文獻［8］中數據的對比.由于在文獻［8］中未對單相水區進行計算，因此圖5中沒有此項的對比.在對單相水區、飽和相區和干蒸汽相區進行理論計算時，僅在傳熱系數上有差異，因此只需驗證飽和相區及干蒸汽相區吸收管周向溫度的準確性，便可以證明模型的正確性.

由圖5可知：從數值看，本文的計算結果與文獻［8］中的數據吻合較好，且考慮了軟件的讀數誤差，計算結果的最大誤差不會超過5%；從數據變化趨勢看，本文的計算結果與文獻［8］中的數據保持了完全一致性：無論干蒸汽相區還是飽和相區，吸收管周向溫度變化的整體趨勢均是先升高后下降，主要由于從管截面頂部（0°）到管截面底部（180°）再到管截面頂部（360°）的管周輻射熱流密度整體都是先增大后減小.而且，在干蒸汽相區，沒有明顯的溫度峰值點，而飽和相區的吸熱管周向溫度最大值僅在150°及210°兩處出現，且在這2個溫度間，吸收管對反射鏡的遮蔽使得吸收管周向溫度會有微小的下降，這是由于這兩處恰好是輻射熱流密度最大點而飽和相區傳熱能力遠大于干蒸汽相區傳熱能力造成的.同時，從圖5還可得出本文計算結果與文獻［8］數據的一個共同結論：對流傳熱系數較小的相區，吸收管周向溫度整體較高且溫差大，而對流傳熱系數較大的相區，吸收管周向溫度整體較低且溫差小.

圖5 吸收管周向溫度分布計算結果與文獻數據的對比Fig.5 Comparison of circumferential temperature distribution of absorber between calculated results and literature data

總之，本文采用的傳熱模型計算結果基本準確，可以在利用此模型計算得到的吸收管周向溫度分布的基礎上對DSG集熱器的熱性能進行分析.

2.2 集熱管的熱損失性能分析

本文給出的熱損模型是針對吸收管上某處的實地情況建立的.為了對不同相區的整體熱損進行分析，分別在每個相區取一個垂直于吸收管軸向的截面作代表，根據吸收管壁熱損模型計算出當太陽輻射強度為900W／m2、內徑和外徑分別為54mm和70mm的吸收管不同相區單位面積上的平均熱損量，以此評估不同相區的熱損失性能.

圖6給出了不同壓力、不同質量流量下飽和相區的熱損.由圖6可知：隨著壓力升高，飽和相區的熱損增大，但當蒸汽干度提高或質量流量增加時，飽和相區的熱損基本保持不變.

圖6 不同壓力、不同質量流量下飽和相區的熱損Fig.6 Heat loss in saturated region at various pressures and mass flow rates

圖7和圖8分別給出了不同壓力、不同質量流量下單相水區和干蒸汽相區的熱損.由圖7和圖8可知：隨著流體與環境溫差的增大，單相水區和干蒸汽相區的熱損均增大，但隨著壓力的提高和質量流量的增加，單相水區和干蒸汽相區的熱損均基本保持不變.

結合圖6、圖7和圖8可以發現：流體的流速對集熱器熱損的影響不大.從圖6可以看出，壓力升高導致飽和相區的熱損增大，但壓力對圖7、圖8中的熱損卻基本無影響，這是因為在研究飽和相區壓力變化時，溫度也發生相應變化，而在單相水區和干蒸汽相區考慮的卻是溫度不變時不同壓力下的情況.為進一步研究溫度是影響3個相區熱損的關鍵因素這個結論，將3個相區的熱損比較曲線繪于同一張圖中（見圖9）.

圖7 不同壓力、不同質量流量下單相水區的熱損Fig.7 Heat loss in single－phase water region at various pressures and mass flow rates

圖8 不同壓力、不同質量流量下干蒸汽相區的熱損Fig.8 Heat loss in dry steam region at various pressures and mass flow rates

圖9 不同相區的熱損比較Fig.9 Comparison of heat loss in different phase regions

由圖9可知：從3個相區總體看，熱損均隨著流體溫度的升高而增大，而壓力對熱損卻基本無影響.對于飽和相區的2個點，盡管其對流傳熱系數與其他2個相區存在很大差異，但其熱損在相近溫度下幾乎與其他2個相區的熱損重合，可見對流傳熱系數對不同相區熱損的影響不大，溫度才是影響熱損的關鍵因素.另外，考慮到實際運行時沿管程方向3個相區的溫度呈升高趨勢，因此可以得出：流體經過3個相區時，集熱管在單相水區、飽和相區和干蒸汽相區的單位面積熱損依次增大.

3 結 論

（1）根據筆者建立的二維穩態傳熱模型發現，對流傳熱系數較小的相區的吸收管周向溫度整體較高且溫差大，而對流傳熱系數較大的相區的吸收管周向溫度整體較低且溫差小.

（2）影響集熱器熱損的關鍵因素是流體溫度，而壓力和質量流量以及對流傳熱系數對集熱器熱損的影響不大.另外，流體在經過3個相區時，集熱管在單相水區、飽和相區和干蒸汽相區的單位面積熱損依次增大.

［1］韋彪，朱天宇.DSG太陽能槽式集熱器聚光特性模擬［J］.動力工程學報，2011，31（10）：773－778.WEI Biao，ZHU Tianyu.Simulation on concentrating characteristics of DSG parabolic trough collectors［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2011，31（10）：773－778.

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