2. School of Chemical Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China
能源、环境以及可持续发展是本世纪人类社会生存和发展的关键主题,三者之中环境和能源是保障,可持续发展是中心。随着常规化石能源储量的逐步减少和对环境的严重污染,人类为了可持续发展和生存需要,必然要寻求可再生能源来代替常规能源。太阳能蕴藏丰富并且干净、安全。大力发展太阳能等可再生能源,是培育新兴产业、推进能源多元化发展的重要战略策略,也是应对全球气候变化、防止生态环境日益恶化、实现经济社会可持续发展的迫切需要。
聚光太阳能系统是解决能源问题的有效途径之一,而腔式吸热器是这类系统的关键设备,其各种热损失,具体包括光学热损失、辐射热损失、对流热损失和导热热损失等是影响效率的直接因素。针对导热损失的研究技术已经比较成熟,并且导热损失通常只占总热损失的很小部分,目前的研究热点集中在对流热损失。通过实验和数值模拟提出新的Nu计算关联式,为推广应用提供指导。2004年,Taumoefolau等[1]为了研究腔式吸热器的对流热损失,采用了1个电加热模型的吸热器用来进行相关实验研究,实验过程中吸热器的倾斜角变化范围为-90°~90°,实验温度变化范围为450~650 ℃,孔径与腔直径的比值分别为0.5、0.6、0.75、0.85、1.0。为了测试整个系统热损失,使用图像技术实现腔外空气流动形态的可视化。研究结果发现在孔附近区域内的数值模拟流型和纹影图像吻合较好。2004年,Reynolds等[2]搭建了1套实验设备来研究梯形腔在复杂边界条件下的传热特性,重点是吸收体和腔的布置,其目的是优化腔的设计以便获得最大的热效率,研究结果显示理论计算传热量和实验传热量之间也得到了非常合理的吻合。2008年,Muftuoglu和Bilgen[3]以1个倾斜长方形吸热腔为研究对象,侧壁面正对于聚焦太阳能辐射的状态下而其他面却保持恒温,通过有限元控制体积数值方法来求解连续性方程、动量方程和能量方程,结果表明Nu准则数是随着瑞利数、体型比、倾斜角增加的函数关系。同时,文章基于计算结果理论推导了一种新的Nu关联式。2008和2009年,Reddy等[4-6]定义了太阳能碟式集热器的3种不同形状的腔(腔式吸热器、半腔、修正腔),建立了太阳能碟式系统修正腔的三维数值模型来准确计算自然对流热损失,并对二维和三维自然对流热损失进行了比较分析。结果显示二维和三维模型仅仅只是在高倾斜角(60°~90°)时可以比较。同时文章对三维数学模型与其他学者报道的比较著名的模型进行了对比分析,结果表明了文章提出的三维数学模型能够更准确的计算太阳能碟式系统聚热器的热损失。2009和2010年,Prakash等[7, 8]对腔式吸热器稳态对流热损失进行了详细的实验和数值模拟研究,结果发现实验和数值计算的对流热损失值吻合较好,其最大偏差为14%左右。文章同时研究了在两个不同风速和不同风向情况下外部风对对流热损失的影响程度,研究表明有风条件下的对流热损失在各种倾斜角时一般比无风条件下要高(风速为1 m/s时高22%~75%,风速为3 m/s时高30%~140%)。文章最后提出了Nu关联式并与现有文献中的关联式进行了对比分析,结果发现现有文献中的关联式都不能预测平均吸热器温度在100~300 ℃时的对流热损失,这主要是由于这些关联式都是在特定的几何形状下提出的,其孔径与吸热器直径之比都是小于或者等于1。2010年,Li等[9]提出了一个100 kWt熔盐球形稳态腔式吸热器的热力模型。在设计过程中,分析了下面这些因素:吸热器面积、热损失(对流、发射、反射和导热)、吸热器平板管子的数量、管径和吸热器表面温度。结果表明各种类型热损失所占比例随着吸热器面积的变化而变化,但是对流、反射和发射热损失占总热损失的绝大部分,导热损失只占2%以下,所以基本可以忽略。2010年,Singh等[10]实验研究了长方形和圆形管的梯形腔式吸热器总热损失系数,同时进行了实验关联式的预测计算,最后对两者计算结果进行了对比分析,结果表明实验值和采用关联式计算值之间的误差在10%以内,满足应用需要。2010年,Tao等[11]建立了槽式太阳能系统集热器自然对流、强制对流、热传导和流固耦合等传热过程的二维模型,研究了瑞利数、管子直径比、吸热器管壁的导热系数对传热和流场的影响。2011年,Singh和Eames[12]研究发现腔体的自然对流传热是腔体形状、高径比、腔体壁面边界条件和封闭体内流体属性等这些参数的复杂函数关系。文章认为目前大量的研究集中在规则形状,如长方形、正方形或者圆柱形,但是把这些规则形状研究的关联式推广应用到复杂形状是不科学的,其结果也是不正确的。2011年,Fang等[13]针对太阳能塔式系统的立方体形吸热器进行了热流场和温度场模拟,文章研究了不同风向和不同风速的变化对吸热器管壁温度和热损失的影响。文章采用的计算方法分别是:蒙特卡洛法用来计算辐射问题;Fluent流体计算软件用来计算对流问题;计算过程中采用的模型和算法是湍流模型和SIMPLE算法。文章研究结果表明了风向和风速对吸热器对热损失影响较大。
1 计算方法Fluent软件是当前国内外最流行的商用软件包。它的特点是可以提供可压缩流体、不可压缩流体、湍流以及层流甚至多相流等大范围数值模拟流场和云图计算能力,同时该软件还与一些工程进行实际结合,如移动坐标系模型、热传导模型、周期性流动、多孔介质模型等。正是基于上述这些原因,Fluent软件在石油工业、航空航天、电力、能源、化工、军事等方面得到了广泛应用。
通常,Fluent软件由前处理器、求解器和后处理器3部分组成。各部分的作用分别为:1)前处理器主要是进行网格划分及模型建立,通过Gambit实现。一方面它可以自己通过点、线、面等独立构造模型和网格,另一方面它也能接受一些其他图形工作创建的模型进行导入,其中比较专业的图形软件有PROE、Solid Works、UG等;2)求解器主要是通过提供辐射传热模型、颗粒轨道模型、多相流模型、湍流模型等模型或者是几种模型的组合;3)后处理器主要是负责对计算结果进行调整和应用,比如进行了可视化处理、视屏制作等,总体功能很强大,也可以通过其他一些软件进行协作后处理。文中在计算碟式太阳能聚光系统腔式吸热器光热耦合特性中,利用Fluent软件的流程示意见图 1。为了实现蒙特卡洛射线踪迹法计算的辐射热流作为边界条件,输入流体计算软件,需要将数值模拟结果以用户自定义函数的形式导入。
2 对流热损失数值计算 2.1 计算过程碟式太阳能聚光系统腔式吸热器的对流热损失包括自然对流热损失和混合自然对流热损失(自然对流热损失和风引起的强制对流热损失)。对流换热系数受到速度、特征长度以及温度等影响,目前关于对流热损失的研究重点有腔式吸热器的形状、开口半径、不同的倾斜角、不同的风速和风向等影响。国内外学者通过数值模拟和实验研究总结、提出了不同的Nu关联式计算模型,文中主要在前人研究的基础上,通过数值模拟计算不同太阳辐射强度下的对流热损失和壁面温度。其数值计算过程如下:在不同太阳辐射强度条件下,首先假定壁面的初始温度,然后通过特征温度从文献[14]选取空气物性参数,包括导热系数、运动黏度等参数,再根据这些参数并结合Nu关联式计算对流换热系数,同时以该换热系数为基础,在计算软件中通过温度场的迭代计算对流热损失和新的壁面温度,最后将新的壁面温度与初始壁面温度进行对比,当误差在5%以下时输出结果;当误差大于5%时,以该新壁面温度为初始温度,带入系统重新计算,直到误差在设定范围内。通过以上思路可以计算不同太阳辐射强度下的对流热损失。
2.2 数值模拟结果文中数值模拟中腔式吸热器的详细计算参数为:高度260 mm,直径200 mm,沿高度方向20个循环,螺旋管内径5 mm,外径8 mm,吸热器的入口水温305 K,冷水的质量流量为0.03、0.05、0.07 kg/s,采用Proe 5.0完成了腔式吸热器的物理图形并基于Gambit对螺旋管进行网格划分,外表面的圆柱形腔体由于采用保温可以假设忽略导热损失,因此只需要针对螺旋管进行网格划分并流固耦合计算,关于太阳能系统的详细参数及蒙特卡洛法可以参考文献[14-16]。
图 2显示了不同水流量情况下,吸热器出口水温随着太阳辐射强度的变化规律。从图中可以看到:1)在恒定水流量条件下,吸热器出口水温随着太阳辐射强度增加而增大,基本呈线性增加,但是增加梯度不一样,当水的质量流量为0.03 kg/s时,出口水温增加最快;2)在恒定太阳辐射强度下,水的质量流量越大,出口温度越低,但不是呈线性变化的,这主要是由于水流量的变化引起了自然对流热损失的变化。当太阳辐射强度为100 W/m2时,水流量为0.03 kg/s时出口水温为314.21 K,水流量为0.05 kg/s时出口水温为310.5 K,水流量为0.07 kg/s时出口水温为308.95 K;当太阳辐射强度为300 W/m2时,不同水流量的出口水温分别为332.52、321.46、316.81 K;当太阳辐射强度为500 W/m2时,不同水流量的出口水温为350.84、332.42、324.67 K。
2.3 实验结果碟式聚光系统光热转换实验过程为:太阳光线经过16碟抛物线反射镜反射后进入吸热器,在吸热器表面完成光热转换过程,流体工质采用水。冷水从冷水箱经水泵加压后上升进入吸热器,吸收热量后从右端流出进入热水箱,介质水经过这样一个过程后将太阳能转换的热量带走。实验主要测试介质水的进出口温度和流量,目的是为了研究水最后从吸热器带走的能量,因此实验过程中冷水箱的温度即冷水温度一直保持305 K,冷水的质量流量由于水泵的功率固定因而保持为0.05 kg/s,实验测量的主要参数就是不同太阳辐射强度下的出口水温,温度测量采用Pt100-type热电偶。腔式吸热器在安装过程中主要通过设计的支架固定,并可进行微调,确保开口中心处正好与焦面中心重合。实验测试前需要对镜面进行清洁处理,主要是除去镜片表面的灰尘,实验所用仪器在使用前也需要进行标定校核。实验主要测试了太阳辐射强度分别为100、300、500 W/m2时,吸热器热水管出口的水温变化规律。
图 3显示了不同太阳辐射强度下吸热器出口水温的实验测试值。从图中可以清晰地看到在入口水温和水质量流量保持不变的情况下,出口水温随着太阳辐射强度的增加而增加,几乎线性增加。太阳辐射强度为100 W/m2,出口水温为308.3 K;太阳辐射强度为300 W/m2,出口水温为313.8 K;太阳辐射强度为500 W/m2,出口水温为318.9 K。
根据实验测试结果,计算不同太阳辐射强度的对流热损失,同时与数值计算结果进行对比。图 4显示了对流热损失的实验值和基于文献[17]数值计算值之间的对比。
3 结束语文中将基于蒙特卡洛射线踪迹法计算的腔式吸热器表面辐射热流数值结果作为流固耦合传热过程的边界条件,基于用户自定义函数采用Fluent计算软件并考虑对流热损失条件下,分别数值模拟腔式吸热器出口水温随太阳辐射强度和工质水质量流量的变化规律。同时完成了相关的实验测试研究,研究结果表明在入口水温和水质量流量保持不变的情况下,出口水温随着太阳辐射强度的增加而增加,几乎线性增加。
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