不同輻射加熱模型對吸熱管傳熱性能與應力的影響研究

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

近年來,太陽能熱發電技術得到了較快發展[1-3]。熔鹽塔式太陽能熱發電是太陽能熱發電領域中的一種重要技術[4-8],在吸熱塔周圍布置大量反射鏡,將位于中央吸熱塔頂的熔鹽吸熱器吸收鏡場反射的太陽能轉換為熔鹽的內能,通過換熱器將熱量傳遞至高溫高壓水蒸氣,供汽輪機發電。熔鹽吸熱器一般采用外置柱式結構,由一定數量的吸熱管組成。太陽光照射在吸熱管外壁,熔鹽在吸熱管內流動換熱,從而吸收太陽能。在吸熱器設計過程中,需要對吸熱管的換熱特性和應力情況進行計算校核。通常采用管槽內強制對流換熱模型和圓筒壁熱應力計算模型,其邊界條件為均勻熱流或均勻壁溫[9]。而在實際運行過程中,吸熱管單側受光,熱流和溫度分布并不均勻?？梢?采用傳統計算方法得到的結果會與實際工況存在一定差異,而最高溫度和最大應力對吸熱器的壽命和安全性有重要影響。

筆者結合熔鹽外置柱式吸熱器的運行工況,建立三種輻射加熱模型,通過數值模擬的方法,對比三種輻射加熱模型中吸熱管壁面溫度和應力分布的差異,研究吸熱管壁面溫度和應力分布隨管內熔鹽流速的變化規律,為熔鹽吸熱器的設計提供參考。

2 輻射加熱模型

輻射加熱模型中,吸熱管長為1.2 m,外徑為20 mm,壁厚為1.2 mm。吸熱管材料為Incoloy825合金,密度為8 100 kg/m3。比熱容Cpi和熱導率λi分別為:

Cpi=357.447 51+0.272 98T

(1)

λi=5.865 68+0.016 56T

(2)

式中:T為材料的熱力學溫度,K。

管內熔鹽為由60%硝酸鈉和40%硝酸鉀組成的二元鹽,其密度ρ、動力黏度μ、比熱容Cps、熱導率λs依次可按式(3)、式(4)、式(5)和式(6)[10]計算。吸熱管處于豎直狀態,熔鹽從下端進入,上端流出,進口溫度為563.15 K。

ρ=2 090-0.636(T-273.15)

(3)

μ=[22.714-0.12(T-273.15)+2.281

×10-4×(T-273.15)2-1.474

×10-7×(T-273.15)3]/1 000

(4)

Cps=1 443+0.172(T-273.15)

(5)

λs=0.443+0.0001 9(T-273.15)

(6)

三種輻射加熱模型如圖1所示。平行光輻射加熱模型中,光線平行照射在吸熱管上,垂直于吸熱管軸向,吸熱管受光面輻照強度呈余弦分布,背光面絕熱。垂直光輻射加熱模型中,光線垂直于吸熱管外壁,吸熱管受光面輻照強度均勻分布,背光面絕熱。全周輻射加熱模型中,光線垂直于吸熱管外壁,輻照強度均勻分布,這是傳統均勻熱流計算方法常用的模型。平行光輻射加熱模型和垂直光輻射加熱模型可統稱為半周輻射加熱模型。

圖1 輻射加熱模型示意圖

應用CFX軟件和ANSYS軟件進行數值模擬時,做如下假設:① 吸熱管向外輻射散熱,吸熱管與空氣不發生熱對流;② 三種輻射加熱模型中,吸熱管接收的總輻射能相同,且沿軸向分布均勻;③ 吸熱管內流動為穩態流動;④ 吸熱管處于自由狀態,無固定約束;⑤ 考慮熔鹽的重力影響。平行光輻射加熱模型中,輻射能流密度為500cosθkW/m2,θ為輻射體表面法向與選定方向間的夾角。垂直輻射加熱模型中,輻射能流密度為500×2/π kW/m2。全周輻射加熱模型中,輻射能流密度為500×1/π kW/m2。

3 數值模擬結果與分析

熔鹽流速為3 m/s時,吸熱管軸向中點處截面的溫度分布如圖2所示。由圖2可以看出,平行光輻射加熱時,吸熱管上最高溫度點位于管外壁迎光側中點處,最低溫度點位于背光側中點處,這主要是由于平行光輻射加熱時,迎光側中點處接收到的能量最高。全周輻射加熱時,吸熱管壁溫呈環狀均勻分布,溫度沿外壁面向內壁面降低。

圖2 吸熱管截面溫度分布

三種輻射加熱模型下,吸熱管壁面最高和最低溫度隨熔鹽流速變化規律如圖3所示。由圖3可以看出,半周輻射加熱時,吸熱管壁面溫度最高值隨熔鹽流速的加快而降低,溫度最低值則幾乎保持不變。平行光輻射加熱時的吸熱管壁面最高溫度高于垂直光輻射加熱時,但兩者的變化趨勢相近。全周輻射加熱時,吸熱管壁面溫度最高值和最低值都隨熔鹽流速的加快而降低。

圖3 吸熱管壁面溫度隨熔鹽流速變化規律

熔鹽流速為2 m/s和4 m/s時,三種輻射加熱模型下吸熱管壁面最高溫度的對比如圖4所示。由圖4可以看出,吸熱管壁面最高溫度從高到低對應的輻射加熱模型依次為平行光輻射加熱模型、垂直光輻射加熱模型、全周輻射加熱模型,平行光輻射加熱與全周輻射加熱時的最高溫度差值,熔鹽流速2 m/s時為96 ℃,熔鹽流速4 m/s時減小為68 ℃。

三種輻射加熱模型下,吸熱管內外壁面最大溫差隨熔鹽流速的變化規律如圖5所示。由圖5可以看出,半周輻射加熱時,吸熱管內外壁面最大溫差隨熔鹽流速的加快而減小。全周輻射加熱時,隨著熔鹽流速的加快,吸熱管內外壁面最大溫差有所增大,但增大的幅度較小,這主要是由于吸熱管與熔融鹽的換熱性能提高,使管壁的熱擴散通量變大,進而使溫差略有增大。

圖4 吸熱管壁面最高溫度對比

圖5 吸熱管壁面最大溫差隨熔鹽流速變化規律

熔鹽流速為3 m/s時,吸熱管截面的應力分布如圖6所示。由圖6可以看出,平行光輻射加熱時,熱應力分布不均勻,最大應力點位于管外壁受光側中點處。垂直光輻射加熱時,最大應力點位于管外壁受光面兩側。全周輻射加熱時,熱應力呈環向均勻分布,從外向內先減小后增大,外側受拉應力,內側受壓應力,最大應力點位于管內壁面。

圖6 吸熱管截面應力分布

吸熱管上的應力對吸熱器的使用安全性和壽命有重要影響,吸熱管壁最大應力隨熔鹽流速的變化規律如圖7所示。由圖7可以看出,半周輻射加熱時,吸熱管上最大應力隨熔鹽流速的加快而減小,且垂直光輻射加熱時的減小幅度更為明顯。全周輻射加熱時,吸熱管上最大應力隨熔鹽流速的加快而略有增大。

熔鹽流速為2 m/s和4 m/s時,三種輻射加熱模型下吸熱管壁最大應力對比如圖8所示。由圖8可以看出,吸熱管壁面最大應力從大到小對應的輻射加熱模型依次為平行光輻射加熱模型、垂直光輻射加熱模型、全周輻射加熱模型。平行光輻射加熱與全周輻射加熱時的最大應力差,熔鹽流速2 m/s時為67 MPa,熔鹽流速4 m/s時,減小為62 MPa。

圖7 吸熱管壁最大應力隨熔鹽流速變化規律

圖8 吸熱管壁面最大應力對比

4 結論

半周輻射加熱時,吸熱管上溫度最大值位于受光側中點處,溫度最小值位于背光側中點處,溫度最高值隨熔鹽流速的加快而降低,溫度最低值變化較小。全周輻射加熱時,吸熱管上溫度沿橫截面均勻分布,溫度最高值位于管外壁受光側,溫度最低值位于管內壁,溫度最高值和最低值都隨熔鹽流速的加快而降低。吸熱管內外壁面最大溫差和最大應力變化趨勢一致,半周輻射加熱時,隨熔鹽流速的加快而減小;全周輻射加熱時,隨熔鹽流速的加快而略有增大。