槽式太陽(yáng)能集熱器聚光面能流分布及傳熱特性

劉亞君 顧煒莉 王蒙 易小芳

南華大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

近年來(lái)，受有限的化石能源以及全球氣候變化等的影響，可再生能源發(fā)展利用日益受到國(guó)際社會(huì)的重視[1]。因此加速開(kāi)發(fā)利用以太陽(yáng)能為主體的新型環(huán)保能源，進(jìn)而減少高品位能源的消耗，已成為人們的共識(shí)。但是太陽(yáng)能作為一種低品位能源很難被直接利用并產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，將其轉(zhuǎn)化為高品位能源，不僅能提高太陽(yáng)能的綜合利用率，也使其應(yīng)用范圍更加廣泛。為了得到高品位的熱能，實(shí)現(xiàn)能源利用的經(jīng)濟(jì)性,必須對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行聚集[2-4]。槽式聚光系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)利用最多的一種集熱器類型，主要是因?yàn)槠渚哂邪惭b方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全且可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[5-7]。

槽式太陽(yáng)集熱器的聚光特性，集熱效率，換熱特性以及熱應(yīng)力等方面的問(wèn)題一直是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題，引起了國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注。聚光特性方面：肖杰，何雅玲等人[8]運(yùn)用蒙特卡羅光線追蹤法（MCRT）模擬了槽式系統(tǒng)聚光特性，得到集熱管表面的能流分布曲線，并將其分為陰影效應(yīng)區(qū)，熱通量增大區(qū)，熱通量減小區(qū)和直接輻射區(qū)四部分，而且模擬結(jié)果與Jeter[9]的計(jì)算結(jié)果吻合較好。許成木，李明[10]等提出了計(jì)算槽式太陽(yáng)能聚光器焦面能流密度分布的一種新方法，根據(jù)拋物槽式聚光器（PTC）的幾何光學(xué)特性，利用Origin 軟件中的頻數(shù)統(tǒng)計(jì)工具對(duì)平面焦線的能流密度分布進(jìn)行了計(jì)算，并用CCD 工業(yè)相機(jī)進(jìn)行了實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，證明該方法適用于任意面型的槽式集熱系統(tǒng)和線性接收器。基于太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)的幾何對(duì)稱特性，顏健等人[11]提出一種運(yùn)動(dòng)累加方法來(lái)計(jì)算吸熱器的能流密度分布。推導(dǎo)了吸熱器表面能流分布的運(yùn)動(dòng)累加數(shù)學(xué)模型，避免大量方程組的計(jì)算，減少了工作量。并與Jeter、何雅玲等的方法對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的正確性。換熱特性方面:目前對(duì)槽式太陽(yáng)能集熱器的換熱特性的研究主要集中在研究其整體熱損失方面，文獻(xiàn)[12]考察了太陽(yáng)輻照強(qiáng)度、環(huán)境風(fēng)速、吸熱管管徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)集熱性能的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[13]對(duì)槽式太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行了熱性能的測(cè)試與試驗(yàn)，并分析了其熱損失。文獻(xiàn)[14]對(duì)槽式太陽(yáng)能集熱器真空夾層內(nèi)的流動(dòng)與換熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了在壁面溫差一定條件下，環(huán)形空間壓力與熱損失的關(guān)系。上述研究主要側(cè)重在太陽(yáng)能集熱器的整體熱損失及其影響因素方面，而對(duì)集熱管的傳熱特性及溫度分布的分析研究較少涉及。

本文分析了LS-2 型槽式太陽(yáng)能集熱器的聚光特性并進(jìn)一步模擬得到該集熱管的聚光特性和管內(nèi)溫度分布特性，揭示了槽式太陽(yáng)能集熱器的聚光特性和集熱管管壁的傳熱特性以及管內(nèi)導(dǎo)熱油的對(duì)流換熱特性。

1 槽式太陽(yáng)能集熱器物理模型和數(shù)值方法

1.1 物理模型

如圖1 所示為槽式太陽(yáng)能集熱器的物理模型，主要由槽式反射鏡面，真空集熱管，跟蹤系統(tǒng)以及其他輔助裝置組成。集熱器通過(guò)跟蹤系統(tǒng)使反射鏡的開(kāi)口面與入射太陽(yáng)輻射盡可能相互垂直，槽式反射鏡面把照射到反射器鏡面的陽(yáng)光聚集到真空集熱管上，以提高太陽(yáng)光的能流密度，集熱管將聚集而成的高熱流密度的輻射能傳遞給管內(nèi)的流體工質(zhì)，將管內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)加熱到指定溫度。圖2 為槽式太陽(yáng)能集熱器系統(tǒng)的原理圖。

圖1 槽式太陽(yáng)能集熱器的物理模型

圖2 槽式太陽(yáng)能集熱器系統(tǒng)原理圖

1.2 數(shù)值方法

基于以上介紹的槽式太陽(yáng)能集熱器的物理模型和數(shù)學(xué)模型，本文利用光路分析仿真軟件Trace pro 對(duì)本模擬采用的LS-2 型槽式太陽(yáng)集熱器進(jìn)行了光學(xué)模擬，得到吸熱管表面的熱流密度分布情況。利用CFD軟件考察整根吸熱管的周向溫度和軸向溫度的分布以及換熱特性。計(jì)算的結(jié)果則采用后處理軟件tecplot完成。

網(wǎng)格劃分：利用Gambit 軟件對(duì)吸熱管模型的固體域和流體域分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，流-固耦合面進(jìn)行邊界層劃分。根據(jù)初始條件，流體入口設(shè)置為速度入口，流體出口設(shè)置為自由出流。圖3 為劃分好的網(wǎng)格模型。

圖3 網(wǎng)格劃分

2 槽式太陽(yáng)能集熱器聚光特性分析

利用光路分析仿真軟件Trace pro 模擬了DNI 值為1000 W/m2時(shí)，LS-2 型槽式太陽(yáng)集熱器吸熱管圓周方向熱流密度分布特性如圖4 所示。集熱管正面受太陽(yáng)直射，熱流密度小，且分布呈余弦分布。經(jīng)大面積反射鏡反射落在吸熱管背面的光線熱流密度大，分布為具有對(duì)稱性的分段函數(shù)。

圖4 LS-2 型槽式太陽(yáng)集熱器吸熱管圓周方向熱流密度分布特性

將DNI 為1000 W/m2時(shí)，Tracepro 求解的吸熱管表面的熱流密度分布簡(jiǎn)化為矩形分布，如圖5 所示，將總的輻照熱量折算成體積熱源，作為數(shù)值模擬時(shí)的熱邊界條件賦予管壁。折算得到太陽(yáng)直接輻射正面的熱流密度q1=682 W/m2，背面熱流密度q2=42000 W/m2。

圖5 吸熱管表面熱流密度的矩形分布

3 槽式太陽(yáng)能集熱器傳熱特性分析

3.1 集熱管流體溫度場(chǎng)分析

設(shè)置導(dǎo)熱油T-55 入口速度v=0.05 m/s，入口溫度T0=160 ℃，管壁上半部分熱流密度q1=682 W/m2，下半部分熱流密度q2=42000 W/m2，考察整根吸熱管的周向溫度和軸向溫度的分布以及換熱特性。

圖6 給出了非均勻熱流邊界條件下集熱管管壁溫度分布云圖。從圖7、8 中可以看出在Z=0 截面上溫度分布十分不均勻，管壁下半部分的流體溫度遠(yuǎn)高于上半部分，而且Y 值越小，出口溫度越高，Y 值越大，出口溫度越低，Y=0.01 m 與Y=0.06 m 軸線上的最大溫差高達(dá)100 ℃。這是由于管壁下半部分平均熱流密度大，傳熱效率遠(yuǎn)高于上半部分所致。

圖6 管壁溫度分布

圖7 Z=0 截面溫度（K）分布云圖

圖8 Z=0 截面溫度變化曲線

3.2 集熱管傳熱分析

圖9 給出了入口速度為0.1 m/s 時(shí)，兩種不同工質(zhì)的進(jìn)出口溫差隨進(jìn)口溫度的變化關(guān)系。由圖可知，進(jìn)出口溫差隨進(jìn)口溫度的升高而減小。圖10 給出了入口溫度為160 ℃時(shí)，T-55 的出口溫度隨入口速度的變化關(guān)系。由圖可知，出口溫度隨入口速度的增加而降低。

圖9 進(jìn)出口溫差隨工質(zhì)溫度的變化關(guān)系

圖10 出口溫度隨工質(zhì)入口速度的變化關(guān)系

為研究導(dǎo)熱油流速對(duì)吸熱管表面溫度的影響，設(shè)置導(dǎo)熱油入口溫度t=160 ℃，當(dāng)導(dǎo)熱油入口速度由0.05 m/s 增加到0.1 m/s 時(shí)，從圖11 中可以看出，集熱管表面溫度分布類似于能流分布，集熱管周向最大溫差由234.7 ℃降低到141.8 ℃，可見(jiàn)，速度對(duì)集熱管表面溫度分布影響較大。

圖11 吸熱管圓周方向溫度分布

4 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了周向非均勻熱流邊界條件下，集熱管的溫度分布規(guī)律與換熱特性，得到如下結(jié)論：

1）利用Trace pro 模擬不同輻射強(qiáng)度條件下，LS-2型槽式太陽(yáng)集熱器吸熱管表面的能流密度分布，結(jié)果表明，集熱管正面的熱流密度隨DNI 值的增大呈線性增長(zhǎng)，背面的熱流密度隨DNI 值的增大呈指數(shù)增長(zhǎng)。

2）將DNI=1000 W/m2時(shí)的熱流密度分布簡(jiǎn)化為矩形分布，并以此為邊界條件研究傳熱工質(zhì)為導(dǎo)熱油時(shí)，該集熱器管壁和管內(nèi)流體的溫度分布特性。結(jié)果表明，管壁和管內(nèi)流體溫度分布十分不均勻。

3）LS-2 型槽式太陽(yáng)集熱器吸熱管表面圓周方向能流分布相對(duì)集中，工質(zhì)流速對(duì)管壁溫度分布影響較大，當(dāng)太陽(yáng)直射輻照為1000 W/m2，導(dǎo)熱油入口溫度為160 ℃，流速為0.05 m/s 時(shí)，吸熱管圓周方向最大溫差為235 ℃左右，當(dāng)流速增加到0.05 m/s 時(shí)，最大溫差減小到142 ℃左右。