槽式腔體接收器多場耦合熱性能模擬研究

王志敏，楊 暢，產文武，袁 拓，王海博

（1.內蒙古工業大學 能源與動力工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古自治區可再生能源重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051；3.內蒙古工業大學 土木工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

聚光型太陽能熱利用中，槽式太陽能利用技術已較為成熟[1]。槽式太陽能聚光集熱系統中的核心部件是接收器，聚光鏡聚焦太陽光線并反射匯聚到接收器上，接收器將接收到的太陽輻射能量轉化成熱能，通過熱傳遞的方式加熱接收器中的流動工質[2]。由槽式太陽能聚光集熱的工作原理可知，接收器的設計與選用對聚焦光線吸收與傳遞起到關鍵作用。

科研人員針對槽式系統光熱性能做了大量研究。Padilla R V[3]，[4]采 用 火用分 析 方 法 研 究 了 運 行 參數和環境參數對槽式接收器性能的影響，通過模型與實驗數據的比較，驗證了數值結果。Yilmaz I H[5]利用微分相關和非線性代數相關內容建立了接收器光學和熱學模型，分析其在不同運行條件下的性能特征。Huang X N[6]在傳統熱管ECTs的玻璃管中引入熱屏蔽體，從而減少了吸熱板的輻射熱損失。Zhang X Y[7]研究發現，熱屏蔽體可以有效降低同軸真空太陽能集熱器的熱損失，并且隨著集熱溫度的升高熱損失的降低效果越顯著。

目前，針對槽式光熱電站常用的玻璃-金屬真空管的相關研究較多[8]，[9]，而對其他應用領域的槽式接收器研究較少。腔體接收器具有工藝較簡單、成本相對低廉的特點，在中低溫領域具有更廣泛的應用[10]。本文基于一種倒梯形腔體接收器，采用ANSYS軟件對腔體工質進口溫度、外界環境風速、傾角等參數進行模擬研究，揭示該腔體接收器的熱損失規律以及該結構對腔內集熱管傳熱性能的影響，為優化接收器結構、提高接收器集熱性能提供理論基礎。

1 理論分析

1.1 腔體熱損失分析

腔體接收器外表為不透光金屬材料，由單一采光孔入射聚焦光線，集熱管為銅制金屬管，由左至右依次表示為管1、管2、…、管7，其出口分別為O1，O2，…，O7，腔 體 剖 面 見 圖1，結 構 參 數 見 表1[11]。

圖1 倒梯形腔體的熱損失示意圖Fig.1 Heat loss diagram of the cavity

表1 腔體接收器結構參數Table1Parameters of cavity receiver

在腔內傳熱過程中，集熱管簇通過導熱、對流以及輻射換熱將聚焦輻射能流由管外傳遞到管內并被流動工質吸收帶走，同時集熱管壁能流主要通過對流和熱輻射的方式與腔內空氣進行熱交換。腔內空氣繼續通過腔體接收器的采光孔與外界環境以對流和熱輻射方式傳遞，同時也會與腔內反射壁面以導熱形式將熱量傳遞到保溫層，保溫層將熱量傳遞到腔體外殼，腔體外殼以輻射和對流的方式向外界環境散失熱量[12]。腔體熱損失過程如圖1所示。

1.2 腔體熱損失計算

因本腔體結構針對中低溫集熱的范疇所設計，其流動工質溫度相對較低，為了簡化傳熱分析，對腔體集熱管通過一定溫度的熱流體時接收器本體的熱損失模型作出以下假設：

①在所研究的集熱溫度范圍內，保溫層起到絕熱作用，腔體外殼以及外界環境均無熱量交換（建模時忽略保溫層，直接設置腔體內壁面絕熱）；

②各表面的物性，如反射率、吸收率、管內流體流量等均為常數，不隨溫度發生變化；

③腔體接收器處于穩定運行狀態，系統起停時各部件的熱容不予考慮。

基于以上假設，可將整個過程歸結為穩態導熱和對流以及輻射換熱的耦合傳熱的求解問題。研究中，7根集熱管在傳熱過程中的總熱損失量計 算 式[13]為

式中：Qloss為腔體接收器的總熱損失量，W；m˙為單根集熱管內工質流動的質量流量，kg/s；Tin為腔體集熱管單管進口溫度，K；Tout為腔體集熱管單管出 口 平 均 溫 度，K；cp為 比 熱 容，J/（kg·K）。

2 模型建立

本文應用DesignModel建立腔體接收器和環境域物理模型，采用Gambit進行網格劃分，根據不同工況將該模型的網格數控制在合理范圍內。模擬采用計算流體力學ANSYS Fluent軟件，選取穩態的基于壓力法的求解器，設置操作條件進行模擬。

2.1 流場域確定及網格劃分

為了使腔體周圍流場得到充分發展，需對計算域的大小進行設置以得到更準確的模擬結果。一般環境域體積均大于腔體的10倍以上[14]，通過前期多次模擬結果論證，此處采用腔體50倍大的體積作為環境域展開模擬研究較為合適。在劃分網格過程中，在接收器周邊構建加密小域，以利于適應接收器表面及其周圍復雜的流場情況。小域和外部流場域的交界面上采用內部面，使用四邊形網格，以滿足內外兩部分非結構化向結構化網格過渡。腔體表面及管壁均采用非結構化的三角形網格進行劃分。

2.2 模型及邊界條件設置

模擬中，研究變量包括流動工質進口溫度Tin、環境風速Vw和腔體接收器開口面與水平地面夾角 θcav。在流動工質流量和環溫一定的情況下，通過設置Tin，θcav和Vw，探究在不同工況下該腔體接收器結構對內部集熱管傳熱性能的影響以及腔體接收器整體熱損失規律。邊界條件的設置見表2，計算模型見圖2。

表2 邊界條件設置Table2Boundary condition setting

圖2 計算模型Fig.2 Calculation model

3 模擬分析

3.1 不同進口溫度對接收器熱性能的影響

在變換工質進口溫度模擬中，環境溫度和流動工質流速保持不變，θcav=0°，且環境無風，設置Tin=303，313，323，333，353K，以 此 條 件 研 究 該 腔體的熱損失規律及特性。

截取Tin=353K時的腔體內流動工質俯視圖及腔體截面作為腔體結構對各管出口溫度影響的研究對象，并采用雙溫度場對集熱管內流體溫度和外界影響進行分析。圖3為腔體管內流體俯視溫度云圖，進口區域為相對高溫區域，出口區域為相對低溫區域。由圖可知，7根管內熱工質由左側入口到右側出口溫度總體呈逐漸降低趨勢，其中越接近中間管，溫度下降速度越快，集熱管在整個腔體傳熱過程中的熱損失越嚴重。

圖3 腔體管內流體俯視圖Fig.3 Top map of fluid in cavity tube

圖4為Tin=353K時的腔體出口剖面云圖，揭示了圖3的趨勢。分析其原因是熱量通過導熱形式傳遞給管壁，管壁以自然對流與輻射換熱形式對腔內的空氣和腔體內壁面進行加熱，隨后腔內熱量持續從腔體內部通過自然對流和熱輻射傳遞到環境中。整個系統達到穩態后，周圍環境溫度穩定在323.9K附近。

圖4 腔體出口剖面云圖Fig.4 Section map of cavity exit

選 取Tin=323，333，353K，研 究 腔 體 結 構 對 各管出口溫度的影響，如圖5所示。3種工況下各管出口溫度的變化趨勢均為兩邊高中間低，與腔體倒梯形結構相吻合，當Tin=353K時，O1和O7達到最高溫度352.938K，O4為最低溫度352.834K。由這3個典型工況可分析其他不同進口溫度受腔體結構影響后，各集熱管出口溫度變化規律均是該趨勢。出現這種趨勢的原因在于中間管正對采光孔，且離壁面相對較遠，與空氣自然對流換熱明顯；而兩邊的集熱管因其獨特的倒梯形腔體結構，離采光孔較遠，離兩邊壁面較近，通過自然對流與輻射換熱將周圍空氣和相鄰壁面加熱后，與腔內空氣對流換熱和外界輻射換熱量減少。

圖5 不同進口溫度集熱管各出口溫度分布Fig.5 Outlet temperature of cavity tube at different inlet temperature

圖6為 θcav=0°，Vw=0m/s，Ta=296K時，不 同進口溫度下熱損失量的變化規律。由圖可知：進口溫度越接近環境溫度，集熱管內的工質熱損失越小，反之熱損失變大；Tin=353K時腔體熱損失量是303K時的6.9倍，其原因是進口溫度越高，與環境的溫差越大，輻射和對流換熱明顯，以此形式損失的熱量越多。

圖6 進口溫度對腔體接收器熱損失的影響Fig.6 Effect of inlet temperature on cavity heat loss

3.2 不同風速對腔體接收器的影響

在實際運行過程中，外界環境多變，尤其風速的瞬態變化較為復雜。根據該地區氣象數據，對全年風速進行統計分析，全年多數時間風速在3m/s以 下，故 本 節 選 取Vw=0.8，1.5，3m/s，θcav=30°，Tin=353K作為工況，其他參數保持不變，研究環境風速對腔體接收器內部流場及集熱管熱損失的影響。截取集熱管出口處腔體剖面作為研究對象，采用集熱管內溫度場、管外速度場的形式分析不同風速對腔內氣流及集熱管傳熱的影響。圖7為Vw=0.8，1.5，3m/s時的腔體剖面圖。截面管內顯示為工質溫度云圖，其溫度梯度見圖左顯示，管外腔內顯示為流場速度云圖，其速度梯度見圖右顯示。由圖可知：當 θcav=30°橫風掃過腔體時，均在腔體內部產生擾流，且隨著風速的增大，管5～7受影響程度逐漸增大；當Vw=3m/s時，腔內氣流擾動程度最明顯，腔內擾流速度最大達到了1.816 m/s。

圖7 風速為0.8，1.5，3m/s腔體剖面圖Fig.7 Section map of the cavity with wind speed of 0.8，1.5，3m/s

圖8為風速對各管出口溫度的影響趨勢。由圖可知，O5～O7較其他管出口溫度下降的趨勢更加明顯，斜率較大，受擾流影響程度隨橫風風速的增加越發明顯，即管5～7對腔內擾流更加敏感。其中Vw=3m/s時，O4的出口溫度最高，原因是腔體頂部是曲面結構，風速較高時，氣流繞過管4，使得管4受擾流影響程度較其他管減弱，而管5～7受到空氣強制對流導致熱損失逐漸增大。此規律可對后續腔體內部集熱管優化排列提供依據。

圖8 風速對各集熱管出口溫度的影響Fig.8 Effect of wind speed on outlet temperature of each tube

圖9為不同風速對腔體接收器的影響實驗現場。在 θcav=30°，Tin=353K的條件下進行實驗測試，得到不同風速對腔體接收器的實驗數據及模擬數據對比結果，如圖10所示。由圖可知，模擬和實驗的腔體接收器熱損失量均隨著風速的增大而增大，當Vw=0.8m/s時，實驗和模擬熱損失量分別為78W和86.6W，相對誤差為9.9%。隨著風速增大，實驗和模擬值的相對誤差有一定的增加，但兩者的平均相對誤差在15%以內，論證了該模擬工作的可靠性。熱損失增大的原因是腔體接收器的采光孔處無蓋板，腔內空氣被外界氣流擾動，形成渦流，且風速越大對腔體內空氣的擾動越劇烈，渦流波及范圍越廣，對各集熱管壁面起到強制對流作用越明顯，故其熱散失增強，熱損失增大。

圖9 實驗現場Fig.9 Experimental site

圖10 不同風速對熱損失的影響Fig.10 Effect of wind speed on cavity heat loss

3.3 不同腔體傾角對腔體接收器的影響

根據腔體接收器應用于槽式聚光集熱系統的運行特性，傾角也是腔體熱性能的重要影響因素之 一。本 節 選 取Vw=3m/s，Tin=353K，θcav=0°，30°，60°，90°，其他參數保持不變，研究不同腔體傾度對腔內氣流及集熱管傳熱的影響。

圖11為穩態狀態下不同傾角腔體剖面圖。由圖可知：當 θcav=30°時，腔內形成回旋渦流，氣流擾動劇烈；當 θcav=90°時，腔內基本無擾流；當 θcav=60°時，腔內擾流最大速度達到2.039m/s。腔內的最大氣流擾動速度出現在腔體右下角，其原因是環境風向和腔體倒梯形結構共同作用，當 θcav＜90°時，腔體右下邊將來風阻擋，橫風和腔體右下壁面碰撞，速度和方向均發生變化。

圖11 不同傾角腔體出口剖面圖Fig.11 Sectional map at different tilt angle of cavity

圖12為不同傾角下各管出口溫度曲線圖。當θcav=0°時，O1～O4溫 度 持 續 下 降，在O4處 達 到 最 低溫度340.977K，O5～O7溫度呈上升趨勢，并在O7處達到最高溫度349.571K，單管熱損失最小為7.5W。當 θcav=30°和60°時，O4～O7溫 度 損 失 明 顯，其中 θcav=30°時O7最低溫度為331.838K，單管熱損失最大為46.33W，管7在 θcav=30°時的熱損失是 θcav=0°時 的7倍。

圖12 不同傾角對腔體集熱管出口溫度的影響Fig.12 Outlet temperatureat of tube at different tilt angle of cavity

圖13為不同腔體傾角對熱損失的影響。由圖可知，腔體接收器在 θcav=0～90°時總熱損失均呈先上升后下降的趨勢，當 θcav=0°時熱損失最小，θcav=30°左右時熱損失達到峰值。因模擬中風向一定，當 θcav=0～30°時，橫風進入腔體內產生渦流，強制對流導致熱量快速流失；當 θcav=60～90°時，腔體內部擾流不明顯，氣流與集熱管間的強制對流減弱，被氣流帶走的熱量減小，熱損失也隨之變小。當 風 速 為1.5m/s，Tin=353K時，θcav=90°產 生的熱損失是0°時的12倍。因此當 θcav=0～30°時，風速對腔體內集熱管傳熱性能影響更為明顯，令采光孔朝下可有效抑制對流熱損失。

圖13 不同腔體傾角對熱損失的影響Fig.13 Effect of tilt angle on cavity heat loss

為了研究 θcav=60～90°時腔內擾流不明顯，致使腔體熱損失下降的原因，以 θcav=90°為研究對象，由圖11可知，該傾角下的各管出口溫度較為均勻，其壓力、溫度、速度云圖見圖14。由圖14（a）可知，當整個計算域處在穩態時，腔內氣壓是環境氣壓的11倍，遠大于外界環境氣壓；由圖14（b）可知，腔內集熱管散發的熱量在腔內積聚，無法通過強制對流被橫風帶走；由圖14（c）可知，腔內空氣流動速度幾乎為零。

圖14 計算域壓力、溫度、速度云圖Fig.14 Section map of pressure,temperature,velocity in computational domain

由于腔體模型除采光孔外密閉性極好，所以當 θcav=0～30°時采光孔即為泄壓孔。隨著采光孔迎風面積的增加，采光孔逐漸失去卸載腔內氣壓的作用，腔內氣體由于氣壓過高，形成氣體屏障，將來流擋在腔外。外界氣流在腔內無法產生擾動，導致 θcav=60～90°時腔內擾流不明顯，腔體熱損失下降。

4 結論

本文采用多場耦合分析的方法，模擬研究了一種倒梯形腔體接收器腔體結構對內部集熱管傳熱性能及不同因素對其熱損失性能的影響，得到以下結論。

①無風時，各管出口溫度的變化趨勢與腔體倒梯形結構相吻合，均為兩邊高，中間低。進口溫度越接近環境溫度，集熱管內的工質熱損失越小，Tin=353K時腔體熱損失量是303K時的6.9倍。

②θcav=30°，Tin=353K時，不同風速掃過腔體，均在內部產生擾流，且在風速較高時氣流繞過中間管，使中間管受擾流影響程度逐漸減小，管5～7較管1～4受風速影響溫度變化更加明顯。Vw=3.0 m/s時的熱損失量是0.8m/s時的2.8倍。

③在腔體變傾角研究中，因環境域風向和腔體倒梯形結構的共同作用，腔內的最大氣流擾動速度均出現在腔體右下角。當 θcav=0～90°時腔體接收器的總熱損失均呈先上升后下降，θcav=0～30°時，風速對腔體內集熱管傳熱性能影響更為明顯。Tin=353K，Vw=1.5m/s時，θcav=90°產 生 的 熱 損 失 是0°時的12倍，故令采光孔朝下可有效抑制對流熱損失。