一种碟式太阳能集热器的设计

一种碟式太阳能集热器的设计

0聚光太阳能系统的构成太阳能热能源技术主要有三种形式：渠道式、塔式和盘式。其中槽式太阳能热发电技术已经商业化运行,而塔式和碟式热发电技术仍处于试验和示范阶段。由于碟式聚光太阳能系统拥有聚光比高、结构简单、可模块化和适用于分布式能源利用等优势,它在许多高温热利用场合都有着广泛的应用前景。碟式聚光太阳能系统主要由许多镜子组成的旋转抛物面反射镜太阳能聚光器和放置在聚光器焦点处的腔式吸热器组成。太阳能聚光器利用自身的几何光学特性将低辐射热流密度的太阳能高倍聚光后,形成较高的辐射热流密度;安置在太阳能聚光器焦点处的腔式吸热器吸收高倍汇聚后的太阳能辐射。腔式吸热器内部流动的流体通过耦合换热的方式将太阳能转换为热能;腔式吸热器外表面敷盖有适当厚度的保温材料以保证吸热器腔体的工作温度和减少热损失。本文采用一种平顶锥形铜质螺旋管太阳能腔式吸热器,采用导热油(Synthem800)作为吸热器内部流动工质。由于聚集后的太阳能热流密度在吸热器壁面上的分布非常复杂,对于太阳能吸热器的热分析边界条件处理,国内外许多学者均采用均匀热流密度或等壁面温度条件。因此,本文利用CFD方法分析了均匀热流密度下螺旋管腔式吸热器温度场及内部流体的速度场和温度场分布,并采用间接热一结构耦合分析的方法进行热应力场分析。1几何模型和模拟方法1.1螺旋管腔式吸热器的控制方程螺旋管腔式吸热器几何模型如图1所示,螺旋管管排采用单螺旋的方式,吸热器的管排沿轴线紧密地盘绕成平顶锥形。螺旋管腔式吸热器的轴线为阿基米德螺旋线,其控制方程为:其中,t为0到1的变量;r为腔式吸热器的开口半径;q为螺旋线的圈数(q=10);h为螺旋线的高度(h=130mm)。螺旋管腔式吸热器的轴线总长度为5185.4mm,最底端为吸热器的流体入口处,螺旋管外径为12mm,内径为6mm。1.2边境条件在数值模拟过程中,假设流体物性和管壁材料物性不随温度变化,整个模型采用的边界条件如下:(1)界面的边界条件在螺旋管吸收器入口处,流体具有相同的入口流速,流体温度为环境温度;(2)出口边境条件螺旋管吸收器出口处采用压力出口边界条件;(3)内腔侧螺旋管外壁的边界条件为研究问题方便,假设整个吸热器内腔侧螺旋外管壁面受到聚光器高倍聚光后的均匀辐射热流密度,取聚光器的几何汇聚比为200,则:(4)旋转管的侧壁表面边界条件为保温层由于腔式吸热器外敷盖有保温层隔热,因此取保温层侧螺旋管外壁面的边界条件为绝热。1.3热应力分析网格螺旋管腔式吸热器模型的网格划分均采用商业软件ICEM在整个计算区域生成结构化O型网格,近壁面区域采用加密网格。为了更好的得到应力场分析精度,与用于CFD分析的螺旋体管道网格相比,在热应力分析过程中采用更加细密的螺旋体吸热器网格。用于CFD分析的螺旋管和内部流体网格总数为224375;用于热应力场分析的螺旋管网格为271257,如图2所示。在CFD分析中,采用有限容积法对控制方程进行求解,压力与速度方程耦合采用SIMPLE算法,湍流模型采用标准k-ε模型。由于在热一结构耦合分析过程中采用不同的网格划分模型,针对本文的问题只能采用间接耦合分析法:将CFD分析得到的网格节点温度插值到热应力分析的网格节点上,并将插值的温度场作为热应力场分析的输入载荷。由于在热应力场分析过程中没有采用任何的外部约束,因此,螺旋管吸热器的热应力是由于管壁上不均匀温度分布和螺旋管自身几何形状的约束(如:管道弯曲)所产生。2计算与分析2.1螺旋管腔内的温度分布图3所示为螺旋管腔式吸热器出口截面处的流体速度分布云图。如图所示,螺旋管腔式吸热器出口处流体流速分布非常不均匀。在不考虑近壁面区域的情况下,出口截面处的流体流速在靠近吸热器保温层侧的速度要高,出口截面处的流体流速最大值达到1.95m/s;流体流速的大小沿螺旋管半径方向向着吸热器内腔侧不断减小。产生这种现象的原因主要是由于管道内的流体在沿着螺旋管流动的过程中,受到离心力的作用而产生的。图4所示为螺旋管腔式吸热器出口截面处的温度场分布云图。由于吸热器内腔侧的螺旋管外壁面受到高倍聚光的太阳能辐射,在吸热器内腔侧的螺旋管壁面温度要比吸热器保温层侧的螺旋管壁面温度高,螺旋管壁面温度最高为590.17℃。靠近吸热器内腔侧的流体温度比靠近吸热器保温层侧的温度要高,最高温差达到16℃左右。这主要是由于两方面原因产生的:一是由于靠近吸热器内腔侧的螺旋管壁面温度高;二是由于在靠近吸热器保温层侧的流体流速较高,具有更好的换热性能。2.2螺旋管腔式吸热器热应力分析图5所示为螺旋管腔式吸热器出口截面处壁面上Von-Mises等效热应力分布云图。如图所示,VonMises等效热应力沿径向方向分布是先减小再增大,Von-Mises等效热应力最大值出现在靠近吸热器内腔侧的螺旋管内壁面处,最大值为4.61MPa。与材料铜的抗拉强度（σ=270MPa)相比,4.61MPa不会对螺旋管腔式吸热器的可靠性产生任何损害。值得注意的是,实际运行中吸热器的温度梯度变化更加剧烈,热应力更大。图6所示为螺旋管腔式吸热器出口截面处内壁面上的轴向、径向、切向和Von-Mises等效热应力沿圆周方向分布图。由图可知,轴向应力沿圆周方向呈现双峰分布,在θ=120°和θ=240°时分别达到轴向应力分布曲线的峰值,轴向应力的最大值为2.58MPa。径向和切向应力沿圆周方向均呈现为单峰分布,在θ=0°到θ=60°之间,径向应力和切向应力均表现为负值,随着角度的增大,径向应力和切向应力的大小逐渐趋向于0;在θ=60°左右时,径向和切向应力方向开始由负值转变为正值;在θ=180°时,径向和切向应力均达到曲线的峰值,分别为4.12MPa和5.44MPa。由Von-Mises等效应力理论可知切向应力对最大等效热应力影响最大,径向应力的影响次之,轴向应力的影响最小。因此,要提高吸热器的可靠性应设法降低螺旋管吸热器沿圆周方向的温度梯度。3受应力的螺旋管小波场-温度分布特性本文利用热一结构间接耦合的数值分析方法得到了螺旋管腔式太阳能吸热器的速度场、温度场和应力场分布,得出以下结论:(1)流体流速在靠近吸热器保温层侧的速度高,沿螺旋管半径方向向着吸热器内腔侧不断减小;靠近保温层侧的流体温度和壁面温度要低。(2)吸热器出口截面处的Von-Mises等效热应力沿径向方