槽式太陽(yáng)能DSG系統(tǒng)集熱管內(nèi)強(qiáng)化傳熱的數(shù)值模擬

閆偉偉， 葛仕福， 李 揚(yáng)

（東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210096）

太陽(yáng)能熱發(fā)電是當(dāng)前研究的重點(diǎn)課題，包括槽式、塔式和碟式3種發(fā)電形式，其中槽式集熱發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量最大、效率較高，已具有商業(yè)化規(guī)模且技術(shù)要求相對(duì)較低，是一種比較理想的熱發(fā)電技術(shù)．槽式發(fā)電分為單回路系統(tǒng)和雙回路系統(tǒng)2種形式，單回路系統(tǒng)直接加熱水產(chǎn)生蒸汽帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，為直接產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)（Direct Steam Generator，DSG），簡(jiǎn)稱 DSG技術(shù)［1－2］．單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，并且省去了工質(zhì)導(dǎo)熱油而直接加熱蒸汽，提高了系統(tǒng)發(fā)電效率，也減輕了環(huán)境污染，是槽式發(fā)電的新方向．然而，DSG技術(shù)也有不足之處，如成本過(guò)高、受環(huán)境影響較大和工質(zhì)溫度的提高受到限制［3］等．由于DSG系統(tǒng)直接產(chǎn)生蒸汽，過(guò)程控制較復(fù)雜，尤其是蒸汽過(guò)熱段，傳熱惡化和管壁溫度飛升，過(guò)高的管壁溫度既降低了管子和涂層的使用壽命，又增大了涂層發(fā)射率，使得整體效率降低，這是當(dāng)前面臨的困難和應(yīng)解決的問(wèn)題．

筆者采用數(shù)值模擬方法，利用內(nèi)螺紋強(qiáng)化管內(nèi)換熱，提高蒸汽側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)，降低管壁溫度．針對(duì)內(nèi)螺紋管強(qiáng)化傳熱在太陽(yáng)能真空集熱器內(nèi)的應(yīng)用研究還比較少，對(duì)于管內(nèi)蒸汽側(cè)的換熱，如果選擇合適的內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)流傳熱系數(shù)將有較大的提高，同時(shí)流體阻力增加不大［4－6］，并且內(nèi)螺紋管制作簡(jiǎn)單，安裝方便，這對(duì)于DSG的強(qiáng)化傳熱有重要意義．因此，有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究，解決DSG技術(shù)中管壁溫度過(guò)高、工質(zhì)溫升困難的問(wèn)題，為DSG技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展開拓路徑．

1 實(shí)驗(yàn)裝置

槽式太陽(yáng)能DSG熱發(fā)電系統(tǒng)主要是借助槽形拋物面聚光器將太陽(yáng)光聚焦反射到集熱管上，然后將水加熱成蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電．真空集熱管內(nèi)管為不銹鋼管，表面敷設(shè)光譜選擇性吸收涂層，外罩玻璃罩，環(huán)形空間抽真空，以減少熱量的流失．DSG槽式集熱器主要由反光鏡、集熱管、跟蹤系統(tǒng)和支架組成，實(shí)驗(yàn)裝置見圖1．整個(gè)集熱器采用單軸跟蹤控制系統(tǒng)，南北軸水平放置，設(shè)備參數(shù)見表1．

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig．1 Schematic diagram of the experimental setup

表1 集熱器的物理參數(shù)Tab．1 Physical parameters of the collector

2 數(shù)學(xué)模型

采用Fluent軟件建立實(shí)驗(yàn)裝置的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值模擬．模型管長(zhǎng)4m和0．5m，其中，4m的是與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比的模型管，0．5m的是詳細(xì)模擬分析的模型管，內(nèi)徑均為60mm，管內(nèi)工質(zhì)為過(guò)熱蒸汽，采用耦合隱式求解器，選用定常流動(dòng)，網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格．采用k－ε湍流計(jì)算模型，對(duì)壁面附近的區(qū)域采用二層模型的壁面函數(shù)法．在較短時(shí)間內(nèi)，可認(rèn)為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不變，則周向熱流密度可設(shè)為定值．由于玻璃罩內(nèi)為高真空，對(duì)流和導(dǎo)熱損失很少，可以忽略，因此可對(duì)內(nèi)部鋼管建立傳熱模型，以恒定熱流為壁面邊界條件，管內(nèi)為充分發(fā)展湍流，分別對(duì)光管（編號(hào)0）和內(nèi)螺紋管進(jìn)行數(shù)值模擬．內(nèi)螺紋管結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2，其中d為內(nèi)徑，p為螺距，e為螺紋高度，螺紋寬度與高度取值一致．

表2 內(nèi)螺紋管的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab．2 Structural parameters of the internally ribbed tube

由于過(guò)熱水蒸氣為可壓縮氣體，入口邊界采用質(zhì)量入口，出口邊界為壓力出口，壁面熱流邊界條件采用王亞龍［7］對(duì)吸收管熱流密度分布的光學(xué)模擬結(jié)果．模擬太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為500W／m2的實(shí)驗(yàn)工況，吸收管表面熱流密度分布如圖2所示，其中正對(duì)太陽(yáng)的主光軸位置為0°，角度變化方向?yàn)槟鏁r(shí)針．模型不考慮重力作用，在同一工況模擬管段范圍內(nèi)假定蒸汽物理性質(zhì)不變．

圖2 吸收管周向熱流密度分布Fig．2 Circumferential distribution of energy flux density in the absorption tube

3 模擬結(jié)果與分析

3．1 模型的驗(yàn)證

首先對(duì)光管進(jìn)行數(shù)值模擬，將所得努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)f與經(jīng)驗(yàn)公式（1）和公式（2）的計(jì)算結(jié)果［8］進(jìn)行對(duì)比（見圖3）．從圖3可以看出，采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型對(duì)光管進(jìn)行模擬的結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果較為吻合，Nu和f的最大誤差分別為6．7%和12．7%，因此，在理論上該計(jì)算模型準(zhǔn)確可靠．

圖3 Nu、f與Re的關(guān)系Fig．3 Relationship of Nuand drag coefficient with Re

再對(duì)數(shù)值模擬所得光管的管壁溫度與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖4．由圖4可知，模擬值和實(shí)驗(yàn)值變化趨勢(shì)相近，實(shí)驗(yàn)值略大于模擬值，二者之間的誤差在合理范圍內(nèi)，從而驗(yàn)證了模型在實(shí)際應(yīng)用中是準(zhǔn)確可靠的．

圖4 光管平均管壁溫度模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比Fig．4 Comparison of average tube wall temperature between simulated and experimental results

3．2 內(nèi)螺紋管的傳熱特性

對(duì)表2中9種不同尺寸的內(nèi)螺紋管在Re為30 000～100 000區(qū)間內(nèi)的工況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到其傳熱特性以及每根管子Nu與Re的關(guān)系曲線，并與光管的結(jié)果進(jìn)行比較（見圖5）．

從圖5可以看出，內(nèi)螺紋管的傳熱特性明顯優(yōu)于光管，二者的Nu比值在1．6～2．4內(nèi)，并且隨著Re的增大而增大．這是由于內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了蒸汽擾動(dòng)，主要是壁面螺紋凸肋使邊界層發(fā)生分離，降低其厚度從而增強(qiáng)了管壁與蒸汽之間的換熱，當(dāng)流速增大時(shí)，擾動(dòng)和換熱也大大增強(qiáng)．此外，當(dāng)螺距不變，螺紋高度增加時(shí)，Nu逐漸增大；當(dāng)螺紋高度一定，螺距變大時(shí)，Nu則隨之減?。@是因?yàn)槁菁y高度增加，對(duì)近壁面流體滯止作用增強(qiáng)，流體在黏性作用和壁面滯止作用的復(fù)合影響下，不斷減速，邊界層與壁面發(fā)生脫離而破壞了邊界層層流底層．因此，螺紋高度越高、螺距越小，對(duì)邊界層的破壞作用就越明顯，傳熱特性也就越好．由圖5可知，3號(hào)內(nèi)螺紋管螺距最小、螺紋高度最高，傳熱特性最好，其Nu是光管的2～2．4倍．

圖5 內(nèi)螺紋管Nu與光管Nu0的比值隨Re的變化Fig．5 Variation of the Nu／Nu0ratio with Re

3．3 內(nèi)螺紋管的流動(dòng)阻力特性

對(duì)表2中9種不同尺寸的內(nèi)螺紋管進(jìn)行數(shù)值模擬，得到其流動(dòng)阻力特性，作出f與Re的關(guān)系曲線，并與光管的f0進(jìn)行了比較，結(jié)果見圖6．從圖6可以看出，內(nèi)螺紋管管內(nèi)流動(dòng)阻力系數(shù)遠(yuǎn)大于光管，二者阻力系數(shù)的比值在3．1～8．7內(nèi)，且隨著Re的增大而增大．內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)增加了擾動(dòng)，自然也就增大了流體流動(dòng)阻力，與增強(qiáng)換熱的有利作用相悖，螺紋高度越高、螺距越小，則在增強(qiáng)換熱的同時(shí)阻力系數(shù)增加得也越多．從圖6還可看出，3號(hào)內(nèi)螺紋管螺距最小、螺紋高度最高，因此阻力系數(shù)最大，其f是光管的6．6～8．7倍；7號(hào)內(nèi)螺紋管螺距最大、螺紋高度最低，阻力系數(shù)最小，其f是光管的3．1～3．8倍．

圖6 內(nèi)螺紋管f與光管f0的比值隨Re的變化Fig．6 Variation of the f／f0ratio with Re

3．4 綜合性能評(píng)價(jià)及最優(yōu)結(jié)構(gòu)

綜上所述可知，傳熱特性好的內(nèi)螺紋管其阻力系數(shù)也大，對(duì)于采用內(nèi)螺紋管加強(qiáng)管內(nèi)換熱的措施是否有經(jīng)濟(jì)效益，筆者采用綜合性能評(píng)價(jià)參數(shù)w［9］來(lái)比較不同結(jié)構(gòu)參數(shù)內(nèi)螺紋管的綜合性能，若w＞1說(shuō)明有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，且w越大，綜合性能越好．w的表達(dá)式如下：

圖7給出了9種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的內(nèi)螺紋管w隨Re的變化．從圖7可以看出，各螺紋管的w均大于1，處于1．7～3．2之間，且隨著Re的增大而增大．由此可見，采用內(nèi)螺紋管強(qiáng)化換熱具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，并且在高Re區(qū)域效益更好．從圖7還可知，螺距一定時(shí)，螺紋高度的增加會(huì)降低綜合性能，而螺紋高度一定時(shí)，螺距對(duì)w的影響卻不一致．其中，1號(hào)內(nèi)螺紋管的綜合性能最好，其w為2．0～3．2，可見在本模擬中螺距為18mm、螺紋高度為2mm的1號(hào)內(nèi)螺紋管是最優(yōu)結(jié)構(gòu)．

圖7 不同結(jié)構(gòu)的內(nèi)螺紋管w的比較Fig．7 Comparison of wamong internally ribbed tubes with different structural parameters

圖8給出了1號(hào)內(nèi)螺紋管與光管的管壁平均溫度和最大管壁溫差．從圖8可以看出，1號(hào)內(nèi)螺紋管管壁平均溫度比光管低36～66K，1號(hào)內(nèi)螺紋管管壁最大溫差為43～125K，光管的管壁最大溫差為107～239K．可見，內(nèi)螺紋管在降低管壁溫度和減小管壁溫差方面作用十分顯著．最大管壁溫差的減小，可以減輕管子的熱應(yīng)力變形，增加真空集熱管壽命；管壁溫度的降低可大大減小涂層發(fā)射率、增強(qiáng)涂層的穩(wěn)定性和壽命．因此，采用內(nèi)螺紋管強(qiáng)化槽式太陽(yáng)能DSG真空集熱管管內(nèi)蒸汽換熱具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值，可進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究和開發(fā)利用．

圖8 內(nèi)螺紋管與光管管壁平均溫度和最大管壁溫差的比較Fig．8 Comparison of average wall temperature and maximum wall temperature difference between internally ribbed tube and smooth tube

4 結(jié) 論

（1）采用Fluent軟件能很好地模擬蒸汽在內(nèi)螺紋管內(nèi)的傳熱特性與流動(dòng)阻力特性，并能得到比較準(zhǔn)確的管壁溫度數(shù)值．

（2）內(nèi)螺紋管的傳熱特性明顯優(yōu)于光管．內(nèi)螺紋管的Nu是光管的1．6～2．4倍，且螺紋高度越高、螺距越小，Nu就越大，其中3號(hào)內(nèi)螺紋管的傳熱特性最好．

（3）螺紋對(duì)管內(nèi)蒸汽的擾動(dòng)作用增加了流動(dòng)阻力，螺紋管的f是光管的3．1～8．7倍，且螺紋高度越高、螺距越小，f就越大，3號(hào)內(nèi)螺紋管的f最大，7號(hào)內(nèi)螺紋管的f最小．

（4）采用內(nèi)螺紋管強(qiáng)化蒸汽換熱具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值．其中，1號(hào)內(nèi)螺紋管的綜合性能最好，其w 為2．0～3．2，是最優(yōu)結(jié)構(gòu)．

（5）由1號(hào)內(nèi)螺紋管和光管的管壁平均溫度和最大管壁溫差的比較可知，內(nèi)螺紋管能夠大幅度降低管壁溫度，有效減小最大管壁溫差．

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