自然對流對吸熱管內(nèi)熔鹽對流傳熱的影響

沈向陽 丁靜 陸建峰

摘 要：以熔鹽為傳熱工質(zhì)，對考慮熔鹽自然對流情況下吸熱管內(nèi)傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：同一Re數(shù)，吸熱管內(nèi)各熔鹽入口溫度的下側(cè)Nu數(shù)大于上側(cè)Nu數(shù)，熔鹽入口溫度越高Nu數(shù)越小，其管內(nèi)下、上側(cè)Nu數(shù)的差值越大。隨著吸熱管向上角度的增加，管內(nèi)下側(cè)Nu數(shù)逐漸減小，上側(cè)Nu數(shù)逐漸增加，但各吸熱管的平均Nu數(shù)基本一致。

關(guān) 鍵 詞：吸熱管；自然對流；熔鹽；對流傳熱

中圖分類號：TQ 013 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1628-04

Effect of Natural Convection on Convective Heat Transfer in a Receiver Tube

SHEN Xiang-yang1，DING Jing2，LU Jian-feng2

（1. College of Mechannical & Electrical Engineering， Zhongkai University of Agriculture and Engineering ， Guangdong Guangzhou 510225，China； 2. School of Engineering， Sun Yat-sen University， Guangdong Guangzhou 510006，China）

Abstract： The effect of molten salt natural convection on convective heat transfer in a receiver tube was simulated. The simulated results show that the Nusselt number of receiver tube downside part is higher than that of upside part at the same Reynolds number with different inlet temperature， the Nusselt number decreases with inlet temperature increasing， but the value difference between Nusselt number downside part and upside part increases. The Nusselt number of receiver tube downside part reduces with upward angle increasing， but that of the upside part increases， and the average Nusselt number in receiver tube is almost equal.

Key words： Receiver tube； Natural convection； Molten salts； Convective heat transfer

熔鹽自然對流是由熔鹽密度變化引起的，管內(nèi)熔鹽入口溫度及吸熱管放置方式一定時，引起熔鹽密度變化的因素是熔鹽溫度變化，溫差引起熔鹽密度梯度在重力作用下所帶來的浮升力不能忽略。吳玉庭等[1]以LiNO3熔鹽為工質(zhì)研究了在過渡流區(qū)（Re=4 100～9 850）范圍內(nèi)圓管的傳熱特性，并獲得傳熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。但是沒有考慮自然對流對過渡流區(qū)傳熱的影響。何石泉等[2]實(shí)驗(yàn)研究了熔鹽向上流過豎直環(huán)形通道截面的對流傳熱特性（Re=2 500

～12 000），傳熱系數(shù)計算時考慮了浮升力的影響，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了Nu數(shù)比（混合對流Nu數(shù)比強(qiáng)制對流Nu數(shù)）與浮升力參數(shù)的關(guān)聯(lián)式。陳聰[3]對單側(cè)加熱水平方管內(nèi)熔鹽（Hitec熔鹽）混合對流傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，對局部Nux數(shù)隨無量綱長度y/d（管長/管徑）的變化關(guān)系及加熱位置對Nux數(shù)的影響進(jìn)行了探討。此外，李隆鍵等[4]數(shù)值研究了螺旋管內(nèi)考慮自然對流影響的湍流對流傳熱特性，得出自然對流顯著提高了周向最大與最小局部Nu數(shù)的偏差。

迄今為止，仍未發(fā)現(xiàn)考慮自然對流影響的圓管內(nèi)熔鹽對流傳熱研究。本文數(shù)值研究了熔鹽溫度及吸熱管放置位置對考慮自然對流的吸熱管內(nèi)傳熱影響，得到考慮熔鹽自然對流情況下吸熱管放置位置及熔鹽入口溫度對吸熱管傳熱性能的影響規(guī)律。

1 吸熱管內(nèi)流動與傳熱模型

1.1 幾何模型

本文研究的對象是長度為L，直徑為d的吸熱圓管，傳熱工質(zhì)為熔鹽，考慮自然對流的吸熱管外壁均勻熱流，其對稱面為y=0平面，簡化模型如圖1，模擬時管長取1 300 mm，管徑為Φ20 mm×2 mm。

圖1 吸熱管物理模型

Fig.1 Physical model of receiver tube

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文采用k-ε三維湍流模型方程[5]，為了簡化問題，做如下假設(shè)：

（1）吸熱管內(nèi)熔鹽滿足牛頓內(nèi)摩擦定律，為牛頓流體；

（2）吸熱管內(nèi)熔鹽流動為穩(wěn)態(tài)湍流；

（3）管內(nèi)熔鹽在周圍壁面上滿足無滑移邊界條件；

（4）流體不可壓；重力作用在負(fù)y方向上，浮升力中計及了密度變化的影響。

通過以上假設(shè)，在自然對流中，浮升力的影響局限于動量守恒方程，質(zhì)量、能量守恒方程和強(qiáng)制對流一樣，因此吸熱管內(nèi)流動與傳熱的控制方程如下：

質(zhì)量守恒方程

（1）

動量守恒方程

（2）

（3）

（4）

能量守恒方程

由圖6可知，吸熱管熔鹽入口溫度tin=300 oC，不同放置方式，同一Re數(shù)，豎直向上放置吸熱管內(nèi)兩側(cè)Nu數(shù)基本一致，其它吸熱管內(nèi)下側(cè)Nu數(shù)均大于上側(cè)Nu數(shù)。各吸熱管內(nèi)下側(cè)Nu數(shù)關(guān)系為：水平放置>向上45 o>向上60 o>向上90 o；各吸熱管上側(cè)Nu數(shù)關(guān)系為：水平放置<向上45 o<向上60 o<向上90 o，即隨著吸熱管向上角度的增加，管內(nèi)下側(cè)Nu數(shù)逐漸減小，上側(cè)Nu數(shù)逐漸增加，原因是吸熱管受熱時，浮升力促使管內(nèi)熔鹽豎直向上運(yùn)動，水平放置的下側(cè)熔鹽豎直向上到達(dá)管內(nèi)主流距離最短，且隨著吸熱管向上角度的增加，熔鹽浮升力引起的豎直向上到達(dá)管內(nèi)主流距離逐漸增大。水平放置時，由于浮升力影響，上側(cè)熔鹽豎直向上遠(yuǎn)離管內(nèi)主流，使得管內(nèi)上側(cè)Nu數(shù)減小，且隨著吸熱管向上角度的增加，上側(cè)熔鹽豎直向上遠(yuǎn)離主流的影響越來越小。

（a） 下側(cè)和豎直放置側(cè)面管內(nèi)Nu數(shù)

（b） 上側(cè)和豎直放置側(cè)面管內(nèi)Nu數(shù)

圖6 下側(cè)、上側(cè)和豎直放置側(cè)面管內(nèi)Nu數(shù)

Fig.6 Downside part， upside part and lateral Nusselt numbers

圖7 吸熱管內(nèi)平均Nu數(shù)

Fig.7 Average Nusselt number in receiver tube

由圖7可知，吸熱管熔鹽入口溫度tin=300 oC，同一Re數(shù)，不同放置方式的各吸熱管平均Nu數(shù)基本一致。因此，熔鹽浮升力引起的自然對流對吸熱管上下側(cè)傳熱影響可抵消。

熔鹽流速uin=0.5 m/s，吸熱管水平放置和豎直放置時，x=0.65 m，z=0 m，y=-0.01～0.01 m直線上的速度大小uav如圖8。由圖8可知，吸熱管豎直放置管內(nèi)中心下側(cè)點(diǎn)和中心上側(cè)對稱點(diǎn)的速度大小基本一致，因此豎直向上放置管內(nèi)兩側(cè)Nu數(shù)基本一致。同一y值，吸熱管水平放置的管內(nèi)中心下側(cè)流速大于豎直放置的管內(nèi)單側(cè)流速，水平放置的管內(nèi)中心上側(cè)流速小于豎直放置的管內(nèi)單側(cè)流速，因此同一Re數(shù)，吸熱管水平放置的管內(nèi)下側(cè)Nu數(shù)大于豎直放置的側(cè)面管內(nèi)Nu數(shù)，水平放置的管內(nèi)上側(cè)Nu數(shù)小于豎直放置的側(cè)面管內(nèi)Nu數(shù)。

圖8 x=0.65 m，z=0 m，y=-0.01-0.01 m直線上的速度大小Fig.8 The velocity of line x=0.65 m，z=0 m，y=-0.01-0.01 m

3 結(jié) 論

采用k-ε湍流模型對考慮熔鹽自然對流情況下吸熱管內(nèi)傳熱進(jìn)行了模擬，得到如下結(jié)論：

（1）同一Re數(shù)，吸熱管內(nèi)各熔鹽入口溫度的下側(cè)Nu數(shù)大于上側(cè)Nu數(shù)，熔鹽入口溫度越高Nu數(shù)越小，其管內(nèi)下、上側(cè)Nu數(shù)的差值越大。熔鹽入口溫度相同，管內(nèi)下側(cè)Nu數(shù)與上側(cè)Nu數(shù)的差值隨Re數(shù)增加逐漸減小。

（2）隨著吸熱管向上角度的增加，管內(nèi)下側(cè)Nu數(shù)逐漸減小，上側(cè)Nu數(shù)逐漸增加，但各吸熱管的平均Nu數(shù)基本一致。

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