不同輻射加熱模型對吸熱管傳熱性能與應(yīng)力的影響研究

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

近年來,太陽能熱發(fā)電技術(shù)得到了較快發(fā)展[1-3]。熔鹽塔式太陽能熱發(fā)電是太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域中的一種重要技術(shù)[4-8],在吸熱塔周圍布置大量反射鏡,將位于中央吸熱塔頂?shù)娜埯}吸熱器吸收鏡場反射的太陽能轉(zhuǎn)換為熔鹽的內(nèi)能,通過換熱器將熱量傳遞至高溫高壓水蒸氣,供汽輪機發(fā)電。熔鹽吸熱器一般采用外置柱式結(jié)構(gòu),由一定數(shù)量的吸熱管組成。太陽光照射在吸熱管外壁,熔鹽在吸熱管內(nèi)流動換熱,從而吸收太陽能。在吸熱器設(shè)計過程中,需要對吸熱管的換熱特性和應(yīng)力情況進(jìn)行計算校核。通常采用管槽內(nèi)強制對流換熱模型和圓筒壁熱應(yīng)力計算模型,其邊界條件為均勻熱流或均勻壁溫[9]。而在實際運行過程中,吸熱管單側(cè)受光,熱流和溫度分布并不均勻。可見,采用傳統(tǒng)計算方法得到的結(jié)果會與實際工況存在一定差異,而最高溫度和最大應(yīng)力對吸熱器的壽命和安全性有重要影響。

筆者結(jié)合熔鹽外置柱式吸熱器的運行工況,建立三種輻射加熱模型,通過數(shù)值模擬的方法,對比三種輻射加熱模型中吸熱管壁面溫度和應(yīng)力分布的差異,研究吸熱管壁面溫度和應(yīng)力分布隨管內(nèi)熔鹽流速的變化規(guī)律,為熔鹽吸熱器的設(shè)計提供參考。

2 輻射加熱模型

輻射加熱模型中,吸熱管長為1.2 m,外徑為20 mm,壁厚為1.2 mm。吸熱管材料為Incoloy825合金,密度為8 100 kg/m3。比熱容Cpi和熱導(dǎo)率λi分別為:

Cpi=357.447 51+0.272 98T

(1)

λi=5.865 68+0.016 56T

(2)

式中:T為材料的熱力學(xué)溫度,K。

管內(nèi)熔鹽為由60%硝酸鈉和40%硝酸鉀組成的二元鹽,其密度ρ、動力黏度μ、比熱容Cps、熱導(dǎo)率λs依次可按式(3)、式(4)、式(5)和式(6)[10]計算。吸熱管處于豎直狀態(tài),熔鹽從下端進(jìn)入,上端流出,進(jìn)口溫度為563.15 K。

ρ=2 090-0.636(T-273.15)

(3)

μ=[22.714-0.12(T-273.15)+2.281

×10-4×(T-273.15)2-1.474

×10-7×(T-273.15)3]/1 000

(4)

Cps=1 443+0.172(T-273.15)

(5)

λs=0.443+0.0001 9(T-273.15)

(6)

三種輻射加熱模型如圖1所示。平行光輻射加熱模型中,光線平行照射在吸熱管上,垂直于吸熱管軸向,吸熱管受光面輻照強度呈余弦分布,背光面絕熱。垂直光輻射加熱模型中,光線垂直于吸熱管外壁,吸熱管受光面輻照強度均勻分布,背光面絕熱。全周輻射加熱模型中,光線垂直于吸熱管外壁,輻照強度均勻分布,這是傳統(tǒng)均勻熱流計算方法常用的模型。平行光輻射加熱模型和垂直光輻射加熱模型可統(tǒng)稱為半周輻射加熱模型。

圖1 輻射加熱模型示意圖

應(yīng)用CFX軟件和ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬時,做如下假設(shè):① 吸熱管向外輻射散熱,吸熱管與空氣不發(fā)生熱對流;② 三種輻射加熱模型中,吸熱管接收的總輻射能相同,且沿軸向分布均勻;③ 吸熱管內(nèi)流動為穩(wěn)態(tài)流動;④ 吸熱管處于自由狀態(tài),無固定約束;⑤ 考慮熔鹽的重力影響。平行光輻射加熱模型中,輻射能流密度為500cosθkW/m2,θ為輻射體表面法向與選定方向間的夾角。垂直輻射加熱模型中,輻射能流密度為500×2/π kW/m2。全周輻射加熱模型中,輻射能流密度為500×1/π kW/m2。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

熔鹽流速為3 m/s時,吸熱管軸向中點處截面的溫度分布如圖2所示。由圖2可以看出,平行光輻射加熱時,吸熱管上最高溫度點位于管外壁迎光側(cè)中點處,最低溫度點位于背光側(cè)中點處,這主要是由于平行光輻射加熱時,迎光側(cè)中點處接收到的能量最高。全周輻射加熱時,吸熱管壁溫呈環(huán)狀均勻分布,溫度沿外壁面向內(nèi)壁面降低。

圖2 吸熱管截面溫度分布

三種輻射加熱模型下,吸熱管壁面最高和最低溫度隨熔鹽流速變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可以看出,半周輻射加熱時,吸熱管壁面溫度最高值隨熔鹽流速的加快而降低,溫度最低值則幾乎保持不變。平行光輻射加熱時的吸熱管壁面最高溫度高于垂直光輻射加熱時,但兩者的變化趨勢相近。全周輻射加熱時,吸熱管壁面溫度最高值和最低值都隨熔鹽流速的加快而降低。

圖3 吸熱管壁面溫度隨熔鹽流速變化規(guī)律

熔鹽流速為2 m/s和4 m/s時,三種輻射加熱模型下吸熱管壁面最高溫度的對比如圖4所示。由圖4可以看出,吸熱管壁面最高溫度從高到低對應(yīng)的輻射加熱模型依次為平行光輻射加熱模型、垂直光輻射加熱模型、全周輻射加熱模型,平行光輻射加熱與全周輻射加熱時的最高溫度差值,熔鹽流速2 m/s時為96 ℃,熔鹽流速4 m/s時減小為68 ℃。

三種輻射加熱模型下,吸熱管內(nèi)外壁面最大溫差隨熔鹽流速的變化規(guī)律如圖5所示。由圖5可以看出,半周輻射加熱時,吸熱管內(nèi)外壁面最大溫差隨熔鹽流速的加快而減小。全周輻射加熱時,隨著熔鹽流速的加快,吸熱管內(nèi)外壁面最大溫差有所增大,但增大的幅度較小,這主要是由于吸熱管與熔融鹽的換熱性能提高,使管壁的熱擴(kuò)散通量變大,進(jìn)而使溫差略有增大。

圖4 吸熱管壁面最高溫度對比

圖5 吸熱管壁面最大溫差隨熔鹽流速變化規(guī)律

熔鹽流速為3 m/s時,吸熱管截面的應(yīng)力分布如圖6所示。由圖6可以看出,平行光輻射加熱時,熱應(yīng)力分布不均勻,最大應(yīng)力點位于管外壁受光側(cè)中點處。垂直光輻射加熱時,最大應(yīng)力點位于管外壁受光面兩側(cè)。全周輻射加熱時,熱應(yīng)力呈環(huán)向均勻分布,從外向內(nèi)先減小后增大,外側(cè)受拉應(yīng)力,內(nèi)側(cè)受壓應(yīng)力,最大應(yīng)力點位于管內(nèi)壁面。

圖6 吸熱管截面應(yīng)力分布

吸熱管上的應(yīng)力對吸熱器的使用安全性和壽命有重要影響,吸熱管壁最大應(yīng)力隨熔鹽流速的變化規(guī)律如圖7所示。由圖7可以看出,半周輻射加熱時,吸熱管上最大應(yīng)力隨熔鹽流速的加快而減小,且垂直光輻射加熱時的減小幅度更為明顯。全周輻射加熱時,吸熱管上最大應(yīng)力隨熔鹽流速的加快而略有增大。

熔鹽流速為2 m/s和4 m/s時,三種輻射加熱模型下吸熱管壁最大應(yīng)力對比如圖8所示。由圖8可以看出,吸熱管壁面最大應(yīng)力從大到小對應(yīng)的輻射加熱模型依次為平行光輻射加熱模型、垂直光輻射加熱模型、全周輻射加熱模型。平行光輻射加熱與全周輻射加熱時的最大應(yīng)力差,熔鹽流速2 m/s時為67 MPa,熔鹽流速4 m/s時,減小為62 MPa。

圖7 吸熱管壁最大應(yīng)力隨熔鹽流速變化規(guī)律

圖8 吸熱管壁面最大應(yīng)力對比

4 結(jié)論

半周輻射加熱時,吸熱管上溫度最大值位于受光側(cè)中點處,溫度最小值位于背光側(cè)中點處,溫度最高值隨熔鹽流速的加快而降低,溫度最低值變化較小。全周輻射加熱時,吸熱管上溫度沿橫截面均勻分布,溫度最高值位于管外壁受光側(cè),溫度最低值位于管內(nèi)壁,溫度最高值和最低值都隨熔鹽流速的加快而降低。吸熱管內(nèi)外壁面最大溫差和最大應(yīng)力變化趨勢一致,半周輻射加熱時,隨熔鹽流速的加快而減小;全周輻射加熱時,隨熔鹽流速的加快而略有增大。