槽式腔體接收器多場耦合熱性能模擬研究

王志敏，楊 暢，產(chǎn)文武，袁 拓，王海博

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)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(shù)已較為成熟[1]。槽式太陽能聚光集熱系統(tǒng)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(zhuǎn)化成熱能，通過熱傳遞的方式加熱接收器中的流動(dòng)工質(zhì)[2]。由槽式太陽能聚光集熱的工作原理可知，接收器的設(shè)計(jì)與選用對聚焦光線吸收與傳遞起到關(guān)鍵作用。

科研人員針對槽式系統(tǒng)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(yùn) 行 參數(shù)和環(huán)境參數(shù)對槽式接收器性能的影響，通過模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，驗(yàn)證了數(shù)值結(jié)果。Yilmaz I H[5]利用微分相關(guān)和非線性代數(shù)相關(guān)內(nèi)容建立了接收器光學(xué)和熱學(xué)模型，分析其在不同運(yùn)行條件下的性能特征。Huang X N[6]在傳統(tǒng)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(fā)現(xiàn)，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(guān)研究較多[8]，[9]，而對其他應(yīng)用領(lǐng)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(diǎn)，在中低溫領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)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(zhì)進(jìn)口溫度、外界環(huán)境風(fēng)速、傾角等參數(shù)進(jìn)行模擬研究，揭示該腔體接收器的熱損失規(guī)律以及該結(jié)構(gòu)對腔內(nèi)集熱管傳熱性能的影響，為優(yōu)化接收器結(jié)構(gòu)、提高接收器集熱性能提供理論基礎(chǔ)。

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(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 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(jié)構(gòu)參數(shù)Table1Parameters of cavity receiver

在腔內(nèi)傳熱過程中，集熱管簇通過導(dǎo)熱、對流以及輻射換熱將聚焦輻射能流由管外傳遞到管內(nèi)并被流動(dòng)工質(zhì)吸收帶走，同時(shí)集熱管壁能流主要通過對流和熱輻射的方式與腔內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換。腔內(nèi)空氣繼續(xù)通過腔體接收器的采光孔與外界環(huán)境以對流和熱輻射方式傳遞，同時(shí)也會(huì)與腔內(nèi)反射壁面以導(dǎo)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(huán)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(jì)算

因本腔體結(jié)構(gòu)針對中低溫集熱的范疇所設(shè)計(jì)，其流動(dòng)工質(zhì)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(shí)接收器本體的熱損失模型作出以下假設(shè)：

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

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

③腔體接收器處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)起停時(shí)各部件的熱容不予考慮。

基于以上假設(shè)，可將整個(gè)過程歸結(jié)為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)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(jì) 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(nèi)工質(zhì)流動(dòng)的質(zhì)量流量，kg/s；Tin為腔體集熱管單管進(jìn)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(yīng)用DesignModel建立腔體接收器和環(huán)境域物理模型，采用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)不同工況將該模型的網(wǎng)格數(shù)控制在合理范圍內(nèi)。模擬采用計(jì)算流體力學(xué)ANSYS Fluent軟件，選取穩(wěn)態(tài)的基于壓力法的求解器，設(shè)置操作條件進(jìn)行模擬。

2.1 流場域確定及網(wǎng)格劃分

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

2.2 模型及邊界條件設(shè)置

模擬中，研究變量包括流動(dòng)工質(zhì)進(jìn)口溫度Tin、環(huán)境風(fēng)速Vw和腔體接收器開口面與水平地面夾角 θcav。在流動(dòng)工質(zhì)流量和環(huán)溫一定的情況下，通過設(shè)置Tin，θcav和Vw，探究在不同工況下該腔體接收器結(jié)構(gòu)對內(nèi)部集熱管傳熱性能的影響以及腔體接收器整體熱損失規(guī)律。邊界條件的設(shè)置見表2，計(jì)算模型見圖2。

表2 邊界條件設(shè)置Table2Boundary condition setting

圖2 計(jì)算模型Fig.2 Calculation model

3 模擬分析

3.1 不同進(jìn)口溫度對接收器熱性能的影響

在變換工質(zhì)進(jìn)口溫度模擬中，環(huán)境溫度和流動(dòng)工質(zhì)流速保持不變，θcav=0°，且環(huán)境無風(fēng)，設(shè)置Tin=303，313，323，333，353K，以 此 條 件 研 究 該 腔體的熱損失規(guī)律及特性。

截取Tin=353K時(shí)的腔體內(nèi)流動(dòng)工質(zhì)俯視圖及腔體截面作為腔體結(jié)構(gòu)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(nèi)流體溫度和外界影響進(jìn)行分析。圖3為腔體管內(nèi)流體俯視溫度云圖，進(jìn)口區(qū)域?yàn)橄鄬Ω邷貐^(qū)域，出口區(qū)域?yàn)橄鄬Φ蜏貐^(qū)域。由圖可知，7根管內(nèi)熱工質(zhì)由左側(cè)入口到右側(cè)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(gè)腔體傳熱過程中的熱損失越嚴(yán)重。

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

圖4為Tin=353K時(shí)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(dǎo)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(nèi)的空氣和腔體內(nèi)壁面進(jìn)行加熱，隨后腔內(nèi)熱量持續(xù)從腔體內(nèi)部通過自然對流和熱輻射傳遞到環(huán)境中。整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，周圍環(huán)境溫度穩(wěn)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(jié) 構(gòu) 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(jié)構(gòu)相吻合，當(dāng)Tin=353K時(shí)，O1和O7達(dá)到最高溫度352.938K，O4為最低溫度352.834K。由這3個(gè)典型工況可分析其他不同進(jìn)口溫度受腔體結(jié)構(gòu)影響后，各集熱管出口溫度變化規(guī)律均是該趨勢。出現(xiàn)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(yuǎn)，與空氣自然對流換熱明顯；而兩邊的集熱管因其獨(dú)特的倒梯形腔體結(jié)構(gòu)，離采光孔較遠(yuǎn)，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(nèi)空氣對流換熱和外界輻射換熱量減少。

圖5 不同進(jìn)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(shí)，不 同進(jìn)口溫度下熱損失量的變化規(guī)律。由圖可知：進(jìn)口溫度越接近環(huán)境溫度，集熱管內(nèi)的工質(zhì)熱損失越小，反之熱損失變大；Tin=353K時(shí)腔體熱損失量是303K時(shí)的6.9倍，其原因是進(jìn)口溫度越高，與環(huán)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(jìn)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(fēng)速對腔體接收器的影響

在實(shí)際運(yùn)行過程中，外界環(huán)境多變，尤其風(fēng)速的瞬態(tài)變化較為復(fù)雜。根據(jù)該地區(qū)氣象數(shù)據(jù)，對全年風(fēng)速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，全年多數(shù)時(shí)間風(fēng)速在3m/s以 下，故 本 節(jié) 選 取Vw=0.8，1.5，3m/s，θcav=30°，Tin=353K作為工況，其他參數(shù)保持不變，研究環(huán)境風(fēng)速對腔體接收器內(nèi)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(nèi)溫度場、管外速度場的形式分析不同風(fēng)速對腔內(nèi)氣流及集熱管傳熱的影響。圖7為Vw=0.8，1.5，3m/s時(shí)的腔體剖面圖。截面管內(nèi)顯示為工質(zhì)溫度云圖，其溫度梯度見圖左顯示，管外腔內(nèi)顯示為流場速度云圖，其速度梯度見圖右顯示。由圖可知：當(dāng) θcav=30°橫風(fēng)掃過腔體時(shí)，均在腔體內(nèi)部產(chǎn)生擾流，且隨著風(fēng)速的增大，管5～7受影響程度逐漸增大；當(dāng)Vw=3m/s時(shí)，腔內(nèi)氣流擾動(dòng)程度最明顯，腔內(nèi)擾流速度最大達(dá)到了1.816 m/s。

圖7 風(fēng)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(fēng)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(fēng)風(fēng)速的增加越發(fā)明顯，即管5～7對腔內(nèi)擾流更加敏感。其中Vw=3m/s時(shí)，O4的出口溫度最高，原因是腔體頂部是曲面結(jié)構(gòu)，風(fēng)速較高時(shí)，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(qiáng)制對流導(dǎo)致熱損失逐漸增大。此規(guī)律可對后續(xù)腔體內(nèi)部集熱管優(yōu)化排列提供依據(jù)。

圖8 風(fēng)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(fēng)速對腔體接收器的影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場。在 θcav=30°，Tin=353K的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，得到不同風(fēng)速對腔體接收器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及模擬數(shù)據(jù)對比結(jié)果，如圖10所示。由圖可知，模擬和實(shí)驗(yàn)的腔體接收器熱損失量均隨著風(fēng)速的增大而增大，當(dāng)Vw=0.8m/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)和模擬熱損失量分別為78W和86.6W，相對誤差為9.9%。隨著風(fēng)速增大，實(shí)驗(yàn)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(nèi)，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(nèi)空氣被外界氣流擾動(dòng)，形成渦流，且風(fēng)速越大對腔體內(nèi)空氣的擾動(dòng)越劇烈，渦流波及范圍越廣，對各集熱管壁面起到強(qiáng)制對流作用越明顯，故其熱散失增強(qiáng)，熱損失增大。

圖9 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場Fig.9 Experimental site

圖10 不同風(fēng)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(jù)腔體接收器應(yīng)用于槽式聚光集熱系統(tǒng)的運(yùn)行特性，傾角也是腔體熱性能的重要影響因素之 一。本 節(jié) 選 取Vw=3m/s，Tin=353K，θcav=0°，30°，60°，90°，其他參數(shù)保持不變，研究不同腔體傾度對腔內(nèi)氣流及集熱管傳熱的影響。

圖11為穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下不同傾角腔體剖面圖。由圖可知：當(dāng) θcav=30°時(shí)，腔內(nèi)形成回旋渦流，氣流擾動(dòng)劇烈；當(dāng) θcav=90°時(shí)，腔內(nèi)基本無擾流；當(dāng) θcav=60°時(shí)，腔內(nèi)擾流最大速度達(dá)到2.039m/s。腔內(nèi)的最大氣流擾動(dòng)速度出現(xiàn)在腔體右下角，其原因是環(huán)境風(fēng)向和腔體倒梯形結(jié)構(gòu)共同作用，當(dāng) θcav＜90°時(shí)，腔體右下邊將來風(fēng)阻擋，橫風(fēng)和腔體右下壁面碰撞，速度和方向均發(fā)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(dāng)θcav=0°時(shí)，O1～O4溫 度 持 續(xù) 下 降，在O4處 達(dá) 到 最 低溫度340.977K，O5～O7溫度呈上升趨勢，并在O7處達(dá)到最高溫度349.571K，單管熱損失最小為7.5W。當(dāng) θcav=30°和60°時(shí)，O4～O7溫 度 損 失 明 顯，其中 θcav=30°時(shí)O7最低溫度為331.838K，單管熱損失最大為46.33W，管7在 θcav=30°時(shí)的熱損失是 θcav=0°時(shí) 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(shí)總熱損失均呈先上升后下降的趨勢，當(dāng) θcav=0°時(shí)熱損失最小，θcav=30°左右時(shí)熱損失達(dá)到峰值。因模擬中風(fēng)向一定，當(dāng) θcav=0～30°時(shí)，橫風(fēng)進(jìn)入腔體內(nèi)產(chǎn)生渦流，強(qiáng)制對流導(dǎo)致熱量快速流失；當(dāng) θcav=60～90°時(shí)，腔體內(nèi)部擾流不明顯，氣流與集熱管間的強(qiáng)制對流減弱，被氣流帶走的熱量減小，熱損失也隨之變小。當(dāng) 風(fēng) 速 為1.5m/s，Tin=353K時(shí)，θcav=90°產(chǎn) 生的熱損失是0°時(shí)的12倍。因此當(dāng) θcav=0～30°時(shí)，風(fēng)速對腔體內(nèi)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(shí)腔內(nèi)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(dāng)整個(gè)計(jì)算域處在穩(wěn)態(tài)時(shí)，腔內(nèi)氣壓是環(huán)境氣壓的11倍，遠(yuǎn)大于外界環(huán)境氣壓；由圖14（b）可知，腔內(nèi)集熱管散發(fā)的熱量在腔內(nèi)積聚，無法通過強(qiáng)制對流被橫風(fēng)帶走；由圖14（c）可知，腔內(nèi)空氣流動(dòng)速度幾乎為零。

圖14 計(jì)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(dāng) θcav=0～30°時(shí)采光孔即為泄壓孔。隨著采光孔迎風(fēng)面積的增加，采光孔逐漸失去卸載腔內(nèi)氣壓的作用，腔內(nèi)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(nèi)無法產(chǎn)生擾動(dòng)，導(dǎo)致 θcav=60～90°時(shí)腔內(nèi)擾流不明顯，腔體熱損失下降。

4 結(jié)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(jié)構(gòu)對內(nèi)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(jié)論。

①無風(fēng)時(shí)，各管出口溫度的變化趨勢與腔體倒梯形結(jié)構(gòu)相吻合，均為兩邊高，中間低。進(jìn)口溫度越接近環(huán)境溫度，集熱管內(nèi)的工質(zhì)熱損失越小，Tin=353K時(shí)腔體熱損失量是303K時(shí)的6.9倍。

②θcav=30°，Tin=353K時(shí)，不同風(fēng)速掃過腔體，均在內(nèi)部產(chǎn)生擾流，且在風(fēng)速較高時(shí)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(fēng)速影響溫度變化更加明顯。Vw=3.0 m/s時(shí)的熱損失量是0.8m/s時(shí)的2.8倍。

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