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基于热管的太阳能中温接收器设计

晨怡热管 2011-9-19 11:23:37
 热管技术已成功应用于太阳能低温热利用领域,应用形式主要包括热管式真空管太阳能集热器、复合抛物面聚光器(CPC)热管式太阳能集热器等。

  热管应用于太阳能集热器具有以下优点:热效率高;吸热段与放热段分离,可靠性高;承压性能好;热虹吸管具有单向导热性,热管式太阳能集热器夜间散热损失减少。在太阳能中温(250~400℃)热利用领域,主要是抛物面槽式太阳能集热器中热管技术应用较少,日本的Noboru Ezawa等M。o在20世纪80年代初研制了用于抛物面槽式热管太阳能集热器的中温热管接收器,但研究没有继续下去,希腊的Bakos等旧1设计了采用热管接收器的抛物面槽式太阳能集热器。中温热管接收器没有得到广泛研究的原因在于采用中温热管接收器后太阳能集热器需要倾斜放置,并且需要额外的管路来输送传热流体,导致集热系统复杂。

  近年来,为降低抛物面槽式太阳能电站的成本,研究者提出用直接产蒸汽(DSG)系统代替传统槽式太阳能电站的双回路系统(包括导热油回路和水循环2个回路),省去导热油回路后系统效率显着提高。

  但也带来了一系列新的问题:DSG系统中接收器吸热管周向温差较大,汽水混合物对管路的冲击,导致接收器可靠性较差,容易产生弯曲、颤动甚至损坏玻璃套管。热管具有优良的等温性、蒸发段与冷凝段分离,可以很好地解决DSG系统中接收器的问题,提高接收器可靠性。笔者采用中温热管代替普通吸热管,自主开发了用于DSG系统的太阳能中温热管接收器,并通过模拟试验对中温热管及中温热管接收器的性能进行研究。

  1 太阳能中温热管接收器的结构

  中温热管接收器由中温热管、玻璃套管组成,热管的蒸发段外罩单层玻璃套管,蒸发段一端通过玻璃—金属密封件与玻璃套管连接,另一端由支撑件支撑,构成接收器的吸热段;热管的冷凝段伸人夹套内构成接收器的放热段。热管蒸发段外表面涂高温选择性吸收涂层,作为吸热层,热管蒸发段与冷凝段分离,接收器的吸热段与放热段也相应分离,如图1所示。

  2 模拟试验研究

  抛物面槽式太阳能集热器工作过程中,接收器面对聚光器的一面与背对聚光器的一面接收到的热流密度之比为62:1,这也是导致接收器周向温差过大的主要原因。试验中采用电炉加热模拟中温热管接收器受热条件,在热管蒸发段(即热管位于炉膛中的部分)的上表面加2层厚为4[nln的玻璃纤维带,阻隔电炉对热管的辐射换热,实现对中温热管接收器实际工作条件的模拟。中温热管接收器试验中热管工作倾角为4℃。

  2.1 模拟试验系统

  试验系统包括计量泵、脉冲阻尼器、电炉、冷却器、背压阀及数据采集系统,如图2所示。脉冲阻尼器用于平衡计量泵产生的流量波动,确保管路中水压力、流量稳定。背压阀起背压作用,调控阀前管路压力。测量系统由安捷伦数据采集仪、热电偶、计算机、压力表、流量计组成,测量热管温度、进出口水温、系统压力、流量。热电偶布置见图3,热管管壁沿轴向与3个横截面圆周方向均布置K型热电偶,测量热管管壁轴向温度与周向温度分布,夹套进出口处布置E型热电偶。热电偶直接焊在热管管壁上,测温点外面覆盖2—3 mm厚的高温胶,避免炉膛辐射对热电偶测温准确性的影响。

图2 试验系统示意图

图3 热电偶布置

  热管传输功率Q:

  式中:c。为比热容,J/(kg·℃);rh为质量流量,kg/s;

  热管蒸发段传热系数:

  式中:疋为热管蒸发段平均温度,通过测量热管蒸发段管壁正上方各点及3个截面上各点温度平均得到;瓦为热管绝热段温度;Ah为热管蒸发段表面积。

  热管冷凝段传热系数:

  式中:TC为热管冷凝段平均温度,通过测量热管绝热段紧邻冷凝段正下方的管壁温度得到;AHPC为冷凝段表面积。

  处在蒸发段不同位置3个截面的温度分布趋势不同,因此,选择3个截面的最大周向温差的平均值作为热管性能评价参数。

  2.2 试验结果

  不同蒸汽温度下的热管蒸发段传热系数曲线见图4、热管冷凝段传热系数曲线见图5.由图4、图5可以看出,随着传输功率的增大,热管蒸发段和冷凝段传热系数都增加。热管蒸发段包括液池段和液膜段两部分,其传热过程为:在传输功率较小的情况下为薄膜蒸发,传输功率较大的情况下会产生饱和核态沸腾传热。热管冷凝段传热过程为膜状凝结,当液膜雷诺数Re,<7.5时,认为液膜为光滑层流;当7.5<Re,<325时,认为液膜处于波动层流区;325<Re,<500时,则认为液膜由层流向湍流转变¨4J.当液膜为光滑层流时,冷凝段传热为层流膜状凝结,随传输功率的增大液膜增厚,传热系数变小,与试验结果相反,所以可以断定试验中冷凝段液膜已处于波动层流区或湍流区。在这两部分,随着传输功率增大,液膜厚度增大,同时液膜波动剧烈,当液膜波动对传热系数的影响超过液膜厚度增加的影响时,热管冷凝段传热系数随传输功率增大而增大。

  热管蒸发段周向平均温差如图6所示,热管管内蒸汽温度为250和300 oC时,周向平均温差为10℃左右,蒸汽温度为350和380℃时,周向平均温差为3℃左右。周向平均温差定义是热管蒸发段3个截面最大温差的平均值。试验中发现,温度为250和300℃时,3个截面温度分布相似,均为截面下表面温度高,上表面温度低;蒸汽温度为350和380 oC时,接近冷凝段的截面温度分布为上表面温度高,下表面温度低,与另外2个截面刚好相反,所以平均值变小。

  3 中温热管接收器性能分析

  本节主要分析热管应用到DSG系统接收器中对接收器性能的改进,包括2个方面:接收器可靠性和接收器热效率。

  3.1 中温热管接收器可靠性

  Eck等对DSG系统接收器吸热管周向温差进行了研究,发现当采用普通钢管作为吸热管时,吸热管周向最大温差为40 oC.Almanza等研究结果显示普通吸热管周向最大温差为60℃。为改善吸热管周向温差,Vicente等¨纠采用铜钢复合管替代普通钢管作为吸热管,结果表明吸热管周向温差降至8℃,效果显着。根据模拟试验的结果,笔者开发的中温热管接收器在改善吸热管周向温差方面效果也相当显着,热管管内蒸汽温度为250和300 oC时,周向平均温差为10℃左右,最大值低于13℃。蒸汽温度为350和380℃时,周向平均温差仅为3℃左右。

  同时热管蒸发段与冷凝段分离的特殊结构,使得汽水混合物对管路的冲击很难传递到蒸发段,大大提高了接收器的可靠性。

  3.2 中温热管接收器热效率

  通过能量平衡法建立抛物面槽式太阳能集热器稳态传热模型,将上节模拟试验得到的中温热管蒸发段和冷凝段的传热系数代人模型中,可算得中温热管接收器各部件温度分布,接收器热效率见图7、图8.由图8可以看出,中温热管接收器热效率较高,当流体平均温度与环境温度差为330℃时,热效率仍然高达0.8,验证了中温热管接收器优良的传热性能。模拟计算中取太阳辐射值为800 W/m2,系统流量为0.2 kg/s,系统压力为4 MPa,环境温度为20℃,集热器参数见表1.

  4 结论

  1)热管技术用于中温太阳能接收器中大大改善了吸热管周向温差,热管管内蒸汽温度为250和300 oC时,周向平均温差为lO℃左右,最大值低于13℃。蒸汽温度为350和380℃时,周向平均温差仅为3℃左右,达到了与铜钢复合管相当的效果;热管蒸发段与冷凝段分离,汽水混合物对管路的冲击很难传递到蒸发段,提高了接收器可靠性。

  2)中温热管接收器具有较高的热效率,当流体平均温度与环境温度差为330℃时,热效率仍然高达0.8.这验证了热管技术用于中温太阳能接收器中的可靠性和优越性。

责任编辑: banye 参与评论
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