非均匀热流分布下槽式太阳能吸热管的热特性

发布时间：2020-05-16 08:06

【摘要】：太阳能集热器是太阳能热利用装置的核心部件，是一种将太阳能转化为热能的装置，其热转换效率会直接影响到整个太阳能系统的效率和经济性。随着太阳辐射时间上的间歇性和空间上的不均匀性，吸热管表面的热流不断变化，这导致太阳能热发电系统在运行过程中，其吸热管表面承受反复的温度变化，从而使管壁产生温度梯度，由此产生的热应力会超过吸热管的屈服强度，导致吸热管弯曲变形，严重时甚至会使集热管外面的玻璃套管破裂，集热效率大大下降，影响整个太阳能系统的安全性。对于中低温的太阳能集热器，由于吸热管表面温度低，换热温差小，所产生的热应力不足以影响吸热管的工作性能。但是对于具有高聚光比的槽式太阳能热发电系统，其集热器工作时仅面向反射镜的一侧受热，而另一侧几乎没有热流，且受热一侧的热流分布也呈现非线性特征。在这种非均匀热流密度条件下，集热管表面温度高达400℃以上，管壁存在较大的换热温差，所产生的热应力不容忽视。本文以太阳能热利用中的槽式直接蒸汽发生太阳能集热器为研究对象，采用FLUENT和ANSYS软件，对槽式太阳能集热管进行了传热性能，热应力及变形的数值模拟，对减小吸热管壁热应力及弯曲变形的方法进行了理论分析。主要研究内容包括：建立了槽式太阳能集热管的传热模型，数值模拟得到非均匀热流密度下太阳能吸热管单相区（过冷区与过热区）在不同的热流密度，工质流速及热流密度施加位置影响下吸热管的温度分布。将温度场载荷通过ANSYS WORKBENCH软件附加在吸热管壁上求出吸热管壁的热应力分布，分析了热应力作用下吸热管的弯曲变形特征；针对太阳能吸热管中两相区进行了简化，忽略管内流体，根据不同的蒸汽干度对吸热管内壁划分区域附加不同的汽相和液相的传热系数，在此基础上研究不同的热流密度、干度及热流密度施加位置条件下吸热管两相区时吸热管壁上热应力的分布情况，并分析热应力引起的吸热管的弯曲变形；针对非均匀热流密度条件下单相区与两相区的吸热管计算结果做了对比，在相同的条件下，分析了不同区域时吸热管管壁沿轴向、周向及径向的热应力分布及弯曲变形情况；为了研究减小吸热管壁存在的热应力及弯曲变形的途径，建立了钢-铜复合吸热管及螺旋状吸热管的传热模型，针对不同形式、壁厚及热流密度下的吸热管进行了热应力与变形的数值模拟。通过本文的研究，为槽式直接蒸汽发生太阳能吸热器结构的优化设计、吸热管热应力的减弱方法提供了数值基础和参考依据。
【图文】：

太阳能热发电系统

（c）碟式太阳能热发电（单碟发电系统）（d）碟式太阳能热发电（多碟发电系统）图 1.1 三种太阳能热发电系统Fig1.1The three kinds of solar thermal power generation system②槽式太阳能热发电系统槽式太阳能热发电系统[17]是利用槽式抛物面反射镜聚光的太阳能热发电系统的简称。该系统一般由聚光集热装置、蓄热装置、热机发电装置或辅助能源装置等组成。从几何上看，槽式太阳能热发电系统的聚光镜面是将抛物线平移而形成的槽式抛物面，它将太阳光聚在一条线上，在这条焦线上部安装有集热管，用来吸收聚焦后的太阳辐射能以加热管内工质。实际应用中常常将众多的槽式抛物面串并联成聚光集热器阵列进行太阳辐射的集聚。通常，槽式抛物面对太阳辐射进行一维跟踪(将设备轴线南北放置，东西旋转跟踪)，其几何聚光比在 10～100 之间，温度可达 400℃左右[18]。槽式太阳能热发电最大的优点是可以同步跟踪多聚光器、多集热器，故跟踪控制成本大为降低。缺点是能量在集中过程中依赖管道和泵，管道系统相比塔式电站要复杂得多，热量及阻力损失均较大，降低了系统的净输

太阳能热发电系统

槽式太阳能热发电主要是利用槽形抛物面聚光器将太阳能聚焦反射到接收吸热管上，通过管内载热工质将水加热成蒸汽，推动汽轮机发电，典型的槽式太阳能热发电系统如图1.2所示。图 1.2 槽式太阳能热发电系统图Fig1.2 System diagram of trough solar thermal power槽式太阳能热发电系统主要包括五个子系统：聚光集热子系统是该系统的核心，有聚光器、接收器及跟踪装置构成。其中接收器主要有真空管式和腔式两种。接收器被置于槽形抛物面聚光器的焦线上，一般采用双层管结构（外壁面涂有太阳选择性吸收膜的金属吸热管和玻璃管）。吸热管内为热载体，与玻璃管之间的环形空间为真空，以防热流失和选择性吸收膜的氧化。热载体可以是水蒸气、导热油或熔融盐。跟踪方式采用南北、东西或极轴跟踪的一维跟踪。换热子系统由预热器、蒸汽发生器、过热器及再热器组成。当系统工质为导热油时，采用双回路，即接收器中的导热油被加热后，进入换热子系统加热水产生蒸汽，蒸汽进入发电子系统中发电。发电子系统的基本组成与常规的发电设备相似，但需要配备
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK513.1

【参考文献】