楊小平，楊曉西，丁 靜，秦貫豐，蔣潤花

(1.東莞理工學(xué)院 廣東省分布式能源系統(tǒng)重點實驗室，廣東 東莞 523808;2.華南理工大學(xué) 傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點實驗室，廣東 廣州 510640;3.中山大學(xué) 工學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引言

太陽能熱發(fā)電通過鏡面反射將太陽能聚集起來產(chǎn)生高溫?zé)崮?，加熱工作介質(zhì)來驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，是光伏發(fā)電技術(shù)以外的另一種有很大發(fā)展?jié)摿Φ奶柲馨l(fā)電技術(shù)。太陽能熱發(fā)電站的形式主要有太陽能塔式發(fā)電系統(tǒng)、太陽能槽式發(fā)電系統(tǒng)和太陽能碟式發(fā)電系統(tǒng)［1-4］。

塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是在空曠的地面上建立一個高大的中央吸收塔，塔頂上安裝固定吸熱器，塔的周圍安裝一定數(shù)量的定日鏡，通過定日鏡將太陽光聚集到塔頂?shù)奈鼰崞鞯那惑w內(nèi)產(chǎn)生高溫流體，高溫流體通過管道傳遞到位于地面的蒸汽發(fā)生器，產(chǎn)生高壓過熱蒸汽，推動傳統(tǒng)氣輪機(jī)發(fā)電［5］。塔式太陽能發(fā)電具有聚光比大，工作溫度高，壽命長等優(yōu)點。在商業(yè)應(yīng)用前景方面，以熔鹽為傳熱介質(zhì)的圓柱形吸熱器效率高、功率大、技術(shù)風(fēng)險低，系統(tǒng)易于實現(xiàn)大容量蓄熱，可實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定發(fā)電。80年代初，美國在南加州建成第一座塔式太陽發(fā)電系統(tǒng)裝置—Solar One。起初，太陽塔采用水—蒸汽系統(tǒng)，發(fā)電功率為10 MW。1992年 Solar One經(jīng)過改裝，用于示范熔鹽吸熱器和儲熱系統(tǒng)［6］。

吸熱器是發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，運(yùn)行時需要得到其內(nèi)部熔鹽的各種狀態(tài)參數(shù)。吸熱器工作時，太陽光經(jīng)過定日鏡系統(tǒng)的聚焦反射到吸熱器表面，所以當(dāng)熔鹽流經(jīng)吸熱器時，可吸收其能量，并作為熱能儲存介質(zhì)。Solar Two按照設(shè)計要求，一般控制熔鹽流速使其滿足熔鹽進(jìn)口溫度為563 K，出口溫度為838 K。

雖然許多國家已經(jīng)建立了運(yùn)行穩(wěn)定的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，但由于吸熱單管的半周加熱半周絕熱的特殊加熱方式，國內(nèi)外文獻(xiàn)對吸熱管內(nèi)部不同于平常的換熱規(guī)律的報道較少［7-8］。因為吸熱器主要由許多根相同的吸熱單管組成，所以本文擬對半周絕熱半周加熱且熱流密度不均勻情況下的單管熔鹽吸熱器進(jìn)行傳熱數(shù)值模擬，從而獲得吸熱器內(nèi)部的溫度、傳熱性能等的規(guī)律。并根據(jù)研究結(jié)果對10 MW塔式太陽能熱發(fā)電吸熱器的整體尺寸、管排布置、溫度控制等進(jìn)行了設(shè)計。

1 物理模型

本文中吸熱單管的物理模型如圖1所示，管長為1 m，管徑20 mm，壁厚2 mm。吸熱管一側(cè)為接受太陽輻射熱流密度的加熱面，另一側(cè)為經(jīng)過保溫的絕熱面。加熱面上熱流密度按照余弦函數(shù)分布q(θ)=qnet·cosθ，如圖2所示。本文選用三元熔鹽HTTEC作為傳熱流體，其組成為 53%KNO3，40%NaNO2和7%NaNO3［9］。熔鹽密度與溫度的關(guān)系為ρ=1938.0－0.732(T－473.0)，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.571 W/m·K，比熱容為1 510 J/kg·K。

采用商業(yè)CFD軟件Fluent6.2流體力學(xué)計算軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，Gambit網(wǎng)格劃分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，生成8個面和2個體，邊界類型定義進(jìn)口邊界為velocity inlet，出口邊界為 outflow，其它邊界為 wall，管內(nèi)流體為fluid，管壁為固體solid。求解控制方程為三維可壓縮流動的連續(xù)性方程、N-S動量及能量方程。求解采用分離式求解器，k-epsilon湍流模型，壓力-速度耦合為SIMPLE算法，壓力和動量采用二階迎風(fēng)格式，湍流耗散率、湍流動能和能量采用QUICK格式。

圖1 三維單管吸熱器模型

圖2 半周加熱半周絕熱的周向熱流密度分布圖

2 結(jié)果分析與討論

2.1 溫度分布

圖3 吸熱管溫度分布

圖4 外壁面和內(nèi)壁面最高溫度曲線

圖5 模擬計算與公式計算的傳熱性能對比圖

圖3中所示為熔鹽流速為0.5 m/s，熱流密度為400 kW/m2，進(jìn)口溫度為523 K時吸熱管壁和流體的溫度分布圖。由于吸熱管半周加熱、半周絕熱，管壁625合金的導(dǎo)熱導(dǎo)致管壁和熔鹽的溫度分布非常不均勻，同時半周加熱面的余弦效應(yīng)更加加劇了這種不均勻性。由圖可知在壁面與加熱方向余弦角為0°時壁面溫度最高，在壁面與加熱方向余弦角為180°時壁面溫度最低。在高熱流密度情況下，管壁的溫度梯度會造成材料的塑性應(yīng)變，經(jīng)過多年的塑性應(yīng)變累積，吸熱管最終會因循環(huán)疲勞和蠕變損壞而失效。

圖4所示為與輻射方向垂直的加熱面管外壁面和管內(nèi)壁面的最高溫度曲線。外壁面最高溫度由入口處的788 K升高到出口處的822 K;內(nèi)壁面最高溫度由741 K升高到774 K。由圖可知加熱面和絕熱面的管內(nèi)外壁溫度差沿著Z軸方向保持定值34 K，這是因為接收外界輻射的熱流密度相同的原因。外壁面溫度決定了吸熱器的熱損失。吸熱器的熱效率是吸熱器內(nèi)熔鹽獲得的能量與吸熱器獲得的能量的比值。這一比值的大小取決于吸熱器表面的輻射損失和對流損失的大小，而這兩個損失與吸熱管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)有著密切的關(guān)系。吸熱管與熔鹽間的傳熱系數(shù)越大，吸熱管表面的熱量將迅速傳遞給熔鹽，熔鹽獲得的熱量就越多;反之熔鹽獲得的熱量就越少。未被熔鹽帶走的熱量將以輻射和對流的方式傳遞到環(huán)境中去，這其中的關(guān)鍵參數(shù)是吸熱管的表面溫度。吸熱管內(nèi)壁面的溫度是吸熱器的重要監(jiān)控參數(shù)，過高的內(nèi)壁面溫度會導(dǎo)致高溫部分熔鹽的分解，這是實際吸熱器設(shè)計中必須要考慮的問題。

2.2 傳熱性能分析

因為熔鹽和管壁的溫度都非常不均勻，為了獲得吸熱管整體的換熱性能，在計算中均取平均溫度作為特征溫度。模擬計算中采用如下公式

一般對于(1/η)(dη/dt)大于283 K的油類，采用 Sieder-Tate公式［10］進(jìn)行計算

本文對模擬計算所得到的結(jié)果與按照Sieder-Tate公式所得到的數(shù)值進(jìn)行了比較分析。結(jié)果如圖5所示，可以看到在熔鹽進(jìn)口溫度分別為523 K和723 K時，模擬計算的Nu要高于S-T公式所得到的Nu。這主要是因為按照S-T公式計算時，一般要求加熱方式為等熱流密度或者等壁溫的情況。而對于吸熱器，其加熱側(cè)為不均勻高熱流密度，溫度分布不均勻，熔鹽的物性隨溫度變化也較大，因此ST公式不適合太陽能吸熱器的傳熱性能的計算。同時由圖可知在相同的Re數(shù)下進(jìn)口溫度較低時其換熱性能較好，這是由于溫度較低時 Pr數(shù)較大的原因。

3 吸熱器系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)吸熱單管的換熱規(guī)律可以對吸熱器整體系統(tǒng)和尺寸進(jìn)行設(shè)計。按照10 MW塔式太陽能發(fā)電功率對熔鹽吸熱器進(jìn)行設(shè)計，初定吸熱器的安裝位置為80 m的高塔之上。為便于定日鏡系統(tǒng)的分布，有利于土地空間的利用，提高太陽能利用效率，現(xiàn)將吸熱器吸熱表面設(shè)計為圓柱面。吸熱表面由24塊管板組成，每塊管板由32根管道緊密相切組成。這樣，每塊管板平均覆蓋圓柱面的15°，所以24塊管板就能完全構(gòu)成吸熱表面，可吸收整個四周的太陽能，如圖6所示。其中每根管道的外徑為20 mm，壁厚為1.2 mm，熔鹽進(jìn)口溫度為563 K，出口溫度為838 K?？梢杂嬎愕玫轿鼰崞髡w體的外圓直徑為4.9 m，吸熱器受熱面積為95.232 m2，每根管道的吸收長度為6.2 m，熔鹽的流速為3.4 m/s，單位管長的熔鹽溫升為276.70 K。

實際運(yùn)行過程中，所輸送熔鹽溫度的變化會使管道伸長或縮短，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，可能導(dǎo)致吸熱管破壞。為防止管道熱膨脹而產(chǎn)生的破壞，在管道設(shè)計中必須考慮熱膨脹。管道的走向根據(jù)具體情況呈各種彎曲形狀，利用這種自然的彎曲形狀所具有的柔性以補(bǔ)償其自身的熱膨脹和端點位移稱為自然補(bǔ)償，自然補(bǔ)償構(gòu)造簡單，運(yùn)行可靠，投資少。現(xiàn)將匯流管頭設(shè)計成分別與32根管道管嘴連接，將管嘴的三維外形設(shè)計成5種不同的彎曲形狀，圖7所示為管板Proe三維圖的管嘴與匯流管頭部分。

熔鹽流動分成兩條流路進(jìn)入吸熱器。一條流路是從西邊的最北管板進(jìn)入，并以蛇形向西從一塊管板到另一管板;另一流路是從東邊的最北管板進(jìn)入，并向東流動，流體經(jīng)過6塊管板后，兩路流體從東向西交叉流動，以平衡一天當(dāng)中從東到西吸收能量的變化，以確保熔鹽在流出吸熱器時順利達(dá)到所設(shè)計的溫度。

圖6 吸熱器整體結(jié)構(gòu)圖

圖7 管嘴與匯流管頭結(jié)構(gòu)圖

熔鹽流體根據(jù)工作要求進(jìn)入和流出吸熱器時的溫度要保持定值。在實際運(yùn)行中，由于云的遮擋，投射到吸熱器的熱流密度會急劇下降，為確保吸熱器出口熔鹽溫度恒定在838 K，采用改變?nèi)埯}流量的辦法來控制熔鹽出口溫度。安裝于熔鹽管路上的流量控制閥根據(jù)投射到吸熱器表面的熱流密度、吸熱管內(nèi)外壁面溫度、吸熱器出口溫度等信號，按照設(shè)定的控制邏輯改變流量閥開度，實現(xiàn)對吸熱器出口溫度的控制。

4 結(jié)論

(1)模擬計算中考慮了輻射熱流密度的余弦效應(yīng)和吸熱管管壁導(dǎo)熱的影響，更加符合實際太陽能熔鹽吸熱器的運(yùn)行狀態(tài);

(2)熔鹽流體和管壁的溫度分布非常不均勻，但加熱面和絕熱面的管內(nèi)外壁溫度差沿著Z軸方向保持定值。熔鹽流速為0.5 m/s，熱流密度為400 kW/m2，進(jìn)口溫度為523 K時，加熱面內(nèi)外壁溫度梯度較大，溫度差值為34 K;

(3)由于吸熱器熔鹽和管壁溫差較大，熔鹽的物性隨溫度的變化也較大，Sieder-Tate公式不適合太陽能吸熱器傳熱性能的計算。模擬計算的Nu數(shù)要高于按照Sieder-Tate公式計算所得到的Nu數(shù);

(4)對10 MW塔式太陽能熱發(fā)電吸熱器的整體尺寸、管排布置、管板連接、溫度控制等進(jìn)行了分析和設(shè)計。

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