張紋齊,李月豪,姚慧聰,王銀峰,朱躍釗,

(1.南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 江蘇省過(guò)程強(qiáng)化與新能源裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 211800;2.南京工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211800)

太陽(yáng)能高溫接收器是太陽(yáng)能高溫?zé)崂玫暮诵脑?傳統(tǒng)的直接照射式和間接受熱式太陽(yáng)能接收器容易出現(xiàn)局部高溫?zé)狳c(diǎn)、腔體溫度梯度大等問(wèn)題[1]。熱管具有優(yōu)良的導(dǎo)熱和均溫性能且對(duì)熱響應(yīng)迅速,是高效傳熱元件[2-3],將熱管應(yīng)用于太陽(yáng)能高溫接收器中成了國(guó)內(nèi)外的重要研究方向。

美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Andraka等[4-5]研發(fā)了一套整體式熱管接收器,其吸熱面為拱頂形狀,蒸發(fā)段由橢球球面與半球面貼合而成,并以4根熱管組成冷凝段,接收器集熱效率超過(guò)直接照射式的20%,但蒸發(fā)段表面出現(xiàn)局部熱點(diǎn)而燒出小洞。德國(guó)航空航天公司Laing 等[6]改進(jìn)了以筒體內(nèi)壁面為吸熱面的徑向式熱管接收器,內(nèi)部?jī)啥朔植继沾膳菽吐瓷涮沾慑F體,使得進(jìn)光損失僅為1%,但接收管發(fā)生泄露而被迫中止實(shí)驗(yàn)。南京工業(yè)大學(xué)張紅等[7]研制了一套組合式高溫?zé)峁芙邮掌?由數(shù)根圓柱狀高溫?zé)峁軋A周均勻分布,其蒸發(fā)段在吸熱腔內(nèi),冷凝段置于套管中,減少了接收器的應(yīng)用限制,并且單根熱管出現(xiàn)泄漏不會(huì)影響其他熱管正常運(yùn)行。

平板熱管相比于傳統(tǒng)管式熱管在改善接收面均溫性能方面具有優(yōu)勢(shì),更適合用作太陽(yáng)能塔式與碟式接收器[8-10]。Yang[11]研發(fā)了一種用于太陽(yáng)能塔式電站的高溫平板熱管接收器,經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明,該接收器具有良好的啟動(dòng)性能和均溫性能。韓國(guó)航空大學(xué)[12-13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明,矩形鈉熱管可以減少熱量的不均勻輸入,使得蒸發(fā)段內(nèi)部形成更均勻的溫度場(chǎng)；除此之外,他們還開(kāi)發(fā)了一種帶有盤(pán)式蒸發(fā)器和冷凝器的環(huán)形鈉熱管,并得出了該熱管的有效熱導(dǎo)率和熱阻[14]。孫陽(yáng)[15]制造了一種將平板熱管與圓柱形熱管耦合的異型鈉熱管接收器,熱管應(yīng)用溫度范圍為600～800 ℃,溫度梯度小于10 ℃。朱躍釗課題組[16-20]通過(guò)將熱板與熱管耦合,構(gòu)造了以平板熱管底面為集熱面的太陽(yáng)能高溫?zé)峄瘜W(xué)耦合相變反應(yīng)器(圖1)。因此,高溫異型熱管良好的傳熱性能與均溫性能，對(duì)太陽(yáng)能集熱器在非均勻熱流密度、非穩(wěn)態(tài)傳熱條件下的運(yùn)行具有顯著提升作用,通過(guò)優(yōu)化高溫?zé)峁艿慕Y(jié)構(gòu)形式,可進(jìn)一步提升其光熱轉(zhuǎn)換效率,解決局部溫差過(guò)大產(chǎn)生的應(yīng)力集中等問(wèn)題。本文對(duì)高溫異型熱管的不同吸熱面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化比較,分析其在高倍聚光模擬器下的光熱轉(zhuǎn)換特性,通過(guò)對(duì)比不同熱流密度下的熱應(yīng)力,以獲得更佳的吸熱面結(jié)構(gòu),同時(shí),搭建電加熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái),考察該新型高溫異型熱管的啟動(dòng)及均溫特性。

圖1 太陽(yáng)能高溫?zé)峄瘜W(xué)耦合相變反應(yīng)器Fig.1 Solar high-temperature thermochemical coupling phase change reactor

1 高溫異型熱管及實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 高溫異型熱管結(jié)構(gòu)

本文研究的高溫異型熱管(HTSSHP)結(jié)構(gòu)如圖1所示,吸液芯為雙層830 μm金屬絲網(wǎng),殼體材料為310S不銹鋼,熱管工質(zhì)為金屬鈉。4根柱狀熱管分布于熱板一側(cè),與熱板冷凝面構(gòu)成冷凝段；另一側(cè)為蒸發(fā)段,作為吸熱面吸收高倍匯聚的光線。為此,分別設(shè)計(jì)了平板吸熱面以及橢球吸熱面結(jié)構(gòu)。HTSSHP結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 高溫異型熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 碟式太陽(yáng)能模擬器

碟式太陽(yáng)能模擬器系統(tǒng)如圖2(a)所示,采用碟型聚光式太陽(yáng)能模擬器作為光源對(duì)HTSSHP進(jìn)行光熱性能測(cè)試。太陽(yáng)能聚光模擬器如圖2(b)所示,模擬器搭載20個(gè)高功率短弧氙燈(最大輸出功率為3 kW,色溫約為6 000 K),最高電功率可達(dá)60 kW;聚光燈罩為旋轉(zhuǎn)拋物面型,開(kāi)口直徑為410 mm。

圖2 碟式太陽(yáng)能模擬器系統(tǒng)Fig.2 Dish solar simulator system

圖3為利用太陽(yáng)能模擬器對(duì)焦平面進(jìn)行聚光測(cè)試后疊加的光斑,焦平面有效光斑直徑約為200 mm,接收靶面(210 mm)平均熱流密度約為130 kW/m2[18](電功率為56.9 kW)。采用紅外熱像儀(Vario CAM HD head 980型)測(cè)試焦平面的溫度分布,范圍為600～1 200 K。

圖3 光斑分布Fig.3 Distribution of faculae

1.3 電加熱實(shí)驗(yàn)裝置

對(duì)橢球吸熱面結(jié)構(gòu)HTSSHP的啟動(dòng)和均溫性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,其熱管冷凝段腔體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為90 mm。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由HTSSHP、電加熱實(shí)驗(yàn)裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)等組成(圖4)。實(shí)驗(yàn)熱源采用4根硅碳棒制成的端面加熱爐(額定功率為5 kW),利用電量檢測(cè)儀測(cè)量電爐的加熱功率,通過(guò)接觸調(diào)壓器控制輸出功率。

圖4 HTSSHP電加熱實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4 Electrical heating set-up for HTSSHP

由圖4可知：在HTSSHP上布置有13根K形熱電偶(誤差±1 ℃)；在平板熱管蒸發(fā)(FDE)段橢球結(jié)構(gòu)吸熱面布置了1根熱電偶,用于測(cè)量吸熱面溫度,記為T(mén)e;在絕熱段布置2個(gè)熱電偶,用于判定其內(nèi)部的鈉工質(zhì)形態(tài),溫度均值記為T(mén)w;在FDE段平板冷凝段布置2根熱電偶,用于測(cè)量冷凝面溫度,平均溫度記為T(mén)f;在熱管冷凝(CC)段布置了8根熱電偶,用于測(cè)量熱管冷凝段的軸向溫度(Tc),將旁側(cè)熱管相同高度處平均溫度記為T(mén)CP1=(Tc3+Tc5+Tc7)/3,TCP2=(Tc4+Tc6+Tc8)/3,中心熱管溫度記為T(mén)c1、Tc2。

電加熱實(shí)驗(yàn)針對(duì)冷凝面保溫良好情況下的啟動(dòng)及均溫特性,通過(guò)改變加熱功率(1.2～2.5 kW),考察不同F(xiàn)DE段圓截面熱流密度(67.0～139.7 kW/m2)下HTSSHP的傳熱性能。

2 仿真模擬

2.1 光學(xué)仿真模型

應(yīng)用Trace pro光學(xué)仿真軟件,根據(jù)圖2(b)所示太陽(yáng)能聚光模擬器的氙燈方位,以均勻角密度分布剖面構(gòu)建20個(gè)格點(diǎn)光源;光束置于垂直格點(diǎn)方向,波長(zhǎng)為0.546 1 μm,參考氙燈發(fā)射波譜;光源直徑為200 mm,可保證接收面內(nèi)光線有效匯聚?；谏鲜龉鈱W(xué)模型設(shè)定,在入射光功率為5.78 kW條件下,比較兩種結(jié)構(gòu)的光熱轉(zhuǎn)換特性,并且在太陽(yáng)能高溫?zé)峁芊磻?yīng)器的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)輻照減弱、輻照隨機(jī)性和不均勻性,因此考察了不同光源分布(總光源一半(半圓)、四分之一、成直線分布(4個(gè)氙燈))對(duì)吸熱面接收功率的影響。

為驗(yàn)證光學(xué)仿真中接收靶面熱流密度所實(shí)現(xiàn)溫度分布的可靠性,以本文創(chuàng)建的光學(xué)仿真模型對(duì)直徑為210 mm的焦平面進(jìn)行光線追跡。在假定光功率完全轉(zhuǎn)換為熱功率的前提下,與焦平面的熱流密度分布梯度進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：當(dāng)焦平面平均入射光功率為4.5 kW時(shí),兩者平均熱流密度均約為130 kW/m2,焦平面中心的熱流密度分布呈現(xiàn)明顯的橢圓形結(jié)構(gòu),在直徑為120 mm圓內(nèi)的熱流密度大于140 kW/m2,仿真結(jié)果較低于實(shí)驗(yàn)值,其表面熱流密度在焦平面中心形成直徑約為140 mm的分布式圓形,熱流密度范圍為130～150 kW/m2,總體來(lái)看仿真結(jié)果可以描述接收面熱流密度分布情況。

2.2 熱應(yīng)力仿真模型

通過(guò)ANSYS有限元分析軟件對(duì)平板和橢球吸熱面結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱應(yīng)力模擬。由于HTSSHP模型整體結(jié)構(gòu)、載荷及約束對(duì)稱,為簡(jiǎn)便運(yùn)算,選定結(jié)構(gòu)模型的1/3為計(jì)算域求解溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力。導(dǎo)入圖1中HTSSHP實(shí)體模型的1/3,以三面、四面體為基礎(chǔ)單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。圖6為HTSSHP的網(wǎng)格模型,兩種結(jié)構(gòu)所得單元數(shù)量分別為41 274和50 786個(gè),經(jīng)網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證表明,誤差均小于5%。

設(shè)定計(jì)算域邊界條件如下:①吸熱面平均溫度通過(guò)接收面內(nèi)平均熱流密度經(jīng)斯特藩-玻爾茲曼公式計(jì)算可得,并設(shè)定對(duì)應(yīng)溫度的鈉飽和蒸氣壓;②熱板外壁面絕熱,多管冷凝段外壁面保溫良好，自然對(duì)流系數(shù)為5 W/(m2·K),環(huán)境溫度為298.2 K;③熱管、熱板外壁面設(shè)定大氣壓力0.1 MPa;④結(jié)構(gòu)底面約束軸向位移,對(duì)稱面為對(duì)稱約束。殼體材料物性參數(shù)參考GB/T 20878—2007。

因?yàn)闊峁軆?yōu)良的導(dǎo)熱性能,所以在仿真模擬中需要設(shè)定HTSSHP的導(dǎo)熱系數(shù),設(shè)定為3 kW/(m2·K)(參考高溫鈉熱管導(dǎo)熱系數(shù))?；谏鲜鲞吔鐥l件計(jì)算溫度場(chǎng),并將節(jié)點(diǎn)溫度載荷導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析,完成熱應(yīng)力仿真。

圖5 焦平面熱流密度分布Fig.5 Heat flux of focal planes

圖6 網(wǎng)格劃分Fig.6 Grid meshing

3 結(jié)果與討論

3.1 接收面的光學(xué)特性

圖7為橢球和平板吸熱面結(jié)構(gòu)的接收面熱流密度。由圖7可知：當(dāng)異型熱管入射光功率為5.78 kW時(shí),橢球吸熱面結(jié)構(gòu)接收功率為2.7 kW，是平板吸熱面結(jié)構(gòu)接收功率(2.1 kW)的1.3倍,這是由于橢球吸熱面結(jié)構(gòu)接收面內(nèi)存在光線反射,在接收面中心形成高輻射通量密度聚集區(qū),表明橢球吸熱面結(jié)構(gòu)可有效提升聚光能力。橢球和平板吸熱面結(jié)構(gòu)的接收面平均熱流密度分別為56.2、118.3 kW/m2,這是因?yàn)闄E球結(jié)構(gòu)吸熱面的面積較大,其平均熱流密度會(huì)明顯較低。

圖7 接收器吸熱面的熱流密度分布Fig.7 Heat flux distributions on endothermic surfaces of the receivers

橢球吸熱面熱流密度分布均勻,從周向至中心熱流密度呈明顯增大趨勢(shì)；并且熱流密度相同區(qū)間的域面積越大,梯度越小,熱流密度低值與平板吸熱面結(jié)構(gòu)低值相近。并且,接收面內(nèi)30～120 mm位置,出現(xiàn)因結(jié)構(gòu)的凹面特征導(dǎo)致光線反射，所形成輻射通量匯聚,相較于平板吸熱面中心,45 mm半徑圓內(nèi)熱流密度明顯增加。平板吸熱面垂直及水平方向熱流密度分布雜亂,呈現(xiàn)小塊狀隨機(jī)散布,且隨著圓周向中心位置的距離遞近,熱流密度不斷發(fā)生波動(dòng),在高溫太陽(yáng)能熱利用中,大功率太陽(yáng)能聚光系統(tǒng)的熱通量一般大于200 kW/m2,所以平板吸熱面結(jié)構(gòu)溫度分布會(huì)呈現(xiàn)較為明顯的不均勻性。

不同光源分布下兩種結(jié)構(gòu)的吸熱面接收功率及熱流密度分布如表2所示。由表2可知:隨著光源分布的改變(圓形分布、半圓形分布、四分之一圓形分布以及豎直向條形分布),平板吸熱面結(jié)構(gòu)熱流密度分布變化不大,除接收功率的正常增幅外,面內(nèi)熱流密度分布區(qū)域接近一致。橢球與平板吸熱面結(jié)構(gòu)熱流密度低值相近,但熱流密度分布位置在接收面入射處呈現(xiàn)明顯的熱流密度集中,展現(xiàn)出良好的聚光能力。由此可見(jiàn),隨著入射輻照通量的增大及光照矩陣的增廣,橢圓吸熱面結(jié)構(gòu)接收功率的提升會(huì)愈加顯著,在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中更有利于接收器啟動(dòng)。

表2 接收器吸熱面的接收功率

3.2 吸熱面結(jié)構(gòu)對(duì)接收器熱應(yīng)力分布的影響

當(dāng)兩種結(jié)構(gòu)接收面平均熱流密度分別為56.2、118.3 kW/m2時(shí),HTSSHP熱應(yīng)力分布如圖8所示。由圖8可知：在熱態(tài)條件下,HTSSHP在升溫過(guò)程中,當(dāng)蒸發(fā)腔體內(nèi)部熱量較高時(shí),熱板冷凝面自然對(duì)流換熱顯著,進(jìn)而形成較明顯的溫度梯度,同時(shí),熱板與熱管直徑變化形成了突縮現(xiàn)象,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了膨脹約束,因此熱管與熱板內(nèi)壁面交界處產(chǎn)生熱應(yīng)力集中。

圖8 不同吸熱面結(jié)構(gòu)的接收器熱應(yīng)力分布Fig.8 Thermal stress distribution of receivers with different endothermic surface structures

橢球吸熱面結(jié)構(gòu)的最大熱應(yīng)力(11.2 MPa)發(fā)生在中心熱管腔體與熱板內(nèi)壁面的連接處,小于平板吸熱面結(jié)構(gòu)的最大熱應(yīng)力(12.2 MPa)。HTSSHP熱管腔體與熱板內(nèi)壁面交界存在大于10 MPa的熱應(yīng)力,表明兩種結(jié)構(gòu)的熱管腔體與熱板內(nèi)壁面交界處為熱應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)域。

3.3 HTSSHP傳熱特性

橢球吸熱面結(jié)構(gòu)與平板吸熱面結(jié)構(gòu)相比，熱應(yīng)力減小約9.1%,且其表面入射光接收功率也為平板吸熱面結(jié)構(gòu)的1.3倍,在滿足輕量化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下,可以穩(wěn)定應(yīng)用于太陽(yáng)能高溫?zé)峄瘜W(xué)耦合相變反應(yīng)器實(shí)際工作環(huán)境中。為此,搭建了第三代HTSSHP接收器電加熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái),測(cè)試其啟動(dòng)特性以及均溫性能。

3.3.1 啟動(dòng)特性

圖9為橢球吸熱面結(jié)構(gòu)HTSSHP的FDE段至CC段末端測(cè)溫點(diǎn)在不同平板蒸發(fā)段圓截面輸入熱流密度下完成啟動(dòng)所需時(shí)間。由圖9可知：當(dāng)熱流密度為67.0 kW/m2,啟動(dòng)時(shí)間大約為75 min；并且隨著熱流密度的增大,啟動(dòng)時(shí)間顯著縮短,當(dāng)熱流密度達(dá)到139.7 kW/m2時(shí),啟動(dòng)時(shí)間僅為39 min。在太陽(yáng)能高溫?zé)崂弥?高倍太陽(yáng)能聚光系統(tǒng)熱流密度一般為200～2 000 kW/m2,因此推測(cè)HTSSHP啟動(dòng)時(shí)間可以縮短至10 min,可滿足太陽(yáng)能高溫?zé)峄瘜W(xué)反應(yīng)器快速啟動(dòng)的需求。

圖9 HTSSHP不同位置完成啟動(dòng)所需時(shí)間Fig.9 Requiring time of start-up for different positions of the HTSSHP

隨著輸入熱流密度的增大,HTSSHP完全啟動(dòng)所需的時(shí)間逐漸縮短，熱流密度過(guò)低導(dǎo)致的熱板升溫時(shí)間延長(zhǎng)是影響熱管啟動(dòng)時(shí)間的主要原因。通過(guò)計(jì)算熱管軸向長(zhǎng)度和時(shí)間的比值,得出熱管FDE段內(nèi)部連續(xù)蒸汽流速度(1.0～2.2 mm/min)小于CC段內(nèi)部連續(xù)蒸汽流速度(8.2～10.9 mm/min)，與直通型單管高溫?zé)峁芰魉?12.5 mm/min)[21]相比,基本位于同一量級(jí)),這主要是由于FDE段內(nèi)徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CC段內(nèi)徑,在相同流量情況下,FDE段流速更小。

3.3.2 均溫性能

利用恒溫邊界條件考察悶燒條件下橢球吸熱面結(jié)構(gòu)HTSSHP的均溫特性。通過(guò)不斷調(diào)節(jié)加熱功率將爐膛溫度穩(wěn)定至700～900 ℃,考察CC段良好保溫時(shí)熱管的溫度分布，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知:當(dāng)爐膛溫度為700、750、800、850、900 ℃時(shí),FDE段至CC段末端溫差分別為58、76、64、77、89 ℃。并且,FDE段冷凝面至CC段熱管中心的溫差高于CC段熱管中心至CC段末端的溫差,主要因?yàn)槔淠蝺?nèi)熱板與熱管連接處存在突變截面,產(chǎn)生了局部阻力,導(dǎo)致熱管內(nèi)部壓強(qiáng)增大,從而形成溫差。

圖10 HTSSHP軸向穩(wěn)態(tài)溫度分布Fig.10 Steady-state temperature axial distribution of the HTSSHP

4 結(jié)論

1)當(dāng)接收面入射光功率為5.78 kW時(shí),橢球吸熱面結(jié)構(gòu)接收功率為2.7 kW,為平板吸熱面結(jié)構(gòu)接收功率(2.1 kW)的1.3倍,且其平均熱流密度(56.2 kW/m2)小于平板吸熱面結(jié)構(gòu)平均熱流密度(118.3 kW/m2),表明橢球吸熱面結(jié)構(gòu)可有效提升聚光能力。

2)當(dāng)橢球和平板吸熱面結(jié)構(gòu)熱流密度分別為56.2、118.3 kW/m2時(shí),其最大熱應(yīng)力分別為11.2、12.2 MPa,熱應(yīng)力集中均發(fā)生在中心熱管腔體與熱板內(nèi)壁面連接處。

3)針對(duì)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)研制的HTSSHP,其電加熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)FDE段截面熱流密度達(dá)到139.7 kW/m2時(shí),啟動(dòng)時(shí)間僅為39 min,且隨著熱流密度的增大，啟動(dòng)時(shí)間明顯縮短。當(dāng)爐膛溫度為700～900 ℃時(shí),FDE段至CC段末端軸向溫差小于89 ℃,均溫性能良好,適用于太陽(yáng)能高溫?zé)峁芊磻?yīng)器實(shí)際工作環(huán)境中。