閆偉偉， 葛仕福， 李 揚

（東南大學 能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室，南京210096）

太陽能熱發(fā)電是當前研究的重點課題，包括槽式、塔式和碟式3種發(fā)電形式，其中槽式集熱發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量最大、效率較高，已具有商業(yè)化規(guī)模且技術要求相對較低，是一種比較理想的熱發(fā)電技術．槽式發(fā)電分為單回路系統(tǒng)和雙回路系統(tǒng)2種形式，單回路系統(tǒng)直接加熱水產生蒸汽帶動汽輪機發(fā)電，為直接產蒸汽系統(tǒng)（Direct Steam Generator，DSG），簡稱 DSG技術［1－2］．單回路系統(tǒng)結構簡單，投資少，并且省去了工質導熱油而直接加熱蒸汽，提高了系統(tǒng)發(fā)電效率，也減輕了環(huán)境污染，是槽式發(fā)電的新方向．然而，DSG技術也有不足之處，如成本過高、受環(huán)境影響較大和工質溫度的提高受到限制［3］等．由于DSG系統(tǒng)直接產生蒸汽，過程控制較復雜，尤其是蒸汽過熱段，傳熱惡化和管壁溫度飛升，過高的管壁溫度既降低了管子和涂層的使用壽命，又增大了涂層發(fā)射率，使得整體效率降低，這是當前面臨的困難和應解決的問題．

筆者采用數(shù)值模擬方法，利用內螺紋強化管內換熱，提高蒸汽側的對流傳熱系數(shù)，降低管壁溫度．針對內螺紋管強化傳熱在太陽能真空集熱器內的應用研究還比較少，對于管內蒸汽側的換熱，如果選擇合適的內螺紋結構參數(shù)，對流傳熱系數(shù)將有較大的提高，同時流體阻力增加不大［4－6］，并且內螺紋管制作簡單，安裝方便，這對于DSG的強化傳熱有重要意義．因此，有必要對其進行深入研究，解決DSG技術中管壁溫度過高、工質溫升困難的問題，為DSG技術的進一步發(fā)展開拓路徑．

1 實驗裝置

槽式太陽能DSG熱發(fā)電系統(tǒng)主要是借助槽形拋物面聚光器將太陽光聚焦反射到集熱管上，然后將水加熱成蒸汽，推動汽輪機發(fā)電．真空集熱管內管為不銹鋼管，表面敷設光譜選擇性吸收涂層，外罩玻璃罩，環(huán)形空間抽真空，以減少熱量的流失．DSG槽式集熱器主要由反光鏡、集熱管、跟蹤系統(tǒng)和支架組成，實驗裝置見圖1．整個集熱器采用單軸跟蹤控制系統(tǒng)，南北軸水平放置，設備參數(shù)見表1．

圖1 實驗裝置圖Fig．1 Schematic diagram of the experimental setup

表1 集熱器的物理參數(shù)Tab．1 Physical parameters of the collector

2 數(shù)學模型

采用Fluent軟件建立實驗裝置的數(shù)學模型并進行數(shù)值模擬．模型管長4m和0．5m，其中，4m的是與實驗值對比的模型管，0．5m的是詳細模擬分析的模型管，內徑均為60mm，管內工質為過熱蒸汽，采用耦合隱式求解器，選用定常流動，網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格．采用k－ε湍流計算模型，對壁面附近的區(qū)域采用二層模型的壁面函數(shù)法．在較短時間內，可認為太陽輻射強度不變，則周向熱流密度可設為定值．由于玻璃罩內為高真空，對流和導熱損失很少，可以忽略，因此可對內部鋼管建立傳熱模型，以恒定熱流為壁面邊界條件，管內為充分發(fā)展湍流，分別對光管（編號0）和內螺紋管進行數(shù)值模擬．內螺紋管結構參數(shù)見表2，其中d為內徑，p為螺距，e為螺紋高度，螺紋寬度與高度取值一致．

表2 內螺紋管的結構參數(shù)Tab．2 Structural parameters of the internally ribbed tube

由于過熱水蒸氣為可壓縮氣體，入口邊界采用質量入口，出口邊界為壓力出口，壁面熱流邊界條件采用王亞龍［7］對吸收管熱流密度分布的光學模擬結果．模擬太陽輻射強度為500W／m2的實驗工況，吸收管表面熱流密度分布如圖2所示，其中正對太陽的主光軸位置為0°，角度變化方向為逆時針．模型不考慮重力作用，在同一工況模擬管段范圍內假定蒸汽物理性質不變．

圖2 吸收管周向熱流密度分布Fig．2 Circumferential distribution of energy flux density in the absorption tube

3 模擬結果與分析

3．1 模型的驗證

首先對光管進行數(shù)值模擬，將所得努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)f與經驗公式（1）和公式（2）的計算結果［8］進行對比（見圖3）．從圖3可以看出，采用標準k－ε模型對光管進行模擬的結果與經驗公式計算結果較為吻合，Nu和f的最大誤差分別為6．7%和12．7%，因此，在理論上該計算模型準確可靠．

圖3 Nu、f與Re的關系Fig．3 Relationship of Nuand drag coefficient with Re

再對數(shù)值模擬所得光管的管壁溫度與實驗值進行對比，結果見圖4．由圖4可知，模擬值和實驗值變化趨勢相近，實驗值略大于模擬值，二者之間的誤差在合理范圍內，從而驗證了模型在實際應用中是準確可靠的．

圖4 光管平均管壁溫度模擬值與實驗值的對比Fig．4 Comparison of average tube wall temperature between simulated and experimental results

3．2 內螺紋管的傳熱特性

對表2中9種不同尺寸的內螺紋管在Re為30 000～100 000區(qū)間內的工況進行數(shù)值模擬，得到其傳熱特性以及每根管子Nu與Re的關系曲線，并與光管的結果進行比較（見圖5）．

從圖5可以看出，內螺紋管的傳熱特性明顯優(yōu)于光管，二者的Nu比值在1．6～2．4內，并且隨著Re的增大而增大．這是由于內螺紋結構增強了蒸汽擾動，主要是壁面螺紋凸肋使邊界層發(fā)生分離，降低其厚度從而增強了管壁與蒸汽之間的換熱，當流速增大時，擾動和換熱也大大增強．此外，當螺距不變，螺紋高度增加時，Nu逐漸增大；當螺紋高度一定，螺距變大時，Nu則隨之減?。@是因為螺紋高度增加，對近壁面流體滯止作用增強，流體在黏性作用和壁面滯止作用的復合影響下，不斷減速，邊界層與壁面發(fā)生脫離而破壞了邊界層層流底層．因此，螺紋高度越高、螺距越小，對邊界層的破壞作用就越明顯，傳熱特性也就越好．由圖5可知，3號內螺紋管螺距最小、螺紋高度最高，傳熱特性最好，其Nu是光管的2～2．4倍．

圖5 內螺紋管Nu與光管Nu0的比值隨Re的變化Fig．5 Variation of the Nu／Nu0ratio with Re

3．3 內螺紋管的流動阻力特性

對表2中9種不同尺寸的內螺紋管進行數(shù)值模擬，得到其流動阻力特性，作出f與Re的關系曲線，并與光管的f0進行了比較，結果見圖6．從圖6可以看出，內螺紋管管內流動阻力系數(shù)遠大于光管，二者阻力系數(shù)的比值在3．1～8．7內，且隨著Re的增大而增大．內螺紋結構增加了擾動，自然也就增大了流體流動阻力，與增強換熱的有利作用相悖，螺紋高度越高、螺距越小，則在增強換熱的同時阻力系數(shù)增加得也越多．從圖6還可看出，3號內螺紋管螺距最小、螺紋高度最高，因此阻力系數(shù)最大，其f是光管的6．6～8．7倍；7號內螺紋管螺距最大、螺紋高度最低，阻力系數(shù)最小，其f是光管的3．1～3．8倍．

圖6 內螺紋管f與光管f0的比值隨Re的變化Fig．6 Variation of the f／f0ratio with Re

3．4 綜合性能評價及最優(yōu)結構

綜上所述可知，傳熱特性好的內螺紋管其阻力系數(shù)也大，對于采用內螺紋管加強管內換熱的措施是否有經濟效益，筆者采用綜合性能評價參數(shù)w［9］來比較不同結構參數(shù)內螺紋管的綜合性能，若w＞1說明有經濟價值，且w越大，綜合性能越好．w的表達式如下：

圖7給出了9種不同結構參數(shù)的內螺紋管w隨Re的變化．從圖7可以看出，各螺紋管的w均大于1，處于1．7～3．2之間，且隨著Re的增大而增大．由此可見，采用內螺紋管強化換熱具有較高的經濟價值，并且在高Re區(qū)域效益更好．從圖7還可知，螺距一定時，螺紋高度的增加會降低綜合性能，而螺紋高度一定時，螺距對w的影響卻不一致．其中，1號內螺紋管的綜合性能最好，其w為2．0～3．2，可見在本模擬中螺距為18mm、螺紋高度為2mm的1號內螺紋管是最優(yōu)結構．

圖7 不同結構的內螺紋管w的比較Fig．7 Comparison of wamong internally ribbed tubes with different structural parameters

圖8給出了1號內螺紋管與光管的管壁平均溫度和最大管壁溫差．從圖8可以看出，1號內螺紋管管壁平均溫度比光管低36～66K，1號內螺紋管管壁最大溫差為43～125K，光管的管壁最大溫差為107～239K．可見，內螺紋管在降低管壁溫度和減小管壁溫差方面作用十分顯著．最大管壁溫差的減小，可以減輕管子的熱應力變形，增加真空集熱管壽命；管壁溫度的降低可大大減小涂層發(fā)射率、增強涂層的穩(wěn)定性和壽命．因此，采用內螺紋管強化槽式太陽能DSG真空集熱管管內蒸汽換熱具有很好的經濟效益和實用價值，可進行進一步的實驗研究和開發(fā)利用．

圖8 內螺紋管與光管管壁平均溫度和最大管壁溫差的比較Fig．8 Comparison of average wall temperature and maximum wall temperature difference between internally ribbed tube and smooth tube

4 結 論

（1）采用Fluent軟件能很好地模擬蒸汽在內螺紋管內的傳熱特性與流動阻力特性，并能得到比較準確的管壁溫度數(shù)值．

（2）內螺紋管的傳熱特性明顯優(yōu)于光管．內螺紋管的Nu是光管的1．6～2．4倍，且螺紋高度越高、螺距越小，Nu就越大，其中3號內螺紋管的傳熱特性最好．

（3）螺紋對管內蒸汽的擾動作用增加了流動阻力，螺紋管的f是光管的3．1～8．7倍，且螺紋高度越高、螺距越小，f就越大，3號內螺紋管的f最大，7號內螺紋管的f最?。?/p>

（4）采用內螺紋管強化蒸汽換熱具有明顯的經濟效益和實用價值．其中，1號內螺紋管的綜合性能最好，其w 為2．0～3．2，是最優(yōu)結構．

（5）由1號內螺紋管和光管的管壁平均溫度和最大管壁溫差的比較可知，內螺紋管能夠大幅度降低管壁溫度，有效減小最大管壁溫差．

［1］韋彪，朱天宇．DSG太陽能槽式集熱器聚光特性模擬［J］．動力工程學報，2011，31（10）：773－778．WEI Biao，ZHU Tianyu．Simulation on concentrating characteristics of DSG parabolic trough collectors［J］．Journal of Chinese Society of Power Engineering，2011，31（10）：773－778．

［2］IVAN M，RAFAEL A．Experimental and theoretical analysis of annular two－phase flow regimen in direct steam generation for a low－power system［J］．Solar Energy，2007，81（2）：216－226．

［3］ECK M，STEINMANN W．Modelling and design of direct solar steam generating collector fields［J］．Journal of Solar Energy Engineering，2005，127（3）：371－380．

［4］MUNOZ J，ABANADES A．Analysis of internal helically finned tubes for parabolic trough design by CFD tools［J］．Applied Energy，2011，88（11）：4139－4149．

［5］BHARADWAJ P，KHONDGE A D，DATE A W．Heat transfer and pressure drop in a spirally grooved tube with twisted tape insert［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2009，52（7／8）：1938－1944．

［6］李軍，王晨，桑芝富，等．結構參數(shù)對螺旋槽管傳熱與阻力性能影響的研究［J］．化工機械，2011，38（1）：97－103．LI Jun，WANG Chen，SANG Zhifu，et al．Study on influence of structure parameters on heat transfer and flow resistance of spiral－grooved tube［J］．Chemical Engineering＆Machinery，2011，38（1）：97－103．

［7］王亞龍．槽式太陽能集熱與熱發(fā)電系統(tǒng)集成研究［D］．北京：中國科學院研究生院，2010：41－43．

［8］楊世銘，陶文銓．傳熱學 ［M］．4版．北京：高等教育出版社，1998：248．

［9］孟祥春．管內插入螺旋絲強化氣體傳熱的研究［J］．化工裝備技術，1991，12（5）：8－12．MENG Xiangchun．Study on heat transfer enhancement of gas in interpolation spiral wire tube［J］．Chemical E－quipment Technology，1991，12（5）：8－12．