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.
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
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
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
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
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
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
(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.
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