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        槽式太陽(yáng)能DSG系統(tǒng)集熱管內(nèi)強(qiáng)化傳熱的數(shù)值模擬

        2013-09-21 11:01:20閆偉偉葛仕福
        動(dòng)力工程學(xué)報(bào) 2013年7期
        關(guān)鍵詞:光管內(nèi)螺紋槽式

        閆偉偉, 葛仕福, 李 揚(yáng)

        (東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京210096)

        太陽(yáng)能熱發(fā)電是當(dāng)前研究的重點(diǎn)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(jī)容量最大、效率較高,已具有商業(yè)化規(guī)模且技術(shù)要求相對(duì)較低,是一種比較理想的熱發(fā)電技術(shù).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(chǎn)生蒸汽帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電,為直接產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)(Direct Steam Generator,DSG),簡(jiǎn)稱 DSG技術(shù)[1-2].單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,投資少,并且省去了工質(zhì)導(dǎo)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(shù)也有不足之處,如成本過高、受環(huán)境影響較大和工質(zhì)溫度的提高受到限制[3]等.由于DSG系統(tǒng)直接產(chǎn)生蒸汽,過程控制較復(fù)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(dāng)前面臨的困難和應(yīng)解決的問題.

        筆者采用數(shù)值模擬方法,利用內(nèi)螺紋強(qiáng)化管內(nèi)換熱,提高蒸汽側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù),降低管壁溫度.針對(duì)內(nèi)螺紋管強(qiáng)化傳熱在太陽(yáng)能真空集熱器內(nèi)的應(yīng)用研究還比較少,對(duì)于管內(nèi)蒸汽側(cè)的換熱,如果選擇合適的內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)參數(shù),對(duì)流傳熱系數(shù)將有較大的提高,同時(shí)流體阻力增加不大[4-6],并且內(nèi)螺紋管制作簡(jiǎn)單,安裝方便,這對(duì)于DSG的強(qiáng)化傳熱有重要意義.因此,有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究,解決DSG技術(shù)中管壁溫度過高、工質(zhì)溫升困難的問題,為DSG技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展開拓路徑.

        1 實(shí)驗(yàn)裝置

        槽式太陽(yáng)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(yáng)光聚焦反射到集熱管上,然后將水加熱成蒸汽,推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電.真空集熱管內(nèi)管為不銹鋼管,表面敷設(shè)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(shí)驗(yàn)裝置見圖1.整個(gè)集熱器采用單軸跟蹤控制系統(tǒng),南北軸水平放置,設(shè)備參數(shù)見表1.

        圖1 實(shí)驗(yàn)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(xué)模型

        采用Fluent軟件建立實(shí)驗(yàn)裝置的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值模擬.模型管長(zhǎng)4m和0.5m,其中,4m的是與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比的模型管,0.5m的是詳細(xì)模擬分析的模型管,內(nèi)徑均為60mm,管內(nèi)工質(zhì)為過熱蒸汽,采用耦合隱式求解器,選用定常流動(dòng),網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格.采用k-ε湍流計(jì)算模型,對(duì)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(shí)間內(nèi),可認(rèn)為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不變,則周向熱流密度可設(shè)為定值.由于玻璃罩內(nèi)為高真空,對(duì)流和導(dǎo)熱損失很少,可以忽略,因此可對(duì)內(nèi)部鋼管建立傳熱模型,以恒定熱流為壁面邊界條件,管內(nèi)為充分發(fā)展湍流,分別對(duì)光管(編號(hào)0)和內(nèi)螺紋管進(jìn)行數(shù)值模擬.內(nèi)螺紋管結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2,其中d為內(nèi)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(nèi)螺紋管的結(jié)構(gòu)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(zhì)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(duì)吸收管熱流密度分布的光學(xué)模擬結(jié)果.模擬太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為500W/m2的實(shí)驗(yàn)工況,吸收管表面熱流密度分布如圖2所示,其中正對(duì)太陽(yáng)的主光軸位置為0°,角度變化方向?yàn)槟鏁r(shí)針.模型不考慮重力作用,在同一工況模擬管段范圍內(nèi)假定蒸汽物理性質(zhì)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(jié)果與分析

        3.1 模型的驗(yàn)證

        首先對(duì)光管進(jìn)行數(shù)值模擬,將所得努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)f與經(jīng)驗(yàn)公式(1)和公式(2)的計(jì)算結(jié)果[8]進(jìn)行對(duì)比(見圖3).從圖3可以看出,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對(duì)光管進(jìn)行模擬的結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)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(jì)算模型準(zhǔn)確可靠.

        圖3 Nu、f與Re的關(guān)系Fig.3 Relationship of Nuand drag coefficient with Re

        再對(duì)數(shù)值模擬所得光管的管壁溫度與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見圖4.由圖4可知,模擬值和實(shí)驗(yàn)值變化趨勢(shì)相近,實(shí)驗(yàn)值略大于模擬值,二者之間的誤差在合理范圍內(nèi),從而驗(yàn)證了模型在實(shí)際應(yīng)用中是準(zhǔn)確可靠的.

        圖4 光管平均管壁溫度模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比Fig.4 Comparison of average tube wall temperature between simulated and experimental results

        3.2 內(nèi)螺紋管的傳熱特性

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

        從圖5可以看出,內(nèi)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(nèi),并且隨著Re的增大而增大.這是由于內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了蒸汽擾動(dòng),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(qiáng)了管壁與蒸汽之間的換熱,當(dāng)流速增大時(shí),擾動(dòng)和換熱也大大增強(qiáng).此外,當(dāng)螺距不變,螺紋高度增加時(shí),Nu逐漸增大;當(dāng)螺紋高度一定,螺距變大時(shí),Nu則隨之減?。@是因?yàn)槁菁y高度增加,對(duì)近壁面流體滯止作用增強(qiáng),流體在黏性作用和壁面滯止作用的復(fù)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(duì)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(hào)內(nèi)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(nèi)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(nèi)螺紋管的流動(dòng)阻力特性

        對(duì)表2中9種不同尺寸的內(nèi)螺紋管進(jìn)行數(shù)值模擬,得到其流動(dòng)阻力特性,作出f與Re的關(guān)系曲線,并與光管的f0進(jìn)行了比較,結(jié)果見圖6.從圖6可以看出,內(nèi)螺紋管管內(nèi)流動(dòng)阻力系數(shù)遠(yuǎn)大于光管,二者阻力系數(shù)的比值在3.1~8.7內(nèi),且隨著Re的增大而增大.內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)增加了擾動(dòng),自然也就增大了流體流動(dòng)阻力,與增強(qiáng)換熱的有利作用相悖,螺紋高度越高、螺距越小,則在增強(qiáng)換熱的同時(shí)阻力系數(shù)增加得也越多.從圖6還可看出,3號(hào)內(nèi)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(hào)內(nèi)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(nèi)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(píng)價(jià)及最優(yōu)結(jié)構(gòu)

        綜上所述可知,傳熱特性好的內(nèi)螺紋管其阻力系數(shù)也大,對(duì)于采用內(nèi)螺紋管加強(qiáng)管內(nèi)換熱的措施是否有經(jīng)濟(jì)效益,筆者采用綜合性能評(píng)價(jià)參數(shù)w[9]來比較不同結(jié)構(gòu)參數(shù)內(nèi)螺紋管的綜合性能,若w>1說明有經(jīng)濟(jì)價(jià)值,且w越大,綜合性能越好.w的表達(dá)式如下:

        圖7給出了9種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的內(nèi)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(nèi)螺紋管強(qiáng)化換熱具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,并且在高Re區(qū)域效益更好.從圖7還可知,螺距一定時(shí),螺紋高度的增加會(huì)降低綜合性能,而螺紋高度一定時(shí),螺距對(duì)w的影響卻不一致.其中,1號(hào)內(nèi)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(hào)內(nèi)螺紋管是最優(yōu)結(jié)構(gòu).

        圖7 不同結(jié)構(gòu)的內(nèi)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(hào)內(nèi)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(hào)內(nèi)螺紋管管壁平均溫度比光管低36~66K,1號(hào)內(nèi)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(nèi)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(yīng)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(qiáng)涂層的穩(wěn)定性和壽命.因此,采用內(nèi)螺紋管強(qiáng)化槽式太陽(yáng)能DSG真空集熱管管內(nèi)蒸汽換熱具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值,可進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究和開發(fā)利用.

        圖8 內(nèi)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(jié) 論

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

        (2)內(nèi)螺紋管的傳熱特性明顯優(yōu)于光管.內(nèi)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(hào)內(nèi)螺紋管的傳熱特性最好.

        (3)螺紋對(duì)管內(nèi)蒸汽的擾動(dòng)作用增加了流動(dòng)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(hào)內(nèi)螺紋管的f最大,7號(hào)內(nèi)螺紋管的f最小.

        (4)采用內(nèi)螺紋管強(qiáng)化蒸汽換熱具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值.其中,1號(hào)內(nèi)螺紋管的綜合性能最好,其w 為2.0~3.2,是最優(yōu)結(jié)構(gòu).

        (5)由1號(hào)內(nèi)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(nèi)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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