%aa阳能热发电系统中吸热器温度场模拟_图文.doc

・64・化学工程2009年第37卷第8期 形、圆柱形、椭圆形、圆锥形及复合圆锥形‘2|。本文 针对这5种不同结构的吸热反应器,对其内部的温 度场进行分析比较,为吸热反应器的设计、制造提供 理论参考。 1物理数学模型 1.1物理模型 吸热器接受聚光的太阳辐射,加热排列在吸热器 内壁的氨分解反应器,使发生化学反应,以此实现太 阳能向化学能的转化,也是能量的储存过程。图1示 出了球形吸热器的结构和该能量转换方式的原理。 绝热 辐射 吸热板 氨分解反应器 猡猡合氐氐 、聚光磲 1.2数学模型 理论上,系统存在传导、对流和辐射3种传热方式。为方便进行数值模拟,对物理模型和控制方程进行合理的选择和简化。控制方程采用有限容积法【3J,选用DO辐射模型,用SIMPLE算法求解速度压力方程,对流扩散项采用二阶迎风格式。自然对流流动强度由量纲一瑞利数砌来判定。 1.2.1对流传热模型 吸热器内部为自然对流,其传热可采用动量方程、能量方程和连续性方程模拟[4】,采用极坐标时相应的方程如下 动量方程.,・Vl,F一业t,驴l,1 p 能量方程VⅢ。V Tp酱一害2连续性方程V・l,03式中v为极坐标r,0,咖下的速度向量,西为吸热器偏角;V为拉普拉斯算子;F为单位体积作用力;p 为压力;T为空气温度,P为空气密度;h为单位质量流体的比焓;t,为空气运动黏度;k.为空气热传导率;￡为时间。 边界条件模拟中假定附着在吸热器内壁面的空气温度和内壁面温度相同,即TL,;模拟的是封闭容积,VCOS00;吸热器外壁面设置为绝热状态,鬈_00 初始条件rlⅢt。。,l,IⅢ0。其中t。,表示环境温度。 1.2.2辐射传热模型 计算中用到的辐射模型为【5引 掣小旭,”m凡2譬 I,,,s’中s・s’∽’4式中,为位置向量;s为方向向量;墨7为散射方向;s 为沿程长度行程长度;口为吸收系数;rt为折射系数;盯。为散射系数;盯为斯蒂芬一玻耳兹曼常数5.627X10’8W/m2・K4;,为辐射强度,依赖于位置,与方向J;r为当地温度;中为相位函数;-r27为空间立体角;口盯。s为介质的光学深度。 1.2.3入射强度模型 图2所示为美国Kramer Junction电厂所处位置的年辐射强度变化。川。由图2可见,在每一天内随着时间的推移,太阳辐射强度是在不断变化,呈现从弱到强再逐渐减弱的趋势。为方便计算,本文根据这种辐射变化趋势,做了简化处理,如图3所示。编写分段的UDFUserDefined Function文件,模拟辐射传热。图中的辐射强度是经聚光碟聚光后到达吸热器入射面聚焦面的入射强度,假设太阳辐射强度经聚光反射到接收器表面的放大倍数为4一。 图2K舳“Junction地区的太阳年辐射强度 Fig.2Annual insolation mantle for KHⅡI№r Junction a眺 廖葵等碟式太阳能热发电系统中吸热器温度场模拟・65・ 1.2.4流动类型判断 当反射的太阳光照射到吸热器入射面时,吸 热器内空气温度及其余各面的温度和入射面温 度不再相同,由此产生密度差和浮力驱动的自然 对流。自然对流流动强度由Ra来判定,Ra可表 示为 RaGr.PrTIBgATL3p2.旦且型-堕5 /1.‘口/jzz 式中卢为体膨胀系数也叫热胀系数,口一1 P 等,即定压下与温度变化相对应的密度变化的度 量;g为重力加速度;口为热扩散率,口旦,A为空 pep 气的导热系数,c。为比定压热容;p为动力黏度,p ∥。若Ra108,浮力驱动的对流为层流;若108 R口10|0区间时,为层流与湍流的过渡阶段。 2网格划分 物理模型选取球形,见图1,其网格划分见图4, 在壁面进行了网格的局部加密。入射面材料假设为 玻璃,透过率为1。底面绝热,二侧壁面向靠壁排列 的氨分解反应器放热。 圈4网格分布 Fig.4Grid distribution 3模拟结果分析 3.1温度场分析 有研究结果表明,吸热器腔体的形状对吸热器 的热效率影响很小,但对系统的温度分布有很大影 响【8J。吸热器入射面由于连续接受太阳辐射,其温 度将高出其他各面。而侧面所取材料相同,故温度 分布应是对称的,如图5所示。在1d的时间段里, 随着太阳辐射强度的变化,吸热器壁面温度将出现 相应的由低到高再转低的变化。 图5球形吸热器的温度分布 Fig.5Temperature distributions of spherical heat receiver 3.25种结构的热性能比较 图6给出了吸热器的5种不同结构在相同时间 下上午8点的温度分布。吸热器的内壁面的温 度分布是不均匀的,当最高温度和最低温度相差太 大,将对吸收器内部热量的均匀性极其不利,容易形 成由于局部高温导致裂管。由图6可看出,在太阳 辐射相同时间下,球形结构的内壁升温最快,温度达 到最高,且温差不大。圆锥形结构的内壁温度也达 到了和球形结构相似的温度。而圆柱形、椭圆形、复 合圆锥形则升温较慢,内壁温度偏低。 3.3球形吸热器各个不同时刻的温度场分布 以球形吸热器为例,模拟了其在l d内不同时 刻的温度分布,如图7所示。从图中可以看出,从 早上8点到下午16点的时间段里,随着太阳辐射 的变化,吸热器内壁温度出现了相应的变化,在正 午12点温度最高,早上和下午时间段的温度相 近,下午时间段的温度略高,这是因为经过上午一 段时间的辐射,有了热量的积累。从图中还可以 看到,在各个时刻,温度均对称分布,温度分布图 基本相似。随着辐射强度的变化,吸热器平均温 度呈现相应的增减,但变化幅度小于辐射强度的 变化。 O O O O O O O O O 如∞如∞如∞如∞如 图7球形吸热器在不同时刻的温度分布 Fig.7T。mpemtuM dist曲uti。ns of sPherical he8t receiver aI differentⅡIne【-F.转g78页】