文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123634
槽式太阳能集热器真空夹层
传热的数值模拟*本文受国家自然科学基金(51136004)及国家重点基础研究(973)项目(G2010CB227202)资助
唐振, 孙志新, 李增耀,何雅玲,陶文铨*
(西安交通大学能源与动力工程学院热流科学与工程教育部重点实验室,西安,710049)
(Tel:029-82669106 Email: ******@.)
摘要本文运用直接模拟蒙特卡洛方法(Direct Simulation of Monte Carlo, DSMC)采用结构化网格对槽式太阳能集热器真空夹层内的流动与换热进行了数值模拟。数值模拟结果与文献数据符合良好。模拟结果表明:在壁面温差一定条件下,环形空间内压力越大,热损失越大。~10Pa 压力区间内,随着环形空间内的压力升高,热损失成接近线性增加。,热损失变化不大。。
关键词太阳能集热器,真空夹层,DSMC,数值模拟
0 引言
太阳能是支撑未来我国社会可持续发展的前瞻性、战略性能源,是国家重点培育和发展的战略性新型产业[1]。太阳能热发电的主要方式有:塔式、槽式、蝶式等,已经实现商业化应用水平的方式为聚焦型的塔式和槽式。槽式太阳能热发电技术是目前技术上最为成熟、发电成本最低、与常规能源发电方式最具有竞争力的太阳能热发电技术,发展前景广阔[2]。但是要实现大规模商业化,槽式太阳能热发电技术还需要有效地降低成本,提高光热转换效率。而高效率的真空集热管是槽式热发电的核心部件,其性能对整个系统的运行具有举足轻重的作用。因此有必要对集热器内部的传热特性开展进一步的研究。
图1 真空集热管结构图
真空集热管由一根在外壁面涂有选择性吸收涂料的不锈钢管和套在不锈钢管外面的玻璃套管组成(图1)。不锈钢管和玻璃套管之间抽真空,形成真空环形空间,以降低集热管在高温(700K)情况下的不锈钢管和玻璃套管之间的对流换热损失,并防止选择性吸收涂层被氧化。现有文献认为,真空空间的压力应不高于Knudsen气体导热压力范围, [3]。
如图2所示,真空集热管热损失过程包括导热、对流、辐射以及稀薄气体传热等各种形式, 而且各种传热形式相互耦合, 并在一定条件下主要的传热方式还会改变,例如:当真空度较高时,热损失纯粹为气体分子间的热传导;如果环形空间真空度降低,换热方式会从稀薄气体传热与辐射耦合变为自然对流和辐射耦合换热,再降低事,换热就会过渡到湍流对流传热,热损失急剧升高。文献[4]给出了集热管详细热损失过程与相应的换热关联式。这些关联式主要是建立在实验基础上的经验式[5]。采用数值模拟来计算集热器环形空间内的换热,目前少有人研究。
由于集热器环形空间内的气体工作压强低(<)而温度相对较高,其内气体的流动处于自由分子流,因此,基于连续性假设基础上的传统数值模拟的方法不再有效。用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法来研究集热器环形空间内的流动与传热是最合适的一种方法。文献[6]运用蒙特卡洛光线追踪法(MCRT)模拟了抛物槽式系统聚光特性。文献[7, 8]建立了真空集热管中吸收管和玻璃管之间热辐射和残余气体热