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:123036
一种碟式太阳能腔式吸热器
散热特性的数值研究
陈慧,蒲文灏,韩东
(南京航空航天大学能源与动力学院,南京,210016)
(Tel:**********,Email:huichen1989@)
摘要:本文针对一种5KW的碟式太阳能腔式吸热器,采用数值模拟的方法,研究了壁面温度(673K、723 K、773 K、823 K)、倾角(0°、30°、60°、90°)、开口比(2、4、8、16)对腔式吸热器散热特性的影响。研究结果表明:该腔式吸热器的热损失随着壁面温度的升高而增大,壁面温度越高,辐射热损失占的比重越大;随着倾角的增加,对流热损失逐渐减小,辐射热损失基本不变;该腔式吸热器的热损失随着开口比的增加而减小,综合分析该腔式吸热器的开口比应该控制在8以内。
关键词:腔式吸热器;温度;倾角;开口比;热损失
0 前言
随着矿物燃料的日益枯竭和全球环境的不断恶化,太阳能作为一种清洁、可再生能源成为未来社会能源的希望。碟式太阳能斯特林热发电系统具有布局灵活、发电效率高、投资少、结构简单以及优化潜力大等优点。吸热器作为该系统的核心部件,用来收集焦平面处高密度的太阳光,其热性能关系到整个系统的效率。开口的腔式吸热器适用于中高温条件,是碟式太阳能热发电系统吸热器结构的首选,一方面要求其开口足够大,让足够多的太阳光进入;另一方面又要足够小,尽可能地减小吸热器的热损失。
腔式吸热器的热损失主要由四部分组成:通过壁面的导热损失、内壁面对聚焦光的反射热损失、腔体开口处的辐射热损失以及对流热损失。在选定吸热器的材料和尺寸的情况下,反射热损失是不变的。而在保温材料性能良好的条件下,吸热器的导热损失与对流损失和辐射损失相比非常小,可忽略不计。因此,腔式吸热器的优化方向主要集中在如何减小辐射损失和对流换热损失[1]。其中,吸热器的辐射热损失主要由腔体几何结构以及壁面温度条件决定。而吸热器的对流热损失比较复杂,受腔体几何结构、倾角以及壁面温度等多参数的影响。
目前,国内外研究者在腔式吸热器的传热性能分析方面已开展大量的理论和实验研究工作。Paitoonsurikan和Lovegrove[2-3]在恒定壁面温度条件下研究了不同结构的腔式吸热器模型在不同条件下的自然对流热损失。Taumoefolau[4]利用电加热的实验方式研究了不同测试温度和倾角下吸热器的热损失。Sendhil[5-7]采用数值模拟方法,以半球形、3/4球形和改进的半球形腔式吸热器为研究对象,假设达到稳态时吸热器壁面为等温壁面,研究不同倾斜角度下吸热器内外的温度场和对流热损失。2011年重庆大学吴双应[8]研究了中高温太阳能碟式系统热管吸热器的开孔位置和开孔大小对自然对流热损失的影响,分析了不同条件下的温度场和速度场。值得指出的是:国内外许多学者对方形、球形以及半球形吸热器的对流损失研究较多,而对圆柱形、平顶锥形等
研究相对较少,并且对吸热器的对流传热特性研究大都是以忽略辐射传热为基础。本文以5KW的碟式太阳能斯特林发动机圆柱形腔式吸热器为研究对象,模拟分析了壁面温度、倾角和开口比等参数对吸热器的温度分布、速度分布、对流传热特性以及辐射传热特性的影响。
1 典型吸热器模型验证
典型吸热器模型的几何尺寸如图1所示,开口直径