槽式太阳能DSG系统集热管内强化传热的数值模拟

闫伟伟， 葛仕福， 李 扬

（东南大学 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京210096）

太阳能热发电是当前研究的重点课题，包括槽式、塔式和碟式3种发电形式，其中槽式集热发电系统的装机容量最大、效率较高，已具有商业化规模且技术要求相对较低，是一种比较理想的热发电技术．槽式发电分为单回路系统和双回路系统2种形式，单回路系统直接加热水产生蒸汽带动汽轮机发电，为直接产蒸汽系统（Direct Steam Generator，DSG），简称 DSG技术［1－2］．单回路系统结构简单，投资少，并且省去了工质导热油而直接加热蒸汽，提高了系统发电效率，也减轻了环境污染，是槽式发电的新方向．然而，DSG技术也有不足之处，如成本过高、受环境影响较大和工质温度的提高受到限制［3］等．由于DSG系统直接产生蒸汽，过程控制较复杂，尤其是蒸汽过热段，传热恶化和管壁温度飞升，过高的管壁温度既降低了管子和涂层的使用寿命，又增大了涂层发射率，使得整体效率降低，这是当前面临的困难和应解决的问题．

笔者采用数值模拟方法，利用内螺纹强化管内换热，提高蒸汽侧的对流传热系数，降低管壁温度．针对内螺纹管强化传热在太阳能真空集热器内的应用研究还比较少，对于管内蒸汽侧的换热，如果选择合适的内螺纹结构参数，对流传热系数将有较大的提高，同时流体阻力增加不大［4－6］，并且内螺纹管制作简单，安装方便，这对于DSG的强化传热有重要意义．因此，有必要对其进行深入研究，解决DSG技术中管壁温度过高、工质温升困难的问题，为DSG技术的进一步发展开拓路径．

1 实验装置

槽式太阳能DSG热发电系统主要是借助槽形抛物面聚光器将太阳光聚焦反射到集热管上，然后将水加热成蒸汽，推动汽轮机发电．真空集热管内管为不锈钢管，表面敷设光谱选择性吸收涂层，外罩玻璃罩，环形空间抽真空，以减少热量的流失．DSG槽式集热器主要由反光镜、集热管、跟踪系统和支架组成，实验装置见图1．整个集热器采用单轴跟踪控制系统，南北轴水平放置，设备参数见表1．

图1 实验装置图Fig．1 Schematic diagram of the experimental setup

表1 集热器的物理参数Tab．1 Physical parameters of the collector

2 数学模型

采用Fluent软件建立实验装置的数学模型并进行数值模拟．模型管长4m和0．5m，其中，4m的是与实验值对比的模型管，0．5m的是详细模拟分析的模型管，内径均为60mm，管内工质为过热蒸汽，采用耦合隐式求解器，选用定常流动，网格划分采用六面体网格．采用k－ε湍流计算模型，对壁面附近的区域采用二层模型的壁面函数法．在较短时间内，可认为太阳辐射强度不变，则周向热流密度可设为定值．由于玻璃罩内为高真空，对流和导热损失很少，可以忽略，因此可对内部钢管建立传热模型，以恒定热流为壁面边界条件，管内为充分发展湍流，分别对光管（编号0）和内螺纹管进行数值模拟．内螺纹管结构参数见表2，其中d为内径，p为螺距，e为螺纹高度，螺纹宽度与高度取值一致．

表2 内螺纹管的结构参数Tab．2 Structural parameters of the internally ribbed tube

由于过热水蒸气为可压缩气体，入口边界采用质量入口，出口边界为压力出口，壁面热流边界条件采用王亚龙［7］对吸收管热流密度分布的光学模拟结果．模拟太阳辐射强度为500W／m2的实验工况，吸收管表面热流密度分布如图2所示，其中正对太阳的主光轴位置为0°，角度变化方向为逆时针．模型不考虑重力作用，在同一工况模拟管段范围内假定蒸汽物理性质不变．

图2 吸收管周向热流密度分布Fig．2 Circumferential distribution of energy flux density in the absorption tube

3 模拟结果与分析

3．1 模型的验证

首先对光管进行数值模拟，将所得努塞尔数Nu和阻力系数f与经验公式（1）和公式（2）的计算结果［8］进行对比（见图3）．从图3可以看出，采用标准k－ε模型对光管进行模拟的结果与经验公式计算结果较为吻合，Nu和f的最大误差分别为6．7%和12．7%，因此，在理论上该计算模型准确可靠．

图3 Nu、f与Re的关系Fig．3 Relationship of Nuand drag coefficient with Re

再对数值模拟所得光管的管壁温度与实验值进行对比，结果见图4．由图4可知，模拟值和实验值变化趋势相近，实验值略大于模拟值，二者之间的误差在合理范围内，从而验证了模型在实际应用中是准确可靠的．

图4 光管平均管壁温度模拟值与实验值的对比Fig．4 Comparison of average tube wall temperature between simulated and experimental results

3．2 内螺纹管的传热特性

对表2中9种不同尺寸的内螺纹管在Re为30 000～100 000区间内的工况进行数值模拟，得到其传热特性以及每根管子Nu与Re的关系曲线，并与光管的结果进行比较（见图5）．

从图5可以看出，内螺纹管的传热特性明显优于光管，二者的Nu比值在1．6～2．4内，并且随着Re的增大而增大．这是由于内螺纹结构增强了蒸汽扰动，主要是壁面螺纹凸肋使边界层发生分离，降低其厚度从而增强了管壁与蒸汽之间的换热，当流速增大时，扰动和换热也大大增强．此外，当螺距不变，螺纹高度增加时，Nu逐渐增大；当螺纹高度一定，螺距变大时，Nu则随之减小．这是因为螺纹高度增加，对近壁面流体滞止作用增强，流体在黏性作用和壁面滞止作用的复合影响下，不断减速，边界层与壁面发生脱离而破坏了边界层层流底层．因此，螺纹高度越高、螺距越小，对边界层的破坏作用就越明显，传热特性也就越好．由图5可知，3号内螺纹管螺距最小、螺纹高度最高，传热特性最好，其Nu是光管的2～2．4倍．

图5 内螺纹管Nu与光管Nu0的比值随Re的变化Fig．5 Variation of the Nu／Nu0ratio with Re

3．3 内螺纹管的流动阻力特性

对表2中9种不同尺寸的内螺纹管进行数值模拟，得到其流动阻力特性，作出f与Re的关系曲线，并与光管的f0进行了比较，结果见图6．从图6可以看出，内螺纹管管内流动阻力系数远大于光管，二者阻力系数的比值在3．1～8．7内，且随着Re的增大而增大．内螺纹结构增加了扰动，自然也就增大了流体流动阻力，与增强换热的有利作用相悖，螺纹高度越高、螺距越小，则在增强换热的同时阻力系数增加得也越多．从图6还可看出，3号内螺纹管螺距最小、螺纹高度最高，因此阻力系数最大，其f是光管的6．6～8．7倍；7号内螺纹管螺距最大、螺纹高度最低，阻力系数最小，其f是光管的3．1～3．8倍．

图6 内螺纹管f与光管f0的比值随Re的变化Fig．6 Variation of the f／f0ratio with Re

3．4 综合性能评价及最优结构

综上所述可知，传热特性好的内螺纹管其阻力系数也大，对于采用内螺纹管加强管内换热的措施是否有经济效益，笔者采用综合性能评价参数w［9］来比较不同结构参数内螺纹管的综合性能，若w＞1说明有经济价值，且w越大，综合性能越好．w的表达式如下：

图7给出了9种不同结构参数的内螺纹管w随Re的变化．从图7可以看出，各螺纹管的w均大于1，处于1．7～3．2之间，且随着Re的增大而增大．由此可见，采用内螺纹管强化换热具有较高的经济价值，并且在高Re区域效益更好．从图7还可知，螺距一定时，螺纹高度的增加会降低综合性能，而螺纹高度一定时，螺距对w的影响却不一致．其中，1号内螺纹管的综合性能最好，其w为2．0～3．2，可见在本模拟中螺距为18mm、螺纹高度为2mm的1号内螺纹管是最优结构．

图7 不同结构的内螺纹管w的比较Fig．7 Comparison of wamong internally ribbed tubes with different structural parameters

图8给出了1号内螺纹管与光管的管壁平均温度和最大管壁温差．从图8可以看出，1号内螺纹管管壁平均温度比光管低36～66K，1号内螺纹管管壁最大温差为43～125K，光管的管壁最大温差为107～239K．可见，内螺纹管在降低管壁温度和减小管壁温差方面作用十分显著．最大管壁温差的减小，可以减轻管子的热应力变形，增加真空集热管寿命；管壁温度的降低可大大减小涂层发射率、增强涂层的稳定性和寿命．因此，采用内螺纹管强化槽式太阳能DSG真空集热管管内蒸汽换热具有很好的经济效益和实用价值，可进行进一步的实验研究和开发利用．

图8 内螺纹管与光管管壁平均温度和最大管壁温差的比较Fig．8 Comparison of average wall temperature and maximum wall temperature difference between internally ribbed tube and smooth tube

4 结 论

（1）采用Fluent软件能很好地模拟蒸汽在内螺纹管内的传热特性与流动阻力特性，并能得到比较准确的管壁温度数值．

（2）内螺纹管的传热特性明显优于光管．内螺纹管的Nu是光管的1．6～2．4倍，且螺纹高度越高、螺距越小，Nu就越大，其中3号内螺纹管的传热特性最好．

（3）螺纹对管内蒸汽的扰动作用增加了流动阻力，螺纹管的f是光管的3．1～8．7倍，且螺纹高度越高、螺距越小，f就越大，3号内螺纹管的f最大，7号内螺纹管的f最小．

（4）采用内螺纹管强化蒸汽换热具有明显的经济效益和实用价值．其中，1号内螺纹管的综合性能最好，其w 为2．0～3．2，是最优结构．

（5）由1号内螺纹管和光管的管壁平均温度和最大管壁温差的比较可知，内螺纹管能够大幅度降低管壁温度，有效减小最大管壁温差．

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