DSG槽式太阳能腔体式集热管分层流区的热性能研究

杨春元，朱天宇，2，蔡一凡

（1.河海大学机电工程学院，江苏常州 213022；2.南通河海大学海洋与近海工程研究院，江苏南通 226019）

DSG槽式太阳能腔体式集热管分层流区的热性能研究

杨春元1，朱天宇1，2，蔡一凡1

（1.河海大学机电工程学院，江苏常州 213022；2.南通河海大学海洋与近海工程研究院，江苏南通 226019）

［4］中的腔体式集热管进行数值分析，研究了在分层流阶段，该腔体式集热管的换热系数以及温度梯度的变化规律。

1 计算模型与数值模拟方法

1.1 计算模型

图1是参考文献［4］中优化后的椭圆腔体式集热管的结构图。该集热管长度设为4 m，椭圆反射腔的椭圆长轴为183 mm，短轴为155 mm，热吸收管的外径为70 mm，内径为54 mm，椭圆反射腔体开口处为透射率很高的玻璃，为了使光线全部进入集热管内部，开口宽度设为90 mm。

图1 椭圆腔体式集热管的结构

1.2 模拟建模

商业软件Fluent中提供了多种用于计算两相流的模型，其中VOF模型能够很好的解决分层流区域的传热问题［5-9］。

在VOF模型中，通过求解动量方程得到各相的速度场，不同流体共用一个动量方程。动量方程以及其它控制方程中的气液两相的物理性质均通过refpro软件获得。考虑到表面张力的影响，将水蒸汽和液态水之间的表面张力设为0.200 26 N／m，由于表面张力的作用，在近壁面处设置接触角，参照参考文献［10］设置为0°。为了求解动量方程，选取标准的k-ε模型求解湍流动能k及耗散系数ε。为了使近壁面处的结果更加可靠，加强了壁面效应［5］。与动量方程相同，各个计算区域都是通过求解一个能量方程来获取温度场。在求解动量方程以及能量方程之前必须确定各相的体积分数，各相的体积分数是通过求解连续性方程来获得。

考虑到相变的影响，在能量方程以及连续性方程中分别加入能量转移源项和质量转移源项。

如果液相的某一点温度大于水的饱和温度，那么质量从液相转移到气相，流体能量减少，液相质量源项变化为：

SM为质量源项；β为质量转移速率，参考文献［9］，真空集热管条件下的β值为100，腔体式集热管条件下的β值为150；αl为液态水体积分数；ρl为液体水密度，Tl为液态水温度；Tsat为水的饱和温度。

SE为能量源项；ΔH为汽化潜热。

如果气相的某一点温度小于饱和温度，那么质量从气相转移到液相，流体能量增加，液相质量源项变化为：

1.3边界条件

为了能够获得稳定的分层流，参考文献［11］采用速度入口条件，入口流速设置为0.5 m／s。吸热管外壁面为定热流密度边界条件，腔体式集热管和真空集热管的热流密度分布如图2所示。图2中0°是垂直于集热管轴线指向抛物面反光镜旋转轴方向，顺时针旋转角度为正。图2中真空集热管的热流密度分布是典型的LS- 3集热管获得的效果［12］，腔体式集热管的热流密度分布通过参考文献［13］中的方法获得。图2可见该腔体式集热管的热流密度集中在50°的位置，热流密度的整体分布区域更广。

图2 热流密度分布

1.4 求解方法

采用瞬态求解的方法，时间步长设置为0.005 s。压力速度耦合项选择piso算法。湍流动量、湍流耗损率和能量项均选择二阶迎风格式，体积分数选择Geo- Reconstruct算法。

2 模拟方法验证

Gungor和Winterton［14］提出了水平圆管中在分层流时的换热关联式为：

h为换热系数；E为加强系数，如果弗劳德数Fr小于0.05，E需要乘以系数E2＝Fr（0.1-2Fr）（其中Fr＝G2／ρlg Di；G为质量流量；g为重力加速度；Di为集热管内部直径）；Bo为沸腾系数，Bo＝q／Gλ（其中q为热流密度；λ为导热系数）；μ为动力粘度；χ为干度；Re为雷诺数；Pr为普朗特数。

图3是模拟水平圆管圆周上加载平均热流密度时，所得到的换热系数与使用Gungor和Winterton关联式计算出的换热系数对比。由图可见，所采用的模拟方法得到的结果与使用关联式计算的结果最多相差18.1%，在Gungor和Winterton关联式的误差范围20.8%之内。这说明文中所用的模拟方法能够得到比较准确的结果。

图3 实验与模拟换热系数对比

3 结果与分析

图4给出了不同水蒸汽体积分数时吸热管内水蒸汽的分布情况。图中白色部分是液态水，外部黑色圆环是吸热管的截面，吸热管内部黑色部分是水蒸汽。从图中可以看出入口流速设为0.5 m／s时，水蒸汽在各体积分数下均可以得到稳定的分层流。

图5是腔体式集热管和真空集热管模拟所得到的换热系数。由图可见，腔体式集热管的换热系数略高于真空集热管的换热系数，这是因为热流密度分布不同造成的。

图4 不同体积分数水蒸汽的分布

图5 腔体式集热管与真空集热管换热系数对比

图6 温度梯度

图6是不同水蒸汽体积分数条件下腔体式集热管和真空集热管在吸热管出口处截面的温度梯度的对比图。温度梯度定义为出口处截面的最大温度和最小温度之差。由图可见腔体式集热管的温度梯度比真空集热管的温度梯度高。这是因为腔体式集热管的热流密度分布局部过于集中，从而使腔体式集热管的温度梯度高于真空集热管的温度分布。图6中，随着水蒸汽体积分数的不断增加，腔体式集热管和真空集热管的温度梯度都逐渐增加。图5与图6对比可见，在水蒸汽体积分数小的时候，由于腔体式集热管和真空集热管随着水蒸汽体积分数升高的时候，换热系数逐渐降低，温度梯度缓慢上升。当水蒸汽体积分数不断增加，水蒸汽逐渐占据到热流分布集中的位置，由于水蒸汽导热性能不佳，导致温度梯度迅速上升。腔体式集热管的热流分布主要集中在下半圆管的1／2半径处。在水蒸汽体积分数达到0.6之后，水蒸汽占据到部分热流密度集中的区域，温度梯度迅速上升。而真空集热管的热流大部分位于下半圆管，在水蒸汽体积分数达到0.5之后，水蒸汽就占据了部分热流密度集中的区域，温度梯度迅速上升。随着水蒸汽体积分数的继续增加，由于腔体式集热管的热流密度主要集中在气体体积分数为0.7～0.8的气液两相的分界面处，此时水蒸汽的增加仍然会引起温度梯度的很大变化，直到在水蒸汽体积分数达到0.9左右时，腔体式集热管的热流主要分布在水蒸汽区域，此时，水蒸汽的继续增加对温度梯度影响比较小，此时温度梯度上升缓慢。真空集热管的热流密度比较均匀地分布在集热管下半圆，在水蒸汽体积分数达到0.7左右时，对温度梯度的影响主要是水蒸汽体积分数的变化，而热流密度分布对温度梯度的影响则比较小，之后，真空集热管的温度梯度上升缓慢。

4 结束语

在DSG槽式太阳能热发电系统中分层流区域，椭圆形腔体式集热管的换热系数相比于真空集热管有了一定的提高，使用这种椭圆形腔体式集热管能够在一定程上提高DSG槽式太阳能热发电系统的效率。但是由于该腔体式集热管热流密度局部集中，从而导致温度梯度高于采用真空集热管时的温度梯度，可能会导致吸热管变形更严重，降低集热管的效率。因此该腔体式集热管的结构仍需进一步改善，使热流密度分布更加均匀，减小热流密度峰值；可选择导热性能更好的集热管以获得比较好的传热性能［1］，减小温度梯度，提高换热系数。

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Thermal Performance Study of DSG Parabolic Trough Solar Collectors With Cavity Absorber During Stratified Flow

YANG Chunyuan1，ZHU Tianyu1，2，CAI Yifan1
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China；2.Nantong Ocean Research and Offshore Engineering Institute of Hohai University，Nantong 226019，China）

针对一种椭圆形腔体式集热管和真空集热管，通过数值模拟的方法，对该集热管在分层流区域的换热系数和温度梯度进行分析研究。结果表明该腔体式集热管能够提高分层流区域的换热系数，但是集热管壁面的温度梯度并没有得到有效的降低，结构有待进一步改进。

槽式太阳能；DSG；腔体式集热管；分层流

Using a numerical simulation of a nelliptical cavity absorber and vacuum absorber，heat transfer coefficient and thermal gradient of the stratified flow areas of both absorbers are analyzed.The results show an increase of heat transfer coefficient in the cavity absorber，but the structure still needs to be improved，because the thermal gradient remains high.

parabolic trough solar collectors；DSG；cavity collector；stratified flow

TK513.3

A

1001- 2257（2015）08- 0026- 04

0 引言

杨春元（1989－），男，安徽六安人，硕士研究生，研究方向为太阳能热发电技术。

2015-04-09

江苏省科技支撑计划（工业）项目（BE2013070）

DSG槽式太阳能热发电系统与传统的带换热装置的槽式太阳能热发电系统相比具有成本低、效率高等优势，因此很多学者都做了大量的研究和实验。DSG槽式太阳能运行的过程中，在两相流阶段希望得到泡状流、环状流以及间歇流，但是在低流量系统中分层流是不可避免的［1］。分层流阶段的传热特性并不好，而且由于温度梯度的影响，在分层流区域集热管会发生很大变形，降低整个系统的效率［2-3］。