周向不均匀加热圆管内熔盐传热特性数值研究

王为术，雷　佳，张　斌，朱晓静，上官闪闪

(1.华北水利水电大学　热能工程研究中心，河南　郑州　450045；2.大连理工大学　能源与动力学院，辽宁　大连　116024)



周向不均匀加热圆管内熔盐传热特性数值研究

王为术1，雷佳1，张斌1，朱晓静2，上官闪闪1

(1.华北水利水电大学热能工程研究中心，河南郑州450045；2.大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连116024)

摘要：建立周向不均匀加热圆管物理模型，采用标准k-ε模型，在熔盐入口温度200℃～400℃，速度0.6～3.0m/s，加热面热流密度200～400kW/m2参数范围内，对内径16mm，壁厚2mm的集热管内熔盐传热特性进行数值模拟。分析集热管出口截面温度分布规律和集热管传热性能，对比不同参数管内壁周向温度不均匀分布特性。研究结果表明：集热管出口截面管壁温度差异较大，熔盐存在温度梯度；熔盐入口温度越低，换热效果越好；不同热流密度对Nu影响很小，Re相同时Nu几乎相同；集热管内壁周向温度分布不均匀，增加入口速度和降低热流密度有助于改善温度周向不均匀性。

关键词：集热管；不均匀加热；熔盐；传热特性；数值模拟

太阳能是一种公认的最具有发展潜力的清洁能源。太阳能发电技术作为一种太阳能利用领域的一项关键新技术得到了迅速发展[1-2]。在现有的太阳能热发电技术中，槽式太阳能热发电系统是发展最为成熟、应用最为广泛的集热技术。太阳能集热管是实现太阳能转换的关键部件，集热管表面热流密度高并且分布不均匀，造成集热管温度分布的不均。当温度分布不均度足够大时会破坏集热管，影响电站的稳定运行。熔盐作为传热工质应用于太阳能热电站中，在常压下可以实现太阳能的高温传热蓄热，被广泛应用于太阳能热电站。国内外学者针对熔盐的传热特性进行了研究，Pacheco等研究了硝酸盐在太阳能集热器内传热特性，并分析了熔盐相变换热；Jeter等采用几何法研究了抛物槽式集热管壁热流密度分布；Z.D.Cheng利用程序法研究了抛物槽式集热管传热特性，给出了管壁热流密度的不均匀分布规律；吴玉庭[8-9]、沈向阳[10-11]试验研究了周向均匀加热条件下熔盐在圆管和横纹管内流动换热特性；常春[12]通过试验和数值模拟研究了水在周向不均匀热流圆管内湍流传热特性，得出经典D-B公式不适用于管壁温度分布计算；ShenX.Y.[13]试验研究了不同热流密度比圆管内熔盐强制对流换热特性，得出了Nu随Re变化的一般规律。前人研究多针对熔盐在周向均匀热流管内换热特性，对于非均匀热流管内熔盐换热特性研究较少，尤其是管壁温度周向分布的研究。集热管壁温分布关系到太阳能电站的运行安全，因此有必要对周向不均匀热流管内熔盐换热特性开展研究。

1计算模型与数值方法

1.1　计算模型与网格

太阳能热电站运行时集热管内熔盐为稳态的湍流流动，集热管吸收太阳能辐射，能量由外壁通过热传导到内壁，再与管内熔盐发生对流换热作用。为模拟换热，设定集热管左半周为定热流密度，右半周绝热，集热管计算模型如图1所示。集热管材料为316L不锈钢，导热系数为18.4W/(mK)，管外径20mm，壁厚2mm，管长1300mm。

采用Pro/E5.0建立集热管物理模型，包括集热管固体域和熔盐流体域。网格划分采用ICEMCFD14.0，计算模型采用六面体结构化网格。同时调整径向和轴向网格节点，对边界层网格进行加密处理，网格模型如图2所示。

1.2　数值方法与边界条件

数值计算雷诺时均采用N-S控制方程，利用有限体积法对控制方程进行离散，压力项采用标准格式，动量、湍动能和耗散率项采用二阶迎风格式，应用SIMPLE算法进行求解，采用标准k-e模型进行数值计算。数值计算采用三元熔盐(53%KNO3、40%NaNO2和7%NaNO3混合物)为工质[14]，其热物性参数随温度变化规律如下：

ρ=2085-0.74t

(1)

Cp=1549-0.15t

(2)

λ=0.697-0.000461t

(3)

μ=31.59-0.1948t+0.000425t2-0.0000003133t3

(4)

式中：ρ为密度，kg/m3；Cp为比热，J/(kg·K)；λ为导热系数，W/(m·K)；μ为动力粘度，mPa·s；t为温度，℃。边界条件设置为：入口给定质量、流量、温度、湍动度；出口给定压力边界；加热壁面给定热流密度；绝热面给定绝热边界；在计算过程中逐步细化网格，最终得到计算网格无关解，网格数量为1.8×106。数值计算的工况见表1。

1.3　模型验证

为验证数值计算的准确性，图3给出了努塞尔数Nu计算结果与文献[13]试验结果的对比。从图中可以看出，数值模拟和试验结果Nu与Re关系变化趋势一致，试验值和计算值偏差较小，

表1　数值计算工况

Re在20000～30000之间偏差稍微增大，但整体误差不超过10%，两者吻合较好。因此，采用k-e模型对周向不均匀加热集热管内熔盐传热特性进行数值研究的方法可靠。

2计算结果与分析

2.1　集热管截面温度分布

图4给出了入口温度t=300℃，入口速度v=1.8m/s，加热面热流密度q分别为200、300、400kW/m2时集热管出口截面温度分布图。由图可知，管壁温度存在分布不均匀现象，最高温度出现在加热面管壁外侧，温度最大值随着热流密度的增大而升高。随着热流密度从200kW/m2增加到400kW/m2，加热侧与绝热侧温差从80℃增大到160℃，热流密度越高，管壁温度不均匀性越强。管内熔盐温度也存在差异，近加热面熔盐温度要高于近绝热面温度。其原因为半周加热引起集热管受热不均，管壁温度差异较大，壁面与管内熔盐换热效果不同引起管内熔盐温度差异。

(a)　q=200　kW/m2

(b)　q=300　kW/m2

(c)　q=400　kW/m2

图5给出了进口温度为300℃，加热面热流密度q分别为200、300、400kW/m2时集热管出口截面管外壁最高温度随入口速度变化的关系，结果表明，随着熔盐入口速度的增加，管壁温度逐渐降低，温度值趋于稳定。入口速度较低时，增大入口速度能够明显降低管壁温度；当入口速度达到一定值后，入口速度的增大对降低管壁温度的作用被削弱。在相同入口速度下，热流密度越高，管壁温度越高。这是因为随着入口速度的增大，集热管内熔盐流量增加，带走更多的热量使管壁温度降低；增加热流密度，集热管吸收的热量增多，引起管壁温度的升高。

2.2　熔盐传热特性分析

加热面热流密度为200kW/m2，熔盐入口温度分别为200℃和300℃时，集热管加热面和绝热面传热性能如图6所示。Nu随着Re的增加而增加，换热得到强化。温度不同，换热效果也有所不同，Re数相同时，进口温度越低，Nu数越高，换热效果越明显，这一结果对于加热面和绝热面都得到体现。同时，绝热面的Nu大于加热面的Nu，这是因为，加热面上的热量通过管壁热传导作用传递到绝热面，在绝热面和熔盐之间也存在对流换热作用，并且绝热面与熔盐温度差值较小，绝热面换热系数高于加热面。

图7给出了加热面热流密度分别为200、300kW/m2时，加热面和绝热面Nu随Re变化关系。由图可知，Re相同时，不同热流密度下Nu没有明显差异，热流密度对集热管换热效果影响较小。

2.3　管壁温度周向不均匀分布特性

图8给出了熔盐入口温度300℃，速度1.8m/s，热流密度q分别为200、300、400kW/m2时，集热管轴向z=0.7m截面管壁周向温度分布，其中θ=0°为绝热面中心线，θ=180°为加热面中心。由图可知，管内壁温度存在明显的周向温度分布不均匀性，随着热流密度的增加，内壁温不均匀性更加显著。当热流密度q=200kW/m2时，加热面与绝热面最大温差为57℃；而当q=400kW/m2时，这一数值达到111℃。周向不均匀热流是造成管内壁温分布不均的主要原因，热量在加热面通过热传导到绝热面，导致加热面壁温高于绝热面。

从图8中还可以看出，在周向角度为60°～120°之间，随着角度增大内壁温度剧烈升高，这是由于该区域处于加热面与绝热面过渡区域，导致内壁温的剧烈变化。

熔盐入口温度300℃，热流密度q=200kW/m2，入口速度分别为1.2、1.8、2.4m/s时集热管内壁温度周向不均匀分布见图9。增加熔盐入口流速可以明显改善壁温分布不均匀性，当流速从1.2m/s增加到2.4m/s时，加热面与绝热面最大温差从79℃减小到45℃。然而增加入口速度对改善温度不均的作用随着速度的增大而削弱。其原因是在速度较低时，增加入口速度可以增大集热管内熔盐流量，能够带走更多热量并强化换热，随着速度的提高强化换热作用遭到削弱而不够明显。

3结论

1)半周加热下集热管壁温度存在较大梯度，热流密度越高，温度梯度越大；管内熔盐温度也存在差异，近加热面的熔盐温度高于近绝热面熔盐。集热管出口截面外壁最高温度随着入口速度的增加明显降低，最终趋于一稳定值。

2)努塞尔数Nu随着Re增大而增加，Re越高换热效果越好；熔盐入口温度对换热效果影响较大，入口温度越高，Nu越小；加热面热流密度对Nu数影响较小；同时，集热管绝热面Nu大于加热面。

3)集热管内壁温度周向分布不均性明显，加热面与绝热面内壁温差较大；降低热流密度和增加熔盐入口速度有助于改善周向温度不均匀性；同时，增加入口速度对改善温度不均的作用随着速度的增大而削弱。

参考文献：

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[11]LUJ，SHENX，etal.Convectiveheattransferofhightemperaturemoltensaltintransverselygroovedtube.AppliedThermalEngineering，2013，61(2)：157-162.

[12]常春，张强强，李鑫.周向非均匀热流边界条件下太阳能高温吸热管内湍流传热特性研究.中国电机工程学报，2012，32(17)：104-109.

[13]SHENX，LUJ，etal.Convectiveheattransferofmoltensaltincirculartubewithnonuniformheatflux.ExperimentalThermal&FluidScience，2014：6-11.

[14]LUJ，SHENX，etal.Convectiveheattransferofhightemperaturemoltensaltintransverselygroovedtube.AppliedThermalEngineering，2013，61(2)：157-162.

(责任编辑王利君)

Investigationonheattransferofmoltensaltincircletubewith

circumferentiallynon-uniformheated

WANGWei-shu1，LEIJia1，ZHANGBin1，ZHUXiao-jing2，SHANGGUANShan-shan1

(1.InstituteofThermalEnergyEngineering,NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,He’nan

Zhengzhou450045,China;2.SchoolofEnergyandPowerEngineering,DalianUniversityofTechnology,LiaoningDalian

116024,China)

Abstract：AphysicalmodelofcircletubewithCircumferentiallyNon-uniformHeated,ofwhichtheinnerdiameterwas16mmandwallthicknesswas2mm,wasbuilttonumericallyinvestigatetheheattransferofmoltensaltinthecircletube.Thenumericalinvestigationwasperformedwithintherangeofinlettemperaturefrom200to400℃,velocityfrom0.6to3.0m/s,heatfluxesfrom200to400kW/m2.Byusingthek-εmodel,thetemperaturedistributionatoutletsectionandtransfercharacteristicswereanalyzedindetail,aswellasthedistributionofinnerwalltemperature.Theinvestigationresultsshowthatthetemperatureoftubewallhaslargedifferenceatoutletsection,andthetemperatureofmoltensaltalsohasagradeddistribution.Thelowertheinlettemperatureis,thebetterthetransferperforms.TheheatfluxhaslittleeffectonNusseltNumber.Thetemperaturesatinnerwallarenon-uniformityonthecircumference,increasedinletvelocityanddecreasedheatfluxarebeneficialtoimprovethecircumferentiallynonuniform.

Keywords：collectortune;Non-uniformHeated;moltensalt;heattransfer;numericalsimulation

中图分类号：TK124

文献标识码：A

文章编号：1673-9469(2015)04-0108-05doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2015.04.023

作者简介：王为术(1972-)，男，重庆开县人，博士，教授，主要从事多相流动与传热研究。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51406026)；河南省高校创新人才计划项目(2012HASTIT018)

收稿日期：2015-08-27