不同辐射加热模型对吸热管传热性能与应力的影响研究

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

近年来,太阳能热发电技术得到了较快发展[1-3]。熔盐塔式太阳能热发电是太阳能热发电领域中的一种重要技术[4-8],在吸热塔周围布置大量反射镜,将位于中央吸热塔顶的熔盐吸热器吸收镜场反射的太阳能转换为熔盐的内能,通过换热器将热量传递至高温高压水蒸气,供汽轮机发电。熔盐吸热器一般采用外置柱式结构,由一定数量的吸热管组成。太阳光照射在吸热管外壁,熔盐在吸热管内流动换热,从而吸收太阳能。在吸热器设计过程中,需要对吸热管的换热特性和应力情况进行计算校核。通常采用管槽内强制对流换热模型和圆筒壁热应力计算模型,其边界条件为均匀热流或均匀壁温[9]。而在实际运行过程中,吸热管单侧受光,热流和温度分布并不均匀。可见,采用传统计算方法得到的结果会与实际工况存在一定差异,而最高温度和最大应力对吸热器的寿命和安全性有重要影响。

笔者结合熔盐外置柱式吸热器的运行工况,建立三种辐射加热模型,通过数值模拟的方法,对比三种辐射加热模型中吸热管壁面温度和应力分布的差异,研究吸热管壁面温度和应力分布随管内熔盐流速的变化规律,为熔盐吸热器的设计提供参考。

2 辐射加热模型

辐射加热模型中,吸热管长为1.2 m,外径为20 mm,壁厚为1.2 mm。吸热管材料为Incoloy825合金,密度为8 100 kg/m3。比热容Cpi和热导率λi分别为:

Cpi=357.447 51+0.272 98T

(1)

λi=5.865 68+0.016 56T

(2)

式中:T为材料的热力学温度,K。

管内熔盐为由60%硝酸钠和40%硝酸钾组成的二元盐,其密度ρ、动力黏度μ、比热容Cps、热导率λs依次可按式(3)、式(4)、式(5)和式(6)[10]计算。吸热管处于竖直状态,熔盐从下端进入,上端流出,进口温度为563.15 K。

ρ=2 090-0.636(T-273.15)

(3)

μ=[22.714-0.12(T-273.15)+2.281

×10-4×(T-273.15)2-1.474

×10-7×(T-273.15)3]/1 000

(4)

Cps=1 443+0.172(T-273.15)

(5)

λs=0.443+0.0001 9(T-273.15)

(6)

三种辐射加热模型如图1所示。平行光辐射加热模型中,光线平行照射在吸热管上,垂直于吸热管轴向,吸热管受光面辐照强度呈余弦分布,背光面绝热。垂直光辐射加热模型中,光线垂直于吸热管外壁,吸热管受光面辐照强度均匀分布,背光面绝热。全周辐射加热模型中,光线垂直于吸热管外壁,辐照强度均匀分布,这是传统均匀热流计算方法常用的模型。平行光辐射加热模型和垂直光辐射加热模型可统称为半周辐射加热模型。

图1 辐射加热模型示意图

应用CFX软件和ANSYS软件进行数值模拟时,做如下假设:① 吸热管向外辐射散热,吸热管与空气不发生热对流;② 三种辐射加热模型中,吸热管接收的总辐射能相同,且沿轴向分布均匀;③ 吸热管内流动为稳态流动;④ 吸热管处于自由状态,无固定约束;⑤ 考虑熔盐的重力影响。平行光辐射加热模型中,辐射能流密度为500cosθkW/m2,θ为辐射体表面法向与选定方向间的夹角。垂直辐射加热模型中,辐射能流密度为500×2/π kW/m2。全周辐射加热模型中,辐射能流密度为500×1/π kW/m2。

3 数值模拟结果与分析

熔盐流速为3 m/s时,吸热管轴向中点处截面的温度分布如图2所示。由图2可以看出,平行光辐射加热时,吸热管上最高温度点位于管外壁迎光侧中点处,最低温度点位于背光侧中点处,这主要是由于平行光辐射加热时,迎光侧中点处接收到的能量最高。全周辐射加热时,吸热管壁温呈环状均匀分布,温度沿外壁面向内壁面降低。

图2 吸热管截面温度分布

三种辐射加热模型下,吸热管壁面最高和最低温度随熔盐流速变化规律如图3所示。由图3可以看出,半周辐射加热时,吸热管壁面温度最高值随熔盐流速的加快而降低,温度最低值则几乎保持不变。平行光辐射加热时的吸热管壁面最高温度高于垂直光辐射加热时,但两者的变化趋势相近。全周辐射加热时,吸热管壁面温度最高值和最低值都随熔盐流速的加快而降低。

图3 吸热管壁面温度随熔盐流速变化规律

熔盐流速为2 m/s和4 m/s时,三种辐射加热模型下吸热管壁面最高温度的对比如图4所示。由图4可以看出,吸热管壁面最高温度从高到低对应的辐射加热模型依次为平行光辐射加热模型、垂直光辐射加热模型、全周辐射加热模型,平行光辐射加热与全周辐射加热时的最高温度差值,熔盐流速2 m/s时为96 ℃,熔盐流速4 m/s时减小为68 ℃。

三种辐射加热模型下,吸热管内外壁面最大温差随熔盐流速的变化规律如图5所示。由图5可以看出,半周辐射加热时,吸热管内外壁面最大温差随熔盐流速的加快而减小。全周辐射加热时,随着熔盐流速的加快,吸热管内外壁面最大温差有所增大,但增大的幅度较小,这主要是由于吸热管与熔融盐的换热性能提高,使管壁的热扩散通量变大,进而使温差略有增大。

图4 吸热管壁面最高温度对比

图5 吸热管壁面最大温差随熔盐流速变化规律

熔盐流速为3 m/s时,吸热管截面的应力分布如图6所示。由图6可以看出,平行光辐射加热时,热应力分布不均匀,最大应力点位于管外壁受光侧中点处。垂直光辐射加热时,最大应力点位于管外壁受光面两侧。全周辐射加热时,热应力呈环向均匀分布,从外向内先减小后增大,外侧受拉应力,内侧受压应力,最大应力点位于管内壁面。

图6 吸热管截面应力分布

吸热管上的应力对吸热器的使用安全性和寿命有重要影响,吸热管壁最大应力随熔盐流速的变化规律如图7所示。由图7可以看出,半周辐射加热时,吸热管上最大应力随熔盐流速的加快而减小,且垂直光辐射加热时的减小幅度更为明显。全周辐射加热时,吸热管上最大应力随熔盐流速的加快而略有增大。

熔盐流速为2 m/s和4 m/s时,三种辐射加热模型下吸热管壁最大应力对比如图8所示。由图8可以看出,吸热管壁面最大应力从大到小对应的辐射加热模型依次为平行光辐射加热模型、垂直光辐射加热模型、全周辐射加热模型。平行光辐射加热与全周辐射加热时的最大应力差,熔盐流速2 m/s时为67 MPa,熔盐流速4 m/s时,减小为62 MPa。

图7 吸热管壁最大应力随熔盐流速变化规律

图8 吸热管壁面最大应力对比

4 结论

半周辐射加热时,吸热管上温度最大值位于受光侧中点处,温度最小值位于背光侧中点处,温度最高值随熔盐流速的加快而降低,温度最低值变化较小。全周辐射加热时,吸热管上温度沿横截面均匀分布,温度最高值位于管外壁受光侧,温度最低值位于管内壁,温度最高值和最低值都随熔盐流速的加快而降低。吸热管内外壁面最大温差和最大应力变化趋势一致,半周辐射加热时,随熔盐流速的加快而减小;全周辐射加热时,随熔盐流速的加快而略有增大。