非均匀热流边界条件下塔式太阳接收器吸热管结构优化

摘要

塔式太阳能接收器是塔式太阳能电站的核心传热单元，其性能好坏直接影响着机组运行的安全性和经济性。本文介绍了塔式太阳能热发电技术的工作原理及特性、塔式太阳能接收器使用工质及适用结构等关键技术。根据工质类型对塔式太阳能接收器进行了分类，重新总结现有的各接收器型式，分析了各种类型接收器的使用范围、优缺点及其瓶颈。液态钠工质的提出，使液态金属接收器的发展有了新的可能性；水/水蒸气接收器和空气接收器发展最早且使用最广泛，但是其接收器热效率难以进一步提高；熔盐接收器效率高、使用广，但熔盐在超过600℃的高温下会分解难以往高参数方向发展；复合接收器结合了两种工质提高了效率但结构复杂；粒子接收器是新发展的一种接收器类型，工作温度和光热转换效率都有很大提升，但是结构复杂有待改进，目前无法广泛投入使用。综上所述，接收器的工质和结构对接收器效率的影响尤为突出，选取合适的工质和优化接收器结构是接收器未来的研究方向。目前腔管式接收器的使用最为广泛，优化吸热管的结构来提高其可靠性是该接收器的研究要点。 同时，本文以腔式管状接收器吸热管为研究对象，过热蒸汽为介质，利用FLUENT软件并采用HFCAL热流密度法，对腔式管状接收器吸热管吸热过程中的管内流场进行了数值模拟，其后对其进行结构优化。为减小吸热管的周向温差，在管内置入能产生纵向涡的扰流件，选取螺旋翅片，扭曲片，螺旋线和双斜肋管这四种扰流件进行对比。分析了截面速度分布及温度分布，发现扭曲片在流场中产生的纵向涡直径最大，扰动最为剧烈，吸热管的中间截面温差最小且压损较小。进一步分析扭曲片的数量，横截面参数，节距和布置位置对温差的影响，结论为扭曲片的横截面及节距的改变对温差的影响并不大，扭曲片布置在吸热管的非聚光侧且数量为2时效果较好。 管内置入扰流件虽能减小吸热管的周向温差，但是会增大吸热管的压损，因此我们还可以通过改变吸热管的结构以期减小吸热管周向温差，提高接收器可靠性。分别建立直圆管、渐缩管和渐扩管模型进行对比，结果表明：与光管和渐扩管相比，渐缩管聚光区与非聚光区的周向温差大幅降低。同时进一步分析不同扩张比渐缩管对周向温差的影响，结果表明：周向温差随扩张比的增大而减小，当扩张比为20/16时效果较好，温差减小5.7%，压损为0.21Pa。与单渐缩管对比，在渐缩管内插入扭曲片可进一步减小吸热管的周向温差，有效提高接收器可靠性。

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摘要

第1章 绪论

1.1 本课题研究背景

1.2 塔式太阳能热发电系统

1.3 塔式太阳能接收器技术

1.3.1 液态金属接收器

1.3.2 水/水蒸气接收器

1.3.3 空气接收器

1.3.4 熔盐接收器

1.3.5 复合接收器

1.3.6 粒子接收器

1.4 我国的相关研究进展及接收器现状

1.5 本文研究内容和意义

第2章 吸热管数学模型分析

2.1 控制方程

2.1.1 质量守恒方程

2.1.2 动量守恒方程

2.1.3 能量守恒方程

2.1.4 状态方程

2.1.5 湍流模型方程

2.2 变热流密度边界条件

2.3 求解条件设置

2.4 原吸热管模型温度分析

第3章 吸热管内置不同扰流件传热性能分析

3.2 物理描述

3.2.1 几何结构

3.2.2 控制方程

3.2.3 网格划分

3.2.4 物理参数

3.3 模拟结果分析

3.4 本章小结

第4章 扰流件结构因素对吸热管周向温差的影响

4.1 研究背景

4.2 物理模型

4.3 数学模型

4.3.1 控制方程

4.3.2 边界条件

4.4 吸热管内置不同结构及位置扭曲片数值分析

4.4.1 扰流件位置不同对传热效果的影响

4.4.2 扰流件截面尺寸不同对传热效果的影响

4.4.3 扰流件节距不同对传热效果的影响

4.4.4 扰流件数目不同对传热效果的影响

4.5 本章小结

第5章 管径渐变吸热管对周向温差的影响

5.1 研究背景

5.2 物理模型

5.3 数学模型

5.3.1 控制方程

5.3.2 边界条件

5.4 计算结果及分析

5.4.1 不同吸热管结构对截面温差的影响

5.4.2 渐缩管的扩张比对温差的影响

5.4.3 渐缩管内插入扭曲片对温差的影响

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 瓶颈及展望

6.2.1 瓶颈

6.2.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果

致谢