塔式太阳能热发电吸热器蒸发段沸腾传热的数值模拟

摘要

近年来，随着能源需求的剧烈增长，太阳能热发电技术正成为世界范围内可再生能源领域的热点。太阳能吸热器是太阳能热发电站中光-热转换的核心部件，其性能直接影响整个电站的正常运行。吸热管面向镜场的半圆周受热，且热流密度沿轴向不断变化，背向镜场的半圆周绝热;同时集热管内水-蒸汽工质的沸腾流动换热尤为复杂，因此研究其受热特性具有重要意义。本文基于ANSYS FLUENT平台，数值计算三维、非稳态的汽液两相流动。模拟分析结果呈现了吸热管管内的汽液两相流动特性，描述了吸热管轴向方向汽液两相流的流型演变和速度分布。另一方面，结果揭示了吸热管管内工质和管壁的热特性。沿轴向方向，工质不断受热，温度逐渐升高至饱和温度373 K。吸热管管壁温度在轴向和周向方向温度分布极不均匀，与管壁受热侧表面能流密度分布有很大的相关性。最大壁温和管道横截面最大温差均出现在Z=1000mm的吸热管管道截面。吸热管轴向的Nu数与管内汽液两相流流型密切相关，在泡状流阶段达到最大值。进一步，文章分析了吸热管三个方向（轴向、轴向、径向）的温度梯度变化和最大绝对温度梯度。该文分析结果有助于深入了解塔式电站吸热器吸热管的整体性能。
　　塔式太阳能热发电站定日镜场通常采用多点聚焦策略来降低吸热器表面辐射能流的不均匀性，防止发生过热故障。本文以塔式电站柱式吸热器单根吸热管为研究对象，采用具有多个极大值的高斯函数来描述多点聚焦时吸热管表面具有多个能流集中点的辐射能流分布，数值模拟分析吸热管的热参数特性。结果显示:聚焦点个数一定时，存在最优的聚焦点位置，使得吸热管表面辐射能流不均匀性最低。同时随着聚焦点个数增加，吸热管表面辐射能流更加均匀，最大壁温减小，而轴向最大绝对温度梯度增大。因此对于多点聚焦，应综合考虑吸热管的热参数，选择最优化的聚焦点个数和聚焦点位置。

目录

声明

摘要

主要符号表

第1章 选题背景及其意义

1．1 研究背景及意义

1．2 太阳能热发电

1．2．1 太阳能热发电原理

1．2．2 太阳能热发电类型

1．3 塔式太阳能热发电研究

1．4 塔式太阳能热发电吸热器研究

1．5 本文的研究内容

第2章 水／蒸汽吸热器数值模型的建立

2．1 数值模拟几何模型

2．2 三维网格的划分和求解设置

2．3 数值模拟数学模型

2．3．1 控制方程

2．3．2 质量和能量源项方程

2．4 吸热管表面热流密度

2．5 本章小结

第3章 塔式太阳能吸热器沸腾传热性能研究

3．1 流动特性

3．1．1 流型变化

3．1．2 速度分布

3．2 热特性

3．2．1 工质温度

3．2．2 轴向的壁面温度分布

3．2．3 周向的壁面温度分布

3．2．4 工质的换热特性

3．2．5 轴向壁面温度梯度

3．2．6 径向壁面温度梯度

3．2．7 周向壁面温度梯度

3．3 本章小结

第4章 塔式太阳能电站定日镜场多点聚焦研究

4．1 单点聚焦热流分布及管壁温度分布

4．2 多点聚焦热流密度分布优化及管壁温度分布

4．3 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 主要创新点

5．2 主要结论

5．3 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢