单侧非均匀热流边界下水/蒸汽太阳能吸热管热应力研究

摘要

水/蒸汽太阳能腔式吸热器在日常运行中,管面单侧承受着高度非均匀的太阳能流辐射,吸热管三维壁温分布不均、梯度变化大,易产生较大的热变形和热应力,甚至造成其结构的损伤或失效。以水/蒸汽太阳能吸热器中的沸腾管和过热管作为研究对象,采用ANSYS有限元分析法,对其进行了热-结构耦合数值模拟。结果表明:2种类型吸热管的传热特性存在显著差异,沸腾管以径向温度梯度为主,导致受光侧内外壁面产生双轴热应力;而过热管的周向温度梯度使管道弯曲变形明显,轴向应力更高,热应力呈周向分布。当吸热管背光侧存在支撑约束时,管道弯曲情况得以改善,过热管热应力不再呈周向分布,轴向应力分量大大增加,吸热管等效应力增大1.3~6.9倍。