非均匀热流下球形腔式吸热器热性能的数值研究

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1、第33卷第6期可再生能源Vol.33No.62015年6月RenewableEnergyResourcesJun.2015非均匀热流下球形腔式吸热器热性能的数值研究12，311何娜萍，曹园树，刘飞舟，刘志强（1.中南大学能源科学与工程学院，湖南长沙410083；2.中国科学院广州能源研究所，广东广州510640；3.中国科学院大学，北京100049）摘要：建立了球形腔式吸热器三维模型；以基于蒙特卡罗光线追迹法（MCRT）进行光学模拟得到的能流分布，作为吸热管壁的热边界条件；通过数值模拟研究球形吸热器的耦合传热问

2、题；探讨吸热流体入口参数对热性能的影响。研究表明：吸热管壁的辐射能流密度分布不均匀；在相同条件下，下入口吸热器的热性能优于上入口吸热器；在吸热流体的入口速度为0.2~0.4m/s，提高流速可明显增大吸热器热效率，入口速度大于0.6m/s时，热效率的增大速率变得平缓；随入口温度升高，热效率几乎呈线性下降。基于非均匀热流边界条件下的吸热器三维数值模拟结果更符合实际情况，为吸热器的优化设计与推广应用提供依据和参考。关键词：腔式吸热器；耦合传热；蒙特卡罗光线追迹法；数值模拟中图分类号：TK513文献标志码：A文章编号：

3、1671-5292（2015）06-0820-07DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2015.06.0030前言影响。太阳能碟式集热系统具有聚光比高，光热1模型和数值方法转换效率高，易模块化等优点，在太阳能高温热1.1物理模型[1]，[2]利用领域有突出优势。作为碟式集热系统的本文研究的太阳能碟式集热器由碟式抛核心部件，太阳能腔式吸热器吸收太阳辐射并物面聚光器和球形腔式吸热器组成（图1）。将其转换成热能，其性能直接影响整个太阳能碟式聚光器表面为理想抛物面，聚光镜面的集热系统的经济性和

4、稳定性。反射率为0.95。在聚光器正上方加载直径为众多国内外学者对腔式吸热器的光学性能3.5m的圆形虚拟光源，设定太阳光入射强[3]～[12]2[16]和热性能展开了不同程度的数值研究。大度为1000W/m。将球形腔式吸热器的采部分学者只研究了焦平面或吸热器简化处理壁光口平面置于聚光器焦平面处，采光口中心面上的能流分布，并未考虑吸热管壁上的能流位于焦点处。分布。关于吸热器热性能的数值研究，大都采用太阳虚拟光源等热流或等壁温作为吸热器内壁面边界条件，[13]～[15]且未考虑吸热流体的流动传热过程。zy本文建立三

5、维模型，基于MCRT法对太阳球形吸热器x能碟式集热器的聚光特性进行光学模拟，将所得吸热器管壁的能流密度分布作为热边界条件，对球形吸热器的流固耦合传热问题进行数碟式聚光器值模拟，既考虑管内吸热流体的传热过程，也考虑管壁与周围空气自然对流和辐射传热的综合图1太阳能碟式集热器结构示意图过程，探讨吸热流体的入口参数对其热性能的Fig.1Schematicdiagramofsolardishcollector收稿日期：2014-11-19。基金项目：国家自然科学基金项目（51376198）；湖南省自然科学基金资助项目（1

6、1JJ22029）；留学回国人员科研启动基金项目（2013047006）；中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2013zzts207）。作者简介：何娜萍（1990-），女，硕士研究生，研究方向为吸热器性能模拟及优化。E-mail:123912050@csu.edu.cn通讯作者：刘志强（1970-），男，博士生导师，研究方向为太阳能高效热利用原理与技术。E-mail:liuzq@csu.edu.cn·820·何娜萍，等非均匀热流下球形腔式吸热器热性能的数值研究图2为球形腔式吸热器内表面面积Aw与吸热

7、管的材质为铜，吸热管内流体为导热Aw油，取铜和导热油在500K时的物性。设空气为采光口面积Al之比为8（=8）的几何模型。Al不可压缩理想气体，其他物性均不随温度而变球形腔式吸热器的采光口直径为100mm，吸热化，取300K时的物性。材料的主要物性参数如管径为10mm，管间隙为2mm，吸热管壁的吸[18]表1所示。收率为0.9。表1相关材料的主要物性参数Table1Physicalpropertiesofrelatedmaterials保温层密度比热动力粘度导热系数材料3-6kg/mJ/kg·K10kg/（m·

8、s）W/（m·K）吸热管吸热管（铜）8978381-388.0导热油106020504000.00.62空气-5217.90.0242dcd1.2.2边界条件D数值模型中各边界条件具体设置如下：①图2球形腔式吸热器几何模型将导热油入口设为速度入口，入口速度和温度Fig.2Geometricmodelofsphericalcavityreceiver视具体情况设定，须保证导热油为层流状态