基于mcr模拟的吸热管内耦合传热过程研究

基于mcr模拟的吸热管内耦合传热过程研究

0抛物槽式集热器热流特性模拟该槽式太阳能热能源技术是目前最成熟的太阳能热能源技术，但要实现大规模营销，必须有效降低成本，提高热转换效率。因而有必要对集热器吸收管光热转换机理、聚光传热特性开展进一步的研究。集热器吸收管聚光传热过程是一个极其复杂的光能聚集、转换以及耦合传热的过程。数值模拟计算中,如何准确地模拟聚焦太阳光在受热表面上的太阳热流密度分布是其一个难点问题。从上世纪70年代起,国外一些学者运用几何分析和数值积分的方法,对抛物型槽式集热器聚光特性进行了探讨,并得到了有益的结果。但是,这种分析方法具有一定的局限:一是积分过程的精确性不高;二是很难反映聚光器和吸热管的光学特性。而蒙特卡罗光线追踪法(MonteCarloRay-TraceMethod,MCRT)是一种理论模型简单,实施过程方便灵活,能够很好地反映聚光系统的光学特性的统计方法;并随着计算机性能的提高,通过增加模拟采用的光束数目,可以得到较为精确的模拟结果。在槽式吸热器整管数值模拟方面,文献采用聚焦影像概念的光学分析方法获得了接收管表面热流分布,对整个接收管管内流体流动与换热建立了三维数学模型,在此基础上指出了接收器热流分布非均匀化的影响,并重点分析了由此而引起的吸热器环形空间内的自然对流换热特性。本文采用MCRT方法来模拟抛物槽式系统聚光特性,考察了光不平行夹角、几何聚光比和边界角对太阳热流密度分布的影响;并进而将其与计算流体与传热有限容积法FVM相结合—即把采用MCRT求解得到的热流密度分布作为FVM软件FLUENT热流边界条件。在此方法基础上,考察了接收管内传热介质入口流速与入口温度对接收管表面对流换热与最大温差的影响以及变物性对流体对流换热的影响。1模型和方法1.1集热器光学参数为了便于比较分析,本文选用美国Sandia国家实验室Dudley等人实验的的LS-2槽式太阳能集热器吸热管为研究对象,其结构剖面图简图如图1所示。吸热管主要由玻璃管外管、内外管间高度真空环形空间、不锈钢接收器内管及其表面覆盖选择性吸收涂层(陶瓷)、内管内插固体阻塞件以及绝热端部等组成,管长为7.8m。模拟计算中所用到的集热器光学参数参见表1。表2所列为用于验证本文计算结果的3种典型实验工况。1.2fluen软件模拟吸收管表面热流密度分布采用MCRT方法自编程序进行模拟计算。计算中假设系统无跟踪误差、抛物槽式聚光器为镜面反射、玻璃管无厚度,不考虑金属管的二次反射,考虑太阳光不平行度。MCRT模拟计算程序框图见图2。获得吸收管表面热流密度分布之后,将其经过数据传递子程序转换传送给FLUENT软件作为该管壁边界上热流边界条件,从而实现与计算流体与传热的有限容积法的耦合,以进一步研究吸热管内对流换热特性。模拟中考虑了液体油热物性随温度的变化以及吸收管外管壁辐射换热。热辐射采用附加源项法处理并假定玻璃套管的内表面为恒定均匀温度。吸收管内三维数值计算区域包括吸收管管壁固体区域、管内流体区域以及内插件固体区域。采用整场求解时,固体与流体区域中的导热系数采取各自的实际值,而流固耦合界面上应满足热流密度连续条件,故而应使固体侧比定压热容取值为流体侧比定压热容。对于计算网格的考察,计算中发现应综合蒙特卡罗统计性要求与计算流体换热要求来考察网格独立性。计算结果见于表3,是基于表2中工况1进行的。由表3可见,考虑计算量等因素则采用第3套网格(52×52×300)进行计算已足够。在此基础上,本文计算了表2中所列3种实验工况下吸收管管壁热流分布及吸收管管内对流换热情况。2计算与分析2.1表面密度对热流密度的影响图3所示是太阳辐照强度qsun=1000W·m-2,几何聚光比GC=20,边界角θrim=90°时局部聚光比(LocalConcentrationRatio)随圆周角变化图,所谓局部聚光比是指吸热管表面任意一点热流密度与抛物集热面上热流密度的比值,也反映热流密度在吸热管表面的分布情况。由图可见,本文MCRT计算结果与Jeter(1986)的计算结果符合较好。模拟过程中认为抛物面为理想抛物面,吸热管为单管且能量全吸收。可以看到,两种方法计算结果具有相似的分布规律,且曲线分为4部分:(1)在φ接近-90°处,由于吸热管对阳光的遮蔽效应,局部聚光比突然降低,定义为遮蔽效应区;(2)随后局部聚光比随着φ的增高而增高,定义为热流密度递增区;(3)定义角φ0=θrim-90°,当φ接近φ0时,局部聚光比因反射光的减少而迅速降低,定义为热流密度衰减区,可以用φ0和衰减区的角度跨度描述热流密度的衰减情况;(4)没有反射光照射到吸热管,仅有太阳直射光产生影响,定义为阳光直射区。2.2模拟计算结果与实验数据的比较模拟计算所得3种典型实验工况下吸热管出口温度To及集热器效率η,与相应实验数据T0,test及ηtest的对比见于表4。由表可见,模拟计算结果与实验数据最大相对偏差在1.105%,平均相对偏差0.708%,符合较好。由表4还可以看出,流体出口温度的模拟计算结果均稍大于实验值,因而误差E很大程度上可能是由于假设吸热管表面太阳能完全被吸收(不考虑吸收管表面二次反射),并忽略了吸热管环形空间内残留空气的导热和对流换热损失等引起的。2.3集热器集热特性分析2.3.1热流密度分布由于太阳光不平行夹角的存在,使得太阳光难以聚焦于一点,同时对吸热管表面热流密度分布造成影响。图4表示的是qsun=1000W·m-2,GC=50,θrim=90°时吸收管外表面的热流密度分布,图4(a)表示圆周方向分布,图4(b)表示轴向分布。从图4(a)中看到,考虑不平行夹角影响时,热流密度在圆周方向分布较为平缓,φ0为热流密度衰减区的中心;不考虑不平行夹角影响时,热流密度分布曲线在φ0处突降到低水平。从图4(b)中看到,在轴向,除了在吸热管两端很短的部分有影响外,热流密度分布均匀,可以认为热流密度在吸热管轴向是均匀分布。2.3.2gc对吸收管表面热流密度分布的影响目前有报道的槽式系统GC在几倍到百倍之间,所以选取GC=20,50,80进行分析。图5表示qsun=1000W·m-2,GC分别为20,50,80时吸收管表面热流密度圆周方向分布情况。本文选取吸热管内管半径不变,改变抛物面开口宽度来改变GC值。图5(a)考虑光不平行夹角的影响,图5(b)不考虑光不平行夹角影响。从图5(a)中可以看到随着GC的增加,吸热管的遮蔽效应减弱;热流密度分布更加平缓,衰减区的角度跨度增大。可能的解释是随着GC的提高,光不平行夹角对热流密度分布的影响增大,因为图5(b)中未见相似规律。2.3.3抛物面密度分布不同θrim下热流密度分布规律如图6所示。本文模拟时选取吸热管内管半径不变,GC=50,qsun=1000W·m-2。从图中看出,随着θrim的增大,热流密度极大值降低;热流密度分布曲线向90°方向偏移。解释为在抛物面开口宽度确定的情况下,抛物面反射总能量一定;GC一定时,衰减区的角度跨度一定。此时φ0随着θrim的变化而变化,导致热流密度分布曲线的平移以及聚光面积的增大,从而导致热流密度极大值的降低。2.4流量qm对初始流场的影响各工况下吸热管接收管外表面上最大温差ΔTmax及吸收管内表面上平均Nu数列于表5。可见,在太阳直射强度大致相同而传热介质质量流量(或流速)与入口温度各不相同情况下,入口流速与入口温度对吸收管外表面最大温差及内表面上对流换热影响很大。随着流量qm的降低、入口温度Ti的升高,吸收管及其外管壁温差增大。工况3相对于工况1,管壁表面最大温差相对增大超过10K。但是,其入口流速最小而平均换热Nu数却增大了一倍多。这是由于变物性传热介质的物性随温度的变化相对很大所导致的,并可由经典管内湍流换热实验关联式定性说明。随着流体入口温度Ti的升高、流量qm的降低,由流体物性关系式知流体流速、密度及黏性均降低,但黏性降低幅度比前两个都大,则雷诺数增大;而普朗特数随温度升高虽有降低,但其幅度远远小于雷诺数增大幅度,从而平均换热Nu数却是增加。由此可以看出变物性对流体对流换热影响较大。3热流密度衰减区本文运用蒙特卡罗光线追踪法(MCRT)模拟了抛物槽式系统聚光特性,并进而与计算流体与传热有限容积方法(FVM)结合,进一步研究了吸热管内耦合传热过程。得到结论如下:(1)可将热流密度在吸热管圆周方向分布曲线分为4部分:遮蔽效应区;热流密度递增区;热流密度衰减区和阳光直射区。φ0为热流密度衰减区的中心,可用φ0和衰减区的角度跨度描述热流密度的衰减情况。(2)光不平行夹角主要对热流密度圆周方向分布产生影响,使其分布平缓;其对热流密度轴向分布影响不大。(3)随着GC的增加,吸热管的遮蔽效应减弱;热流密度分布更加平缓,衰减区的角度跨度增大。不同θrim对