关于太阳能烟囱综合利用系统中蒸汽冷凝换热3

关于太阳能烟囱综合利用系统中蒸汽冷凝换热的研究——开题报告报告人：王俊红

主要内容

1.太阳能烟囱

1.1引言

1.2太阳能烟囱发展历史和现状

2.太阳能烟囱综合利用系统

2.1系统的提出

2.2综合利用系统的工作原理

2.3对系统间接冷凝换热的研究

3.含有不凝性气体的蒸汽冷凝换热的研究

3.1含有不凝性气体蒸汽冷凝现象与机理

3.2研究历史和现状

4.工作主要内容和研究方向

5.工作安排

1.太阳能烟囱

1.1引言

当前，能源危机和环境污染问题已成为世界各国普遍关注的问题，因此各国也逐渐加快了寻找清洁的新能源的步伐。在众多的新能源技术中太阳能烟囱发电技术是非常有发展前途的技术之一。德国的J.Schlaich教授十分坚信太阳能烟囱的性能，他认为对于一个较大的装置，流动模型可能不同，并且可能引起某些问题，但是这些问题是可以克服的，而太阳能烟囱电站将扮演未来大型电站的角色。而且现在世界各国对太阳能烟囱系统的研究利用大有星火燎原之势。

对于我国来说，疆域辽阔，太阳能资源丰富，太阳能日照条件较好的地方占我国国土面积的2/3以上。特别是西北和青藏高原地区，年平均日照时间2000h以上，年辐射总量在1500—1800kWh/m2，是我国重要的太阳能应用基地，这就为我国充分发展太阳能事业提供了得天独厚的条件。随着太阳能事业国际合作的不断展开，世界上许多国家和跨国公司都看准了中国的广大的太阳能利用市场，如欧盟第六框架计划等，都在寻求各种合作和投资机会，这就为我国太阳能事业的发展提供了很大的机遇和挑战。

1.2太阳能烟囱发展历史和现状

太阳能烟囱发电的构想最初是由德国斯图加特大学的J.Schlaich教授于1978年提出的，并由德国政府和西班牙一家电力企业联合资助，于1982年在西班牙Manzanares建成了世界上第一座太阳能烟囱发电站。这座电站的烟囱高度为200m，烟囱直径10.3m，集热棚覆盖区域直径约为250m。白天，涡轮发电机的转速为1500rpm，输出功率为100kW；在夜间涡轮发电机的转速为1000rpm，输出功率为40kW。这套装置发电成本可控制在0.1马克/度。

从20世纪80年代开始一直到现在，美国、德国、西班牙、印度、澳大利亚、埃及、摩洛哥和南非等一些国家对太阳能烟囱发电及相关技术开展了一系列研究。其中，有的国家已建造了一些烟囱模型，例如美国科学家Kriss建造的庭院式太阳能烟囱发电装置，美国佛罗里达大学花园中的三种不同型式的太阳能烟囱模型，土耳其科学家KMlunk在土耳其的伊兹密尔市建造了一个微型太阳能烟囱电站。另外，也有国家正在筹划建造太阳能烟囱，分别是印度、南非以及澳大利亚。

虽然在最近几年，国外每年均有不少与太阳能烟囱发电技术相关的文章发表，但是就国内来说对于太阳能烟囱技术还是一项陌生的技术。目前国内从事这方面工作最多的有华中科技大学。并已经筹备建造了一座发电功率为50W的太阳能烟囱发电装置。另外，中国科技大学的葛新石等，也对太阳能烟囱的性能等做了不少的研究。现在，我们也致力于太阳能烟囱的研究，并在传统的发电基础上寻求新的利用点。

2.太阳能烟囱综合利用系统2.1系统的提出太阳能烟囱发电技术具有取材方便，设备简单，技术成熟，夜间仍可输出少量电力，运行费用低，不产生有害废弃物等优点，但是其发电效率低，虽然也有研究指出在太阳能烟囱发电技术中采用温室进行植物种植，但是由于高温和灌溉水资源缺乏等不利因素导致了植物的产量不高。结合这些缺点，提出了太阳能烟囱综合利用系统，即在太阳能烟囱发电系统的基础上引入了间接冷凝换热海水淡化装置。系统适宜建在太阳能资源较好，人口密度较小，地域辽阔的地区，如沙漠和边远地区，可以解决居民日常用电和饮水问题，并可带动当地经济发展。

2.2综合利用系统的工作原理

太阳能烟囱综合利用系统主要由以下五部分组成：太阳能集热棚、太阳能烟囱、风力或水力涡轮发电机组、冷凝换热管列、储水装置。集热棚中的饱和湿热空气可以在太阳能烟囱底部进行间接冷凝换热，然后采用风力发电；也可以在太阳能烟囱顶部进行间接冷凝换热，然后采用水力发电。基本工作原理图如图1所示。

图1.太阳能烟囱综合利用系统基本原理图

Fig.1Schematicdiagramofsolarchimneyintegratedsystem2.3对系统间接冷凝换热的研究

本论文研究的就是综合系统的间接冷凝换热部分。研究的具体对象是含有不凝性气体的蒸汽冷凝，即空气－水蒸汽的冷凝换热。

3.含有不凝性气体的蒸汽冷凝换热的研究

3.1含有不凝性气体蒸汽冷凝现象与机理

蒸汽在容器表面冷凝时存在膜状冷凝和滴状冷凝。由于滴状冷凝现象极不稳定，在工业上很难实现，故而仅对膜状冷凝进行研究。水蒸汽中即使只含有少量的不凝性气体，也会对气液界面区的阻力产生很大的影响。蒸气混合物在器壁上发生部分冷凝形成一层冷凝液膜，同时会夹带不凝性气体到界面并不断积累，导致界面和气体主体间的浓度梯度，于是界面上的不凝性气体向容器扩散，这就形成了一个动态平衡。蒸汽分子必须透过高浓度的不凝气膜层才能达到界面进行冷凝，其总热量传递包括两部分，一部分是由温度梯度推动对流传递时所放出的显热，可以利用气体传热膜系数进行计算；一部分是由浓度梯度推动蒸汽分子冷凝时所放出的潜热，潜热的计算相对比较复杂。

3.2研究历史和现状

3.2.1理论研究

1916年Nusselt首次用理论计算方法对纯蒸汽层流凝结液膜的冷凝换热系数进行了研究。到目前为止，这方面的研究方法已相当成熟。其中关于空气－水蒸汽混合气沿垂直壁面的冷凝换热研究方法，主要有双膜理论法、边界层理论法等。双膜理论是上世纪二十年代提出的，1934年colburn和Hougen对其作了进一步的完善，但是没有考虑传质过程、相界面的形状以及物性变化等对冷凝过程产生的影响，其研究结果并不是很实用。边界层理论法则是基于传热传质相似理论的基础上。

3.2.2实验研究

对蒸汽混合物冷凝换热现象的实验研究最早始于1929年Othmer的研究实验，他测定了置于静止蒸气中的铜管表面的冷凝换热系数。得出了冷凝换热系数关于空气体积含量和蒸气混合物与冷却表面之间温差的经验关系式。此后，很多学者基于不同的实验工况得出了很多经验或半经验关系式，但是这些关系式大多都不具有代表性，仅考虑了换热系数的减少与不凝气体含量的关系，而没有包括管径、管长和流速变化等变量的影响，所以这些关系式只适应于所研究的实验工况，如果应用于其他工况，则往往会导致错误的结论。

对空气－蒸汽混合物冷凝的诸多实验研究表明，空气质量含量的少量增加对冷凝换热系数的减少影响很大，系统压力的变化对冷凝换热系数也有很大影响。

1991年，Vierow和Schrock得到了用衰变因子f表示局部换热系数的关系式。2000年，剑桥的H.Liu,N.E.Todreas和M.J.Driscoll得出了一个传热系数的关系式，包含的变量有冷凝蒸汽含量，总压力和气相主体与冷凝器表面间的温差，并且实验数据点和由扩散模型得出的关系式吻合的很好。2002年，HeeCheonNo和HyunSikPark基于传热传质相似理论，提出一个简单的应用性强的非迭代模型，模型中的Nusselt数的变量包含了空气的质量分数，Jakob数，传质Stanton数和混合气的Reynolds数，气体Prandtl数，冷凝液膜的Nusselt数。且实验数据与Park、Siddique和Kukn数据吻合的很好。

综上所述，对于不凝性气体对蒸汽凝结换热的影响，通常有两种研究方法。一种是理论分析，一般基于传热传质相似理论的基础上，采用双膜理论法、边界层分析法等，边界层法常用的研究方法是求解简化的方程组，积分法、相似法和有限差法；此外能量守衡方程和传热传质相似法则用来研究气液界面质量扩散问题。第二种是实验研究，在实验数据的基础上得到经验或半经验关系式，并用换热系数或者纯蒸汽冷凝液膜热阻的修正因子表示，包括用衰变因子f表示的关系式，基于扩散模型的关系式等。

虽然关于含有不凝性气体的蒸汽换热冷凝已有大量的理论和实验报道，但是这些研究大多仅研究了总的冷凝换热系数，而局部换热系数则很少涉及。并且他们的研究几乎都没考虑气液界面的温度变化、冷凝壁温变化、冷凝管中心温度变化和冷却水温变化，在模型计算中也基本都忽略了界面切应力、液膜波动和物性参数的变化等的影响，这些都使得模型与模型之间结果分歧很大，所以本试验在选择模型时需要在自己系统的基础上，根据需要慎重选择，这也是今后工作的很重要的一部分。

4.工作主要内容和研究方向针对太阳能烟囱发电技术的缺点提出了太阳能烟囱综合利用系统，主要研究太阳能烟囱综合利用系统中海水淡化部分的管外间接冷凝换热机理，并基于实验的基础上提出具体的冷凝换热模型。对于本论文而言，海水蒸发后的蒸汽间接冷凝换热是蒸汽中含有不凝性气体的冷凝换热，即空气－水蒸汽混合气体的管外间接冷凝换热，并且与以往的大量的研究不同的是，论文采用干冷空气作为冷却剂，并且与管外的空气－水蒸汽混合气体呈并流流动。到目前为止，已经搭建了一个小型实验系统，如图2所示。

图2小系统试验装置示意图

Fig.2Schematicdiagramofexperimentalsystem

基于这个实验系统进行了一个阶段的探索性实验，并在实验数据的基础上提出了三个理论模型：饱和湿热空气的膜状冷凝放热模型、干冷空气的强制对流换热模型和干冷空气的热负荷计算模型。这三个模型都是基于最基本的热力学关系式之上提出的。并初步验证了强制对流换热模型的正确性。但是对实验的研究分析，并没有考虑不凝性气体即空气、蒸汽不饱和度、气液界面切应力、物性参数变化以及液膜波动等的影响，而且实验中也暴露了实验装置的诸多缺陷，如实验各部分的保温隔热、蒸汽的最大冷凝、材料的传热性以及淡水的收集装置、入口干冷空气的温度等都存在很多问题，所有这些都是以后实验研究和分析的重点。

5.工作安排

2004.10－2004.12针对小型实