基于mcr模擬的吸熱管內(nèi)耦合傳熱過程研究

基于mcr模擬的吸熱管內(nèi)耦合傳熱過程研究

0拋物槽式集熱器熱流特性模擬該槽式太陽能熱能源技術(shù)是目前最成熟的太陽能熱能源技術(shù)，但要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模營銷，必須有效降低成本，提高熱轉(zhuǎn)換效率。因而有必要對集熱器吸收管光熱轉(zhuǎn)換機(jī)理、聚光傳熱特性開展進(jìn)一步的研究。集熱器吸收管聚光傳熱過程是一個(gè)極其復(fù)雜的光能聚集、轉(zhuǎn)換以及耦合傳熱的過程。數(shù)值模擬計(jì)算中,如何準(zhǔn)確地模擬聚焦太陽光在受熱表面上的太陽熱流密度分布是其一個(gè)難點(diǎn)問題。從上世紀(jì)70年代起,國外一些學(xué)者運(yùn)用幾何分析和數(shù)值積分的方法,對拋物型槽式集熱器聚光特性進(jìn)行了探討,并得到了有益的結(jié)果。但是,這種分析方法具有一定的局限:一是積分過程的精確性不高;二是很難反映聚光器和吸熱管的光學(xué)特性。而蒙特卡羅光線追蹤法(MonteCarloRay-TraceMethod,MCRT)是一種理論模型簡單,實(shí)施過程方便靈活,能夠很好地反映聚光系統(tǒng)的光學(xué)特性的統(tǒng)計(jì)方法;并隨著計(jì)算機(jī)性能的提高,通過增加模擬采用的光束數(shù)目,可以得到較為精確的模擬結(jié)果。在槽式吸熱器整管數(shù)值模擬方面,文獻(xiàn)采用聚焦影像概念的光學(xué)分析方法獲得了接收管表面熱流分布,對整個(gè)接收管管內(nèi)流體流動(dòng)與換熱建立了三維數(shù)學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上指出了接收器熱流分布非均勻化的影響,并重點(diǎn)分析了由此而引起的吸熱器環(huán)形空間內(nèi)的自然對流換熱特性。本文采用MCRT方法來模擬拋物槽式系統(tǒng)聚光特性,考察了光不平行夾角、幾何聚光比和邊界角對太陽熱流密度分布的影響;并進(jìn)而將其與計(jì)算流體與傳熱有限容積法FVM相結(jié)合—即把采用MCRT求解得到的熱流密度分布作為FVM軟件FLUENT熱流邊界條件。在此方法基礎(chǔ)上,考察了接收管內(nèi)傳熱介質(zhì)入口流速與入口溫度對接收管表面對流換熱與最大溫差的影響以及變物性對流體對流換熱的影響。1模型和方法1.1集熱器光學(xué)參數(shù)為了便于比較分析,本文選用美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室Dudley等人實(shí)驗(yàn)的的LS-2槽式太陽能集熱器吸熱管為研究對象,其結(jié)構(gòu)剖面圖簡圖如圖1所示。吸熱管主要由玻璃管外管、內(nèi)外管間高度真空環(huán)形空間、不銹鋼接收器內(nèi)管及其表面覆蓋選擇性吸收涂層(陶瓷)、內(nèi)管內(nèi)插固體阻塞件以及絕熱端部等組成,管長為7.8m。模擬計(jì)算中所用到的集熱器光學(xué)參數(shù)參見表1。表2所列為用于驗(yàn)證本文計(jì)算結(jié)果的3種典型實(shí)驗(yàn)工況。1.2fluen軟件模擬吸收管表面熱流密度分布采用MCRT方法自編程序進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算中假設(shè)系統(tǒng)無跟蹤誤差、拋物槽式聚光器為鏡面反射、玻璃管無厚度,不考慮金屬管的二次反射,考慮太陽光不平行度。MCRT模擬計(jì)算程序框圖見圖2。獲得吸收管表面熱流密度分布之后,將其經(jīng)過數(shù)據(jù)傳遞子程序轉(zhuǎn)換傳送給FLUENT軟件作為該管壁邊界上熱流邊界條件,從而實(shí)現(xiàn)與計(jì)算流體與傳熱的有限容積法的耦合,以進(jìn)一步研究吸熱管內(nèi)對流換熱特性。模擬中考慮了液體油熱物性隨溫度的變化以及吸收管外管壁輻射換熱。熱輻射采用附加源項(xiàng)法處理并假定玻璃套管的內(nèi)表面為恒定均勻溫度。吸收管內(nèi)三維數(shù)值計(jì)算區(qū)域包括吸收管管壁固體區(qū)域、管內(nèi)流體區(qū)域以及內(nèi)插件固體區(qū)域。采用整場求解時(shí),固體與流體區(qū)域中的導(dǎo)熱系數(shù)采取各自的實(shí)際值,而流固耦合界面上應(yīng)滿足熱流密度連續(xù)條件,故而應(yīng)使固體側(cè)比定壓熱容取值為流體側(cè)比定壓熱容。對于計(jì)算網(wǎng)格的考察,計(jì)算中發(fā)現(xiàn)應(yīng)綜合蒙特卡羅統(tǒng)計(jì)性要求與計(jì)算流體換熱要求來考察網(wǎng)格獨(dú)立性。計(jì)算結(jié)果見于表3,是基于表2中工況1進(jìn)行的。由表3可見,考慮計(jì)算量等因素則采用第3套網(wǎng)格(52×52×300)進(jìn)行計(jì)算已足夠。在此基礎(chǔ)上,本文計(jì)算了表2中所列3種實(shí)驗(yàn)工況下吸收管管壁熱流分布及吸收管管內(nèi)對流換熱情況。2計(jì)算與分析2.1表面密度對熱流密度的影響圖3所示是太陽輻照強(qiáng)度qsun=1000W·m-2,幾何聚光比GC=20,邊界角θrim=90°時(shí)局部聚光比(LocalConcentrationRatio)隨圓周角變化圖,所謂局部聚光比是指吸熱管表面任意一點(diǎn)熱流密度與拋物集熱面上熱流密度的比值,也反映熱流密度在吸熱管表面的分布情況。由圖可見,本文MCRT計(jì)算結(jié)果與Jeter(1986)的計(jì)算結(jié)果符合較好。模擬過程中認(rèn)為拋物面為理想拋物面,吸熱管為單管且能量全吸收。可以看到,兩種方法計(jì)算結(jié)果具有相似的分布規(guī)律,且曲線分為4部分:(1)在φ接近-90°處,由于吸熱管對陽光的遮蔽效應(yīng),局部聚光比突然降低,定義為遮蔽效應(yīng)區(qū);(2)隨后局部聚光比隨著φ的增高而增高,定義為熱流密度遞增區(qū);(3)定義角φ0=θrim-90°,當(dāng)φ接近φ0時(shí),局部聚光比因反射光的減少而迅速降低,定義為熱流密度衰減區(qū),可以用φ0和衰減區(qū)的角度跨度描述熱流密度的衰減情況;(4)沒有反射光照射到吸熱管,僅有太陽直射光產(chǎn)生影響,定義為陽光直射區(qū)。2.2模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較模擬計(jì)算所得3種典型實(shí)驗(yàn)工況下吸熱管出口溫度To及集熱器效率η,與相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)T0,test及ηtest的對比見于表4。由表可見,模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最大相對偏差在1.105%,平均相對偏差0.708%,符合較好。由表4還可以看出,流體出口溫度的模擬計(jì)算結(jié)果均稍大于實(shí)驗(yàn)值,因而誤差E很大程度上可能是由于假設(shè)吸熱管表面太陽能完全被吸收(不考慮吸收管表面二次反射),并忽略了吸熱管環(huán)形空間內(nèi)殘留空氣的導(dǎo)熱和對流換熱損失等引起的。2.3集熱器集熱特性分析2.3.1熱流密度分布由于太陽光不平行夾角的存在,使得太陽光難以聚焦于一點(diǎn),同時(shí)對吸熱管表面熱流密度分布造成影響。圖4表示的是qsun=1000W·m-2,GC=50,θrim=90°時(shí)吸收管外表面的熱流密度分布,圖4(a)表示圓周方向分布,圖4(b)表示軸向分布。從圖4(a)中看到,考慮不平行夾角影響時(shí),熱流密度在圓周方向分布較為平緩,φ0為熱流密度衰減區(qū)的中心;不考慮不平行夾角影響時(shí),熱流密度分布曲線在φ0處突降到低水平。從圖4(b)中看到,在軸向,除了在吸熱管兩端很短的部分有影響外,熱流密度分布均勻,可以認(rèn)為熱流密度在吸熱管軸向是均勻分布。2.3.2gc對吸收管表面熱流密度分布的影響目前有報(bào)道的槽式系統(tǒng)GC在幾倍到百倍之間,所以選取GC=20,50,80進(jìn)行分析。圖5表示qsun=1000W·m-2,GC分別為20,50,80時(shí)吸收管表面熱流密度圓周方向分布情況。本文選取吸熱管內(nèi)管半徑不變,改變拋物面開口寬度來改變GC值。圖5(a)考慮光不平行夾角的影響,圖5(b)不考慮光不平行夾角影響。從圖5(a)中可以看到隨著GC的增加,吸熱管的遮蔽效應(yīng)減弱;熱流密度分布更加平緩,衰減區(qū)的角度跨度增大?？赡艿慕忉屖请S著GC的提高,光不平行夾角對熱流密度分布的影響增大,因?yàn)閳D5(b)中未見相似規(guī)律。2.3.3拋物面密度分布不同θrim下熱流密度分布規(guī)律如圖6所示。本文模擬時(shí)選取吸熱管內(nèi)管半徑不變,GC=50,qsun=1000W·m-2。從圖中看出,隨著θrim的增大,熱流密度極大值降低;熱流密度分布曲線向90°方向偏移。解釋為在拋物面開口寬度確定的情況下,拋物面反射總能量一定;GC一定時(shí),衰減區(qū)的角度跨度一定。此時(shí)φ0隨著θrim的變化而變化,導(dǎo)致熱流密度分布曲線的平移以及聚光面積的增大,從而導(dǎo)致熱流密度極大值的降低。2.4流量qm對初始流場的影響各工況下吸熱管接收管外表面上最大溫差ΔTmax及吸收管內(nèi)表面上平均Nu數(shù)列于表5?？梢?在太陽直射強(qiáng)度大致相同而傳熱介質(zhì)質(zhì)量流量(或流速)與入口溫度各不相同情況下,入口流速與入口溫度對吸收管外表面最大溫差及內(nèi)表面上對流換熱影響很大。隨著流量qm的降低、入口溫度Ti的升高,吸收管及其外管壁溫差增大。工況3相對于工況1,管壁表面最大溫差相對增大超過10K。但是,其入口流速最小而平均換熱Nu數(shù)卻增大了一倍多。這是由于變物性傳熱介質(zhì)的物性隨溫度的變化相對很大所導(dǎo)致的,并可由經(jīng)典管內(nèi)湍流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式定性說明。隨著流體入口溫度Ti的升高、流量qm的降低,由流體物性關(guān)系式知流體流速、密度及黏性均降低,但黏性降低幅度比前兩個(gè)都大,則雷諾數(shù)增大;而普朗特?cái)?shù)隨溫度升高雖有降低,但其幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雷諾數(shù)增大幅度,從而平均換熱Nu數(shù)卻是增加。由此可以看出變物性對流體對流換熱影響較大。3熱流密度衰減區(qū)本文運(yùn)用蒙特卡羅光線追蹤法(MCRT)模擬了拋物槽式系統(tǒng)聚光特性,并進(jìn)而與計(jì)算流體與傳熱有限容積方法(FVM)結(jié)合,進(jìn)一步研究了吸熱管內(nèi)耦合傳熱過程。得到結(jié)論如下:(1)可將熱流密度在吸熱管圓周方向分布曲線分為4部分:遮蔽效應(yīng)區(qū);熱流密度遞增區(qū);熱流密度衰減區(qū)和陽光直射區(qū)。φ0為熱流密度衰減區(qū)的中心,可用φ0和衰減區(qū)的角度跨度描述熱流密度的衰減情況。(2)光不平行夾角主要對熱流密度圓周方向分布產(chǎn)生影響,使其分布平緩;其對熱流密度軸向分布影響不大。(3)隨著GC的增加,吸熱管的遮蔽效應(yīng)減弱;熱流密度分布更加平緩,衰減區(qū)的角度跨度增大。不同θrim對