關(guān)于太陽(yáng)能煙囪綜合利用系統(tǒng)中蒸汽冷凝換熱3

關(guān)于太陽(yáng)能煙囪綜合利用系統(tǒng)中蒸汽冷凝換熱的研究——開題報(bào)告報(bào)告人：王俊紅

主要內(nèi)容

1.太陽(yáng)能煙囪

1.1引言

1.2太陽(yáng)能煙囪發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

2.太陽(yáng)能煙囪綜合利用系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)的提出

2.2綜合利用系統(tǒng)的工作原理

2.3對(duì)系統(tǒng)間接冷凝換熱的研究

3.含有不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱的研究

3.1含有不凝性氣體蒸汽冷凝現(xiàn)象與機(jī)理

3.2研究歷史和現(xiàn)狀

4.工作主要內(nèi)容和研究方向

5.工作安排

1.太陽(yáng)能煙囪

1.1引言

當(dāng)前，能源危機(jī)和環(huán)境污染問題已成為世界各國(guó)普遍關(guān)注的問題，因此各國(guó)也逐漸加快了尋找清潔的新能源的步伐。在眾多的新能源技術(shù)中太陽(yáng)能煙囪發(fā)電技術(shù)是非常有發(fā)展前途的技術(shù)之一。德國(guó)的J.Schlaich教授十分堅(jiān)信太陽(yáng)能煙囪的性能，他認(rèn)為對(duì)于一個(gè)較大的裝置，流動(dòng)模型可能不同，并且可能引起某些問題，但是這些問題是可以克服的，而太陽(yáng)能煙囪電站將扮演未來(lái)大型電站的角色。而且現(xiàn)在世界各國(guó)對(duì)太陽(yáng)能煙囪系統(tǒng)的研究利用大有星火燎原之勢(shì)。

對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，疆域遼闊，太陽(yáng)能資源豐富，太陽(yáng)能日照條件較好的地方占我國(guó)國(guó)土面積的2/3以上。特別是西北和青藏高原地區(qū)，年平均日照時(shí)間2000h以上，年輻射總量在1500—1800kWh/m2，是我國(guó)重要的太陽(yáng)能應(yīng)用基地，這就為我國(guó)充分發(fā)展太陽(yáng)能事業(yè)提供了得天獨(dú)厚的條件。隨著太陽(yáng)能事業(yè)國(guó)際合作的不斷展開，世界上許多國(guó)家和跨國(guó)公司都看準(zhǔn)了中國(guó)的廣大的太陽(yáng)能利用市場(chǎng)，如歐盟第六框架計(jì)劃等，都在尋求各種合作和投資機(jī)會(huì)，這就為我國(guó)太陽(yáng)能事業(yè)的發(fā)展提供了很大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

1.2太陽(yáng)能煙囪發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

太陽(yáng)能煙囪發(fā)電的構(gòu)想最初是由德國(guó)斯圖加特大學(xué)的J.Schlaich教授于1978年提出的，并由德國(guó)政府和西班牙一家電力企業(yè)聯(lián)合資助，于1982年在西班牙Manzanares建成了世界上第一座太陽(yáng)能煙囪發(fā)電站。這座電站的煙囪高度為200m，煙囪直徑10.3m，集熱棚覆蓋區(qū)域直徑約為250m。白天，渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1500rpm，輸出功率為100kW；在夜間渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1000rpm，輸出功率為40kW。這套裝置發(fā)電成本可控制在0.1馬克/度。

從20世紀(jì)80年代開始一直到現(xiàn)在，美國(guó)、德國(guó)、西班牙、印度、澳大利亞、埃及、摩洛哥和南非等一些國(guó)家對(duì)太陽(yáng)能煙囪發(fā)電及相關(guān)技術(shù)開展了一系列研究。其中，有的國(guó)家已建造了一些煙囪模型，例如美國(guó)科學(xué)家Kriss建造的庭院式太陽(yáng)能煙囪發(fā)電裝置，美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)花園中的三種不同型式的太陽(yáng)能煙囪模型，土耳其科學(xué)家KMlunk在土耳其的伊茲密爾市建造了一個(gè)微型太陽(yáng)能煙囪電站。另外，也有國(guó)家正在籌劃建造太陽(yáng)能煙囪，分別是印度、南非以及澳大利亞。

雖然在最近幾年，國(guó)外每年均有不少與太陽(yáng)能煙囪發(fā)電技術(shù)相關(guān)的文章發(fā)表，但是就國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)對(duì)于太陽(yáng)能煙囪技術(shù)還是一項(xiàng)陌生的技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)從事這方面工作最多的有華中科技大學(xué)。并已經(jīng)籌備建造了一座發(fā)電功率為50W的太陽(yáng)能煙囪發(fā)電裝置。另外，中國(guó)科技大學(xué)的葛新石等，也對(duì)太陽(yáng)能煙囪的性能等做了不少的研究?，F(xiàn)在，我們也致力于太陽(yáng)能煙囪的研究，并在傳統(tǒng)的發(fā)電基礎(chǔ)上尋求新的利用點(diǎn)。

2.太陽(yáng)能煙囪綜合利用系統(tǒng)2.1系統(tǒng)的提出太陽(yáng)能煙囪發(fā)電技術(shù)具有取材方便，設(shè)備簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，夜間仍可輸出少量電力，運(yùn)行費(fèi)用低，不產(chǎn)生有害廢棄物等優(yōu)點(diǎn)，但是其發(fā)電效率低，雖然也有研究指出在太陽(yáng)能煙囪發(fā)電技術(shù)中采用溫室進(jìn)行植物種植，但是由于高溫和灌溉水資源缺乏等不利因素導(dǎo)致了植物的產(chǎn)量不高。結(jié)合這些缺點(diǎn)，提出了太陽(yáng)能煙囪綜合利用系統(tǒng)，即在太陽(yáng)能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了間接冷凝換熱海水淡化裝置。系統(tǒng)適宜建在太陽(yáng)能資源較好，人口密度較小，地域遼闊的地區(qū)，如沙漠和邊遠(yuǎn)地區(qū)，可以解決居民日常用電和飲水問題，并可帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。

2.2綜合利用系統(tǒng)的工作原理

太陽(yáng)能煙囪綜合利用系統(tǒng)主要由以下五部分組成：太陽(yáng)能集熱棚、太陽(yáng)能煙囪、風(fēng)力或水力渦輪發(fā)電機(jī)組、冷凝換熱管列、儲(chǔ)水裝置。集熱棚中的飽和濕熱空氣可以在太陽(yáng)能煙囪底部進(jìn)行間接冷凝換熱，然后采用風(fēng)力發(fā)電；也可以在太陽(yáng)能煙囪頂部進(jìn)行間接冷凝換熱，然后采用水力發(fā)電?；竟ぷ髟韴D如圖1所示。

圖1.太陽(yáng)能煙囪綜合利用系統(tǒng)基本原理圖

Fig.1Schematicdiagramofsolarchimneyintegratedsystem2.3對(duì)系統(tǒng)間接冷凝換熱的研究

本論文研究的就是綜合系統(tǒng)的間接冷凝換熱部分。研究的具體對(duì)象是含有不凝性氣體的蒸汽冷凝，即空氣－水蒸汽的冷凝換熱。

3.含有不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱的研究

3.1含有不凝性氣體蒸汽冷凝現(xiàn)象與機(jī)理

蒸汽在容器表面冷凝時(shí)存在膜狀冷凝和滴狀冷凝。由于滴狀冷凝現(xiàn)象極不穩(wěn)定，在工業(yè)上很難實(shí)現(xiàn)，故而僅對(duì)膜狀冷凝進(jìn)行研究。水蒸汽中即使只含有少量的不凝性氣體，也會(huì)對(duì)氣液界面區(qū)的阻力產(chǎn)生很大的影響。蒸氣混合物在器壁上發(fā)生部分冷凝形成一層冷凝液膜，同時(shí)會(huì)夾帶不凝性氣體到界面并不斷積累，導(dǎo)致界面和氣體主體間的濃度梯度，于是界面上的不凝性氣體向容器擴(kuò)散，這就形成了一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。蒸汽分子必須透過高濃度的不凝氣膜層才能達(dá)到界面進(jìn)行冷凝，其總熱量傳遞包括兩部分，一部分是由溫度梯度推動(dòng)對(duì)流傳遞時(shí)所放出的顯熱，可以利用氣體傳熱膜系數(shù)進(jìn)行計(jì)算；一部分是由濃度梯度推動(dòng)蒸汽分子冷凝時(shí)所放出的潛熱，潛熱的計(jì)算相對(duì)比較復(fù)雜。

3.2研究歷史和現(xiàn)狀

3.2.1理論研究

1916年Nusselt首次用理論計(jì)算方法對(duì)純蒸汽層流凝結(jié)液膜的冷凝換熱系數(shù)進(jìn)行了研究。到目前為止，這方面的研究方法已相當(dāng)成熟。其中關(guān)于空氣－水蒸汽混合氣沿垂直壁面的冷凝換熱研究方法，主要有雙膜理論法、邊界層理論法等。雙膜理論是上世紀(jì)二十年代提出的，1934年colburn和Hougen對(duì)其作了進(jìn)一步的完善，但是沒有考慮傳質(zhì)過程、相界面的形狀以及物性變化等對(duì)冷凝過程產(chǎn)生的影響，其研究結(jié)果并不是很實(shí)用。邊界層理論法則是基于傳熱傳質(zhì)相似理論的基礎(chǔ)上。

3.2.2實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)蒸汽混合物冷凝換熱現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究最早始于1929年Othmer的研究實(shí)驗(yàn)，他測(cè)定了置于靜止蒸氣中的銅管表面的冷凝換熱系數(shù)。得出了冷凝換熱系數(shù)關(guān)于空氣體積含量和蒸氣混合物與冷卻表面之間溫差的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。此后，很多學(xué)者基于不同的實(shí)驗(yàn)工況得出了很多經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，但是這些關(guān)系式大多都不具有代表性，僅考慮了換熱系數(shù)的減少與不凝氣體含量的關(guān)系，而沒有包括管徑、管長(zhǎng)和流速變化等變量的影響，所以這些關(guān)系式只適應(yīng)于所研究的實(shí)驗(yàn)工況，如果應(yīng)用于其他工況，則往往會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。

對(duì)空氣－蒸汽混合物冷凝的諸多實(shí)驗(yàn)研究表明，空氣質(zhì)量含量的少量增加對(duì)冷凝換熱系數(shù)的減少影響很大，系統(tǒng)壓力的變化對(duì)冷凝換熱系數(shù)也有很大影響。

1991年，Vierow和Schrock得到了用衰變因子f表示局部換熱系數(shù)的關(guān)系式。2000年，劍橋的H.Liu,N.E.Todreas和M.J.Driscoll得出了一個(gè)傳熱系數(shù)的關(guān)系式，包含的變量有冷凝蒸汽含量，總壓力和氣相主體與冷凝器表面間的溫差，并且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)和由擴(kuò)散模型得出的關(guān)系式吻合的很好。2002年，HeeCheonNo和HyunSikPark基于傳熱傳質(zhì)相似理論，提出一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用性強(qiáng)的非迭代模型，模型中的Nusselt數(shù)的變量包含了空氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Jakob數(shù)，傳質(zhì)Stanton數(shù)和混合氣的Reynolds數(shù)，氣體Prandtl數(shù)，冷凝液膜的Nusselt數(shù)。且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Park、Siddique和Kukn數(shù)據(jù)吻合的很好。

綜上所述，對(duì)于不凝性氣體對(duì)蒸汽凝結(jié)換熱的影響，通常有兩種研究方法。一種是理論分析，一般基于傳熱傳質(zhì)相似理論的基礎(chǔ)上，采用雙膜理論法、邊界層分析法等，邊界層法常用的研究方法是求解簡(jiǎn)化的方程組，積分法、相似法和有限差法；此外能量守衡方程和傳熱傳質(zhì)相似法則用來(lái)研究氣液界面質(zhì)量擴(kuò)散問題。第二種是實(shí)驗(yàn)研究，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得到經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，并用換熱系數(shù)或者純蒸汽冷凝液膜熱阻的修正因子表示，包括用衰變因子f表示的關(guān)系式，基于擴(kuò)散模型的關(guān)系式等。

雖然關(guān)于含有不凝性氣體的蒸汽換熱冷凝已有大量的理論和實(shí)驗(yàn)報(bào)道，但是這些研究大多僅研究了總的冷凝換熱系數(shù)，而局部換熱系數(shù)則很少涉及。并且他們的研究幾乎都沒考慮氣液界面的溫度變化、冷凝壁溫變化、冷凝管中心溫度變化和冷卻水溫變化，在模型計(jì)算中也基本都忽略了界面切應(yīng)力、液膜波動(dòng)和物性參數(shù)的變化等的影響，這些都使得模型與模型之間結(jié)果分歧很大，所以本試驗(yàn)在選擇模型時(shí)需要在自己系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要慎重選擇，這也是今后工作的很重要的一部分。

4.工作主要內(nèi)容和研究方向針對(duì)太陽(yáng)能煙囪發(fā)電技術(shù)的缺點(diǎn)提出了太陽(yáng)能煙囪綜合利用系統(tǒng)，主要研究太陽(yáng)能煙囪綜合利用系統(tǒng)中海水淡化部分的管外間接冷凝換熱機(jī)理，并基于實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出具體的冷凝換熱模型。對(duì)于本論文而言，海水蒸發(fā)后的蒸汽間接冷凝換熱是蒸汽中含有不凝性氣體的冷凝換熱，即空氣－水蒸汽混合氣體的管外間接冷凝換熱，并且與以往的大量的研究不同的是，論文采用干冷空氣作為冷卻劑，并且與管外的空氣－水蒸汽混合氣體呈并流流動(dòng)。到目前為止，已經(jīng)搭建了一個(gè)小型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2小系統(tǒng)試驗(yàn)裝置示意圖

Fig.2Schematicdiagramofexperimentalsystem

基于這個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了一個(gè)階段的探索性實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出了三個(gè)理論模型：飽和濕熱空氣的膜狀冷凝放熱模型、干冷空氣的強(qiáng)制對(duì)流換熱模型和干冷空氣的熱負(fù)荷計(jì)算模型。這三個(gè)模型都是基于最基本的熱力學(xué)關(guān)系式之上提出的。并初步驗(yàn)證了強(qiáng)制對(duì)流換熱模型的正確性。但是對(duì)實(shí)驗(yàn)的研究分析，并沒有考慮不凝性氣體即空氣、蒸汽不飽和度、氣液界面切應(yīng)力、物性參數(shù)變化以及液膜波動(dòng)等的影響，而且實(shí)驗(yàn)中也暴露了實(shí)驗(yàn)裝置的諸多缺陷，如實(shí)驗(yàn)各部分的保溫隔熱、蒸汽的最大冷凝、材料的傳熱性以及淡水的收集裝置、入口干冷空氣的溫度等都存在很多問題，所有這些都是以后實(shí)驗(yàn)研究和分析的重點(diǎn)。

5.工作安排

2004.10－2004.12針對(duì)小型實(shí)