%aa阳能热动力系统吸热蓄热器能量分析.pdf

收稿日期!#$%#&%$修订日期!#$%#(%#)基金项目!国家自然科学基金资助项目*+(,)&#-.作者简介!侯欣宾*$()-%./男/山西定襄人/北京航空航天大学飞行器与应用力学系博士生0第$)卷第-期#年)月航空动力学报1 2 3 4 5 6 7 2 8 9:4 2;2?:4A B C$)DA C-EE E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E EF G B H#文章编号!$#I,#+*#.#-I#-I#J太阳能热动力系统吸热K蓄热器能量分析侯欣宾/袁修干/崔海亭*北京航空航天大学 飞行器与应用力学系/北京$#,-.摘要!空间太阳能热动力发电系统是一种新型的空间电力系统L吸热K蓄热器是热动力发电系统关键部件之一L吸热K蓄热器采用的蓄热方式是相变蓄热L通过对吸热K蓄热器的能量分析/可以很好的了解吸热器的能量传递/以及相变材料的工作过程L建立了太阳能热动力发电系统吸热器腔体辐射模型/结合换热管的传热模型计算了吸热器的传热过程L得到了吸热器的能量损失M工质吸收能量M N O P的潜热储能和显热储能等重要指标/并且得到了换热管最大温度/工质出口温度等重要结果L计算结果可以用于吸热器的设计L关键词!热分析相变蓄热太阳能热动力发电吸热器中图分类号!Q R+$-C+文献标识码!ST U:V 5:4 W X9 5 6 7 X;Y;Y 5Z:6 :=:Y :4 6 Y X_a b c d I e c d/faSDb c G I g h d/O ai _h c I j c d g*k l c m c d gad c n l o p c j HA q Sl o A d h G j c r ph d sSp j o A d h G j c r p/k l c m c d g$#,-/O t c d h.9 u;4 6=!v A B h o w H d h xc rN A yl o v H p j l x c pj Ae lj t lp z h r ll d l o g Hp H p j l x c dj t lq G j G o l 0Q t lt l h j o l r l c n l o c pA d lA q j t lv w N v l Hz h o j p 0 N t h p lr t h d g lj t l o xh B p j A o h g lc pG p l sc dt l h jo l r l c n l o 0 Q t ll d l o g Hh d h B H p c pr h de lG p l sj AG d s l o p j h d sj t ll d l o g Hj o h d p q l oc dt l h j o l r l c n l oh d sj t lj t l o xh B p j A o h g lc dN O P0 Q t lt l h j o l r l c n l or h n c j Ho h s c h j c A dxh j t l xh j c r h B xA s l B h d sj t lg h pj G e lt l h j xA s l B yl o ll p j h e B c p t l s 0 _l h j B A p p/l d l o g Hh e p A o e l se Hg h p/j t lB h j l d jh d sp l d p c e B lj t l o xh B p j A o h g l c dN O P/j G e l xh|c xG xj l xz l o h j G o l/g h p l|c j j l xz l o h j G o l h d sB c G c sN O P q o h r j c A dyl o lr h B r G B h j l s 0 Q t lo l p G B j pyl o lh d h B H p l sh d sr A G B se lG p l sc dt l h j o l r l c n l os l p c g d c d g 0:X?2 4!;!j t l o xh B h d h B H p c p z t h p lr t h d g lj t l o xh B p j A o h g l p A B h o s H d h xc rz A yl o t l h j o l r l c n l o$前言$(+年月$)日/世界上第一套空间太阳能热动力发电系统 地面样机在美国DSv S#l yc p研究中心成功实现了 电力输出/标志着这一重要的空间电力技术进入了一个新的阶段$%L与太阳能光伏系统*N.相比/太阳能热动力发电系统主要优点是效率高M比质量小M面积小M寿命长L对于低地轨道运行M电能需求大的航天器/可以大幅降低运行成本$%L吸热K蓄热器是空间太阳能热动力发电系统四大关键部件之一L其主要功能是吸收太阳能反射器反射的太阳能/将其传递给循环工质驱动热机发电L为了保证热动力系统的阴影期连续正常运行!采用高温相变材料#$%&储存部分能量用于阴影期工质的需求(吸热器结构图)表示了一个圆柱腔形吸热器循环工质导管上套装着多个分离的#$%容器!高温相变材料封装在容器内图)吸热*蓄热器结构图+,-.)/0 1 2 3 0 4 0,5 0 3目前对于吸热器的热分析较多的集中在容器的传热分析上6 7!8 9吸热器整体分析方面!文献6:9介绍了吸热器计算程序;?$A;B各计算模块!并没有给出计算的详细模型文献6 C 9计算了换热管传热本文考虑了吸热腔辐射模型和换热管传热模型!对吸热器的能量传递进行了分析!并且得到了轨道周期内换热管最大温度D工质出口温度D#$%熔化率等主要参数的变化7吸热器传热模型7.)吸热腔能量平衡根据能量平衡!入射能量等于吸热腔吸收热量加入射窗辐射损失和壳体损失!即EFG,HI FG4 1 5J FG1 KJ FGL M 0 N N)&吸热腔吸收能量包括传递给工质的能量和换热管吸收的能量EFG4 1 5I FG-1 LJ FG1 O L(&换热管吸收能量包括显热储热和#$%潜热储热EFG1 O LI FGL 0 HJ FGN 1 2 7&入射窗辐射损失为EFG1 KI PQRSTSUS V1 K W8SV W81 K&8&式中E RS为各内腔单元面积X P为辐射常数X U为角系数!TS为各内腔单元辐射率壳体损失为EFGL M 0 N NI YZFG1 K:&式中E YZ为壳体损失与入射窗损失之比根据试验得到7.(吸热器辐射模型假设吸热腔各换热管热流相同!吸热腔简化为图(所示的辐射计算模型!换热管由(8个容器组成这样吸热腔划分为(个辐射表面底板D入射窗挡板D入射窗分别为一个表面!(8个容器环对应(8个表面图(吸热腔辐射模型+,-.(A M 03 1 ,1 2,H 0 N _ M 0 1 2 3 0 4 0,5 0 34 1 5,2 图(所示辐射模型中入射窗看作为黑体!其余部分可看作为漫射灰体根据漫射灰体表面的辐射理论6 9!漫射灰体表面有效辐射计算方程为EabI TbP W8bJ )V Tb&Qcd I)adUb Vd C&式中E T为表面黑度方程组 8&可以通过e 1 f L L消元法求解各角系数的计算参考文献6 g 9 解得各表面有效辐射后!可以通过下式求解各表面的净辐射热流hbITb)V Tb P W8bV ab&T i)P W8bVQcd I)adUb VdjklT I)&7.7换热管传热模型对于图)中的换热管!可以简化为图7所示的计算模型为了保证工质的流速需要!换热管采用了中央封堵的结构!工质在环形工质通道中流动#$%单元套装在换热管外!单元之间采用绝热垫片!减小容器间的相互影响!提高系统的可靠性6)9gm)航空动力学报第)nn n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n卷换热管的传热计算采用了焓法模型!三维柱坐标下焓法形式的能量方程为#$%&($)*+$,-$.,/0.$-$./0.,$,-$1,/$,-$234,%5(温度和焓通过下面的方程耦合#-*-6/789:固相;?6糊相;=-6/A?67BC?6液相;=7DEFG容器及工质壁%H(式中#为比焓I?6为相变潜热I&为密度I 7为比热容I下标6 B 8和D分别表示熔化点J液相J固相和容器壁!图K换热管简化模型L M N O K P Q R S 6T U M QV W;=U X Y SQ V Z W M N X T U M V Z换热管传热采用有限差分法计算!换热管划分为0,0:,%1 .2(个网格%如图K所示(!计算忽略了固液相变的密度差不考虑空穴的影响!;=区 忽 略 容 器 侧 壁 的 热 容导 热 系 数 采 用;=和容器侧壁的复合导热系数!K O 计算条件;=采用5:_ M L a 0 H _ T L,熔点0:b!容器和工质导管材料采用钴基合金cT d Z S 80 5 5 气体工质采用摩尔质量5 K 5的cS a e S混合气体!材料的物性参数和吸热器几何尺寸参见文献f,g!其它计算条件如下#空间热沉温度取,:b!入射能量为0 _ 0h i!日照周期j j6M Z 阴影期,k6M Z!工质入口温度为5 K 5b!工质流量为j kN l 8!内壁换热系数为:il 6,mb!系统初始温度为5:b!计算采用显式求解时间步长取:,_8!每个时间步腔体辐射计算与换热管计算互为边界条件进行求解!计算结果本文从初始条件计算了0:个轨道周期!下面各图对应 _ j k轨道周期的计算结果!图为吸热腔的能量平衡!输入能量noM Z分为三部分#腔体损失noB V 8 8J工质吸收noN T 8J换热管吸收noT Y 8!吸热腔的能量损失在,p,_h i之间变化平均为,_h i约为入射能量的0 _ q!其中日照期的能量损失明显高于阴影期损失!这是由于日照期容器表面的温度高所以热损失也比较大!根据计算可以看出工质吸收能量在阴影期也可以维持k 5 _h i充分表现了相变材料的蓄热性能!在日照期末则可以达到0:h i是因为换热管的温度已经超过了;=熔化温度!换热管吸收能量在日照期为正阴影期为负向工质放热!图吸热器能量平衡L M N O cS T U S Q S M r S S Z S N dY T B T Z Q S图_表示了换热管的能量平衡!其中noU V U T B是图计算得到的吸热腔损失J工质吸热以及换热管储热之和结果与图所示的输入能量十分接近!换热管的储热分为两部分#显热储热no8 S Z和潜热储热noB T U!可以看出在日照器的前半段潜热储热占主要部分之后潜热储热逐渐减小显热储热增加说明部分;=温度开始超过熔化温度进入显热蓄热!在阴影期开始显热能量减小很快换热管温度迅速降到接近;=熔化温度!而潜热能量逐渐成为主要的热源一直到阴影期末!通过换热管的能量平衡分析可以看出潜热储热起到HH0第K期侯欣宾等#太阳能热动力系统吸热lss s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s蓄热器能量分析了较好的作用!但是仍有较大部分的显热变化!会造成工质出口温度的较大变化图#换热管能量平衡$%&#$()%*+),-.-/&0,1(1.2-图3为换热管的最大温度和工质出口温度变化换热管最大温度变化范围在4 5 6 5 74 4 8 59之间!变化幅度为:59!对于换热管的应力会有不良的影响工质出口温度为4 5 6 5 74 4 5#9!在阴影期基本可以达到;=的熔化温度4 5 6 59!充分显示了;%?)?1.*-%+-?-/1+)/-图A;=熔化率$%&A;=?-(+B/1 2+%C.图A为换热管;=的熔化率变化计算得到的熔化率在5 D E 6 75 D 3 F之间变化说明对于整根换热管不可能实现;=的完全熔化和凝固这一结果与文献G 8!6 H中对单个容器的热分析结果不同主要由于换热管各容器对应的边界条件不同!造成部分容器单元在日照期不完全熔化!而部分容器单元在阴影期不完全凝固只有;=熔化率的变化范围才可以反应;=的利用率#结论本文建立了吸热I蓄热器腔的辐射模型!结合换热管的传热模型!计算了吸热腔的能量平衡和换热管的能量平衡得到了吸热腔能量损失J工质吸收能量J换热管显热储热J换热管潜热储热!以及换热管最大温度J工质出口温度J;=熔化率等重要结果得到如下结论KL 4 M;=起到了较好的蓄热效果!基本可以保证系统在阴影期的要求L E M吸热腔的热损失约为入射能量的4#NL 8 M换热管的设计有待进一步改进!以进一步增加;1.*-/ER S-T C(1/O 0.1?%2U/C).*V-P+O-?C.P+/1+%C.;/C W-2+G X H YQT QZ X Z4:F 6 E 8!4:A G E HT C(1/O 0.1?%2;C-/T 0 P+-?O-(C?-.+B C/T 1 2-T+1+%C.$/-*C?G XH YQT QZX;Z4 8 4 5!Y:6 Z4 E F 5 A!4:8 G 8 HV C?1 P 9-/P(1 R-!;1 -(T C R C(C !=C).%/,/1%?C?)+1+%C.1($()%*O 0.1?%2 P 1.*_-1+V/1.P B-/=C*-(%.&C B V -/?1(.-/&0T+C/1&-1.%P+-/PB C/T 1 2-Q (%2 1+%C.P G X H Q:F Z4 3 F 5 E!4:F G 6 H_C)a%.,%.!a%.&b)?%.&!b1.&%.!b)1.a%)&1.V /-c O%?-.P%C.1(_-1+V/1.P B-/Q.1(0 P%P B C/QV -/?1(.-/&0T+C/1&-1.%P+-/G d H d C)/.1(C B V -/?1(T 2%-.2-!E 5 5 4!4 5 L 4 M K#E Z#A G#H T+/)?+_d!Q 1.-P P%1.e!U 1 B C)/%1.X O-P%&.Q.1(0 P%P1.*C.+1%.?-.+1.%P+-/f%B-;/-*%2+%C.B C/1g/1 0+C.&%.-T C(1/X-2-%-/B C/T 1 2-T+1+%C.G d H V/1.P QT=!d T C(1/.-/&0.&%.-/%.&!4:6!4 4 3 K4 6 EZ4 6 A G 3 H 1/P%-Q _1(!U(1 R -9!1.C.dY!9-/P(1 R-V SV -/?C*0.1?%2Q.1(0 P%PC BT 1 2-T C(1/O 0.1?%2_-1+X-2-%-/P%+0 2(%2;1 P-1.&-G d H QT=!d T C(1/.-/&0.&%.-/%.&!4:!4 E 4 K 4 8 8 Z4 6 6 G A H卞伯绘辐射传热的分析与计算G=H 北京K清华大学出版社!4:F F G F H杨贤荣!马庆芳!原庚新辐射换热角系数手册G=H 北京K国防工业出版社!4:F E L责任编辑吴一黄M55E航空动力学报第4 Ahh h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h卷