%aa阳能热发电系统中吸热器温度场模拟.pdf

第3 7 卷第8 期2 0 0 9 年8 月化学工程C H E M I C A LE N G I N E E R l N G(C H I N A)V 0 1 3 7N o 8A u g 2 0 0 9碟式太阳能热发电系统中吸热器温度场模拟廖葵，龙新峰(华南理工大学化学与化工学院传热强化与过程节能教育部重点实验室，广东广州5 1 0 6 4 0)摘要：纯太阳能热发电作为一种能源清洁转换的有效方式越来越受到关注，吸热器作为发电过程中的能量转换装置在整个发电系统中起到了重要的作用。文中分析了吸热器的温度分布，比较了吸热器5 种不同结构的温度场。结果表明：球形吸热器最适合用于太阳能热力发电系统，并给出了球形吸热器在不同时间段的温度分布。计算结果可为工程设计和使用吸热器提供参考。关键词：太阳能热发电；吸热器；辐射；温度场中图分类号：T M6 1 5文献标识码：A文章编号：1 0 0 5-9 9 5 4(2 0 0 9)0 8-0 0 6 3-0 4S i m u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l df o rh e a tr e c e i v e ri ns o l a r-o n l yd i s kp o w e rg e n e r a t i o nL I A OK u i，L O N GX i n-f e n g(K e yL a b o r a t o r yo fE n h a n c e dH e a tT r a n s f e ra n dE n e r g yC o n s e r v a t i o no ft h eM i n i s t r yo fE d u c a t i o n，S c h o o lo fC h e m i s t r ya n dC h e m i c a lE n g i n e e r i n g，S o u t hC h i n aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y，G u a n g z h o u510 6 4 0，G u a n g d o n gP r o v i n c e，C h i n a)A b s t r a c t：A sa ne f f e c t i v ew a yf o re n e r g yc l e a rc o n v e r s i o n，s o l a r-o n l yt h e r m a lp o w e rg e n e r a t i o na t t r a c t sm o r ep e o p l et op a ya t t e n t i o n，t h eh e a tr e c e i v e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ne n e r g yt r a n s f o r m a t i o ni ns o l a r o n l yt h e r m a lp o w e rg e n e r a t i o n T h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fh e a tr e c e i v e rw a sa n a l y z e d T h et e m p e r a t u r ef i e l d so ff i v es t r u c t u r e so ft h eh e a tr e c e i v e r sw e r ec o m p a r e d T h ec a l c u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a ts p h e r i c a ls t r u c t u r ei sa v a i l a b l ea n dt h em o s ts u i t a b l ef o rs o l a r o n l yt h e r m a lp o w e rg e n e r a t i o n T h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n so fs p h e r i c a lh e a tr e c e i v e rw e r es i m u l a t e di nd i f f e r e n tt i m ep e r i o di nt h ew h o l ed a y T h er e s u l tc a nb et a k e na sar e f e r e n c ef o rd e s i g na n da p p l i c a t i o no fh e a tr e c e i v e r K e yw o r d s：s o l a rt h e r m a lp o w e rg e n e r a t i o n；h e a tr e c e i v e r；r a d i a t i o n；t e m p e r a t u r ef i e l d太阳能热发电既不会产生C O；，N O。，S O；和其他有害气体，也不会产生其他环境问题，有效地实现了能源的清洁转换利用。然而，太阳能具有低密度、间歇性的特征，不能稳定、持续地供应。为从根本上弥补这一缺陷，使太阳能从辅助能源最终变为一种使用方便可靠的清洁能源，需要借助于储能系统。对于采用碟式聚热的大规模太阳能热发电系统，利用氨合成分解反应的储能方式最为合适。澳大利亚国立大学K L o v e g r o v e 等采用该方式于2 0 0 3 年已试制出一套热化学储能功率达1 5k W 的碟式太阳能热化学储能系统，所用碟式集热器的面积为2 0m 2。K L o v e g r o v e 宣称，采用氨基热化学储能技术，一个有6 2k m 2 太阳热能接受场的热发电站所发出的电力就足够供整个澳大利亚使用。氨基热化学储能系统主要由2 个关键部件一太阳能吸热反应器(氨分解反应器)和放热反应器(氨合成反应器)组成。目前管式太阳能吸热器应用较多，但还需解决盐膜整体化、增黑剂的选择和液滴损耗等技术难题。而且管式吸热器的聚光比很小，不适合用于太阳能热发电系统。小颗粒式吸热器则还需要解决吸收器的耐久性和颗粒如何运回塔顶等问题。容积式太阳能高温吸热器是目前国际上比较关注的一种新型太阳能高温吸热器，这种结构增大了传热面积，能够承受高达10 0 0k W m 2 的热流通量，而且这项技术已经有很好的技术积累，在短期内可以得到突破。常见的用于碟式太阳能发电系统的吸热器形状有球基金项目：国家自然科学基金资助项目(5 0 2 0 6 0 0 4)；广东省自然科学基金资助项目(0 2 0 8 7 5)作者简介：廖葵(1 9 8 3 一)，女，硕士，主要研究方向为强化传热与节能、热化学储能太阳能热力发电，E-m a i l：l i a o k u i 8 3 1 2 6 e o n l。万方数据6 4 化学工程2 0 0 9 年第3 7 卷第8 期形、圆柱形、椭圆形、圆锥形及复合圆锥形2|。本文针对这5 种不同结构的吸热反应器，对其内部的温度场进行分析比较，为吸热反应器的设计、制造提供理论参考。1 物理数学模型1 1 物理模型吸热器接受聚光的太阳辐射，加热排列在吸热器内壁的氨分解反应器，使发生化学反应，以此实现太阳能向化学能的转化，也是能量的储存过程。图1 示出了球形吸热器的结构和该能量转换方式的原理。绝热辐射吸热板氨分解反应器猡猡合氐氐、聚光磲1 2 数学模型理论上，系统存在传导、对流和辐射3 种传热方式。为方便进行数值模拟，对物理模型和控制方程进行合理的选择和简化。控制方程采用有限容积法【3J，选用D O 辐射模型，用S I M P L E 算法求解速度压力方程，对流扩散项采用二阶迎风格式。自然对流流动强度由量纲一瑞利数砌来判定。1 2 1 对流传热模型吸热器内部为自然对流，其传热可采用动量方程、能量方程和连续性方程模拟 4】，采用极坐标时相应的方程如下：动量方程，V l，=F 一业+t，驴l，(1)p能量方程V。VT)=p 酱一害(2)连续性方程V l，=0(3)式中：v 为极坐标(r，0，咖)下的速度向量，西为吸热器偏角；V 为拉普拉斯算子；F 为单位体积作用力；p为压力；T 为空气温度，P 为空气密度；h 为单位质量流体的比焓；t，为空气运动黏度；k 为空气热传导率；为时间。边界条件：模拟中假定附着在吸热器内壁面的空气温度和内壁面温度相同，即T=L，；模拟的是封闭容积，V C O S0=0；吸热器外壁面设置为绝热状态，鬈_ 0 0初始条件：r l=t。，l，I=0。其中t。，表示环境温度。1 2 2 辐射传热模型计算中用到的辐射模型为【5 引掣小旭)，(”m 凡2 譬+I，(，s)中(s s)(4)式中：，为位置向量；s 为方向向量；墨7 为散射方向；s为沿程长度(行程长度)；口为吸收系数；r t 为折射系数；盯。为散射系数；盯为斯蒂芬一玻耳兹曼常数5 6 2 7X1 0 8 W(m 2 K 4)；，为辐射强度，依赖于位置，与方向J；r 为当地温度；中为相位函数；-r 2 7 为空间立体角；(口+盯。)s 为介质的光学深度。1 2 3 入射强度模型图2 所示为美国K r a m e rJ u n c t i o n 电厂所处位置的年辐射强度变化。川。由图2 可见，在每一天内随着时间的推移，太阳辐射强度是在不断变化，呈现从弱到强再逐渐减弱的趋势。为方便计算，本文根据这种辐射变化趋势，做了简化处理，如图3 所示。编写分段的U D F(U s e r D e f i n e dF u n c t i o n)文件，模拟辐射传热。图中的辐射强度是经聚光碟聚光后到达吸热器入射面(聚焦面)的入射强度，假设太阳辐射强度经聚光反射到接收器表面的放大倍数为4 一。图2K 舳 J u n c t i o n 地区的太阳年辐射强度F i g 2A n n u a li n s o l a t i o nm a n t l ef o rK H I rJ u n c t i o na 眺万方数据廖葵等碟式太阳能热发电系统中吸热器温度场模拟6 5 1 2 4 流动类型判断当反射的太阳光照射到吸热器入射面时，吸热器内空气温度及其余各面的温度和入射面温度不再相同，由此产生密度差和浮力驱动的自然对流。自然对流流动强度由R a 来判定，R a 可表示为R a：G r P r：T I B g A T L 3 p 2 旦：且型-堕(5)1 口j z z式中：卢为体膨胀系数(也叫热胀系数)，口=一1 P(等)，即定压下与温度变化相对应的密度变化的度量；g 为重力加速度；口为热扩散率，口=旦，A 为空p e p气的导热系数，c。为比定压热容；p 为动力黏度，p=。若R a 1 0 8，浮力驱动的对流为层流；若1 0 8 R 口 1 0|0 区间时，为层流与湍流的过渡阶段。2 网格划分物理模型选取球形，见图1，其网格划分见图4，在壁面进行了网格的局部加密。入射面材料假设为玻璃，透过率为1。底面绝热，二侧壁面向靠壁排列的氨分解反应器放热。圈4 网格分布F i g 4G r i dd i s t r i b u t i o n3 模拟结果分析3 1 温度场分析有研究结果表明，吸热器腔体的形状对吸热器的热效率影响很小，但对系统的温度分布有很大影响【8J。吸热器入射面由于连续接受太阳辐射，其温度将高出其他各面。而侧面所取材料相同，故温度分布应是对称的，如图5 所示。在1d 的时间段里，随着太阳辐射强度的变化，吸热器壁面温度将出现相应的由低到高再转低的变化。图5 球形吸热器的温度分布F i g 5T e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n so fs p h e r i c a lh e a tr e c e i v e r3 25 种结构的热性能比较图6 给出了吸热器的5 种不同结构在相同时间下(上午8 点)的温度分布。吸热器的内壁面的温度分布是不均匀的，当最高温度和最低温度相差太大，将对吸收器内部热量的均匀性极其不利，容易形成由于局部高温导致裂管。由图6 可看出，在太阳辐射相同时间下，球形结构的内壁升温最快，温度达到最高，且温差不大。圆锥形结构的内壁温度也达到了和球形结构相似的温度。而圆柱形、椭圆形、复合圆锥形则升温较慢，内壁温度偏低。3 3 球形吸热器各个不同时刻的温度场分布以球形吸热器为例，模拟了其在ld 内不同时刻的温度分布，如图7 所示。从图中可以看出，从早上8 点到下午1 6 点的时间段里，随着太阳辐射的变化，吸热器内壁温度出现了相应的变化，在正午1 2 点温度最高，早上和下午时间段的温度相近，下午时间段的温度略高，这是因为经过上午一段时间的辐射，有了热量的积累。从图中还可以看到，在各个时刻，温度均对称分布，温度分布图基本相似。随着辐射强度的变化，吸热器平均温度呈现相应的增减，但变化幅度小于辐射强度的变化。OOOOOOOOO如如如如如g事一型尝蔷婵窖岖果赚万方数据6 6 化学工程2 0 0 9 年第3 7 卷第8 期图7 球形吸热器在不同时刻的温度分布F i g 7T。m p e m t u Md i s t 曲u t i。n so fs P h e r i c a lh e 8 tr e c e i v e ra Id i f f e r e n t I n e【-F 转g7 8 页】万方数据7 8 化学工程2 0 0 9 年第3 7 卷第8 期表3 煤油回收单质硫综合考察实验结果T a b l e3R e s u l to fi n t e g r a t e ds u r v e yo nt h er e p l i c a t i o ne x p e r i m e n tb yu s i n gk e r o s e n em e t h o d5 结论(1)本实验过程数据可作为硫化物矿回收硫工业化装置设计的初始应用数据。利用本实验室开发的S F W-4 5 0 耦合三相反应器，可在同一设备内完成液固气三相的溶解、过滤、洗涤等操作，减少对环境的影响。作为清洁生产过程，是一种具有可工业化前景的工艺方法。(2)根据工程条件不同可进行一段法或二段法工艺路线的选择。一段法工艺，液固质量比2 q，温度为1 3 0 1 4 0，加热3 0 4 0m i n；经过二段法再次浸取，可回收矿样中质量分数约9 9 的单质硫。(3)溶剂煤油对于其他溶硫性能更好的甲类有机溶剂而言，安全程度较高，但仍属乙类火灾等级危险物质，同样需纳入危险化学品管理范畴，强化安全措施。(4)因表面效应，残存的微量煤油会对处理后渣产生包裹现象。下一步将对此进行深入研究。参考文献：1 姚淑华，石中亮，宋守志有色金属矿物中硫资源的回收及综合利用 J 中国资源综合利用，2：0 r 3(8)：1 4 1 8 2 L O C H M A N NJ，P E D L I KM K i n e t i ca n o m a l i e so f d i s s o l u t i o no fs p h a l e r i t ei n f e r r i cs u l f a t es o l u t i o n J H y d r o m e-t a l l u r g y，1 9 9 5，3 7：8 9-9 6 3 赵毅霞铜渣氯浸渣处理工艺研究 D 兰州：兰州理工大学，2 0 0 7 4 林鸿汉从铜金精矿中湿法综合回收金银铜硫的工艺研究 J 矿冶工程，2 0 0 6，2 6(1)：5 1-5 5 5 周勤俭湿法冶金渣中元素硫的回收方法 J 湿法冶金，1 9 9 7，9(3)：5 0 5 4【上接第6 6 页】4 结论对吸热器5 种不同结构进行了温度场的模拟，通过以上的分析和讨论，可以看出：吸热器结构对温度分布有很大的影响，从而将影响到氨分解反应，决定能量的转换储存的效果。球形和圆锥形结构的吸热器在性能上优于其他3 种结构。理论上球形结构最适宜，但还要考虑到实际制造上的难易程度来决定吸热器的结构。参考文献：1 刘涛。林汝谋，金红光能源利用与环境领域的研究 J 中国科学基金，2 0 0 3，1 7(1)：3 0-3 3 2 刘志刚，张春平，赵耀华，等一种新型腔式吸热器的设计与实验研究 J 太阳能学报，2 0 0 5，2 6(3)：3 3 2-3 3 7 3 陶文铨数值传热学 M 2 版西安：西安交通大学出版社，2 0 0 1 4 S E N D H I LKN，R E D D YKS C o m p a r i s o no fr e c e i v e r sf o rs o l a rd i s hc o l l e c t o rs y s t e m J E n e r g yC o n v e r s i o na n dM a n a g e m e n t，2 0 0 8，4 9：8 1 2-8 1 9 5 C H U IEH，R A I T H B YGD C o m p u t a t i o no fr a d i a n th e a tt r a n s f e ro nan o n-o r t h o g o n a lm e s hu s i n gt h ef i n i t e-v o l u m em e t h o d J N u m e r i c a lH e a tT r a n s f e r，P a r tB，1 9 9 3，2 3：2 6 9-2 8 8 6 R A I T H B YGD，C H U IEH Af i n i t e-v o l u m em e t h o df o rp r e d i c t i n gar a d i a n th e a tt r a n s f e ri ne n c l e s u r e sw i t hp a r-t i c i p a t i n gm e d i a J JH e a tT r a n s f o r，1 9 9 0，11 2：4 1 5 4 2 3 7 P R A B H UE S o l a r 仰u g lo r g a n i cr a n k i n ee l e c t r i c i t ys y s t e r n(S T O R E S)s t a g e1：p o w e rp l a n to p t i m i z a t i o na n de c o n o m i c s R C a l i f o r n i a：N a t i o n a lR e n e w a b l eE n e r g yL a b o r a t o r y(N R E L)，2 0 0 6：4 5 8 H A R R I S JA，L E N ZTG T h e r m a lp e r f o r m a n c eo fs o l a rc o n c e n t r a t o r c a v i t yr e c e i v e rs y s t e m s J S o l a rE n e r g y，1 9 8 5，3 4(2)：1 3 5-1 4 2 万方数据