槽式太阳能真空集热管的热损失测量
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第 62 卷 第 S1 期 2011 年 5 月
化工学 报 CIESC Journal
V ol 62 N o S1 M ay 2011
研究论文
槽式太阳能真空集热管的热损失测量
张业强, 吴玉庭, 马重芳, 熊亚选
( 北京工业大学传热强化 与过程节能教育部重点实验室, 传热与能源利用北京市重点实验室, 北京 100124)
Key words: parabo lic tro ug h co llect or; receiver; heat loss; quas-i st at ic equilibrium m et hod
引言
槽式太阳能热发电系统是太阳能热发电系统中 最成熟、商业化程度最高的发电系统。据统计, 每 年对太阳能热发电研究的资金有 64% 被用 于槽式 太阳能技术的研究, 而只有 31% 的资金用 研究碟
流速来计算散热损失的大小。稳态平衡法是通过放 置在真空集热管的不锈钢管内的电阻加热器加热, 以达到恒定不锈钢管的管壁温度的目的, 通过计算 加热器的电功率来计算散热损失的大小。本实验采 用准静态平衡法测量真空集热管的热损失。
实验流程如图 2 所示。导热油从循环泵出口经 由导热油加热器进行加热, 使加热器出口处导热油 温恒定在一特定温度, 然后导热油进入真空集热管 散热。导热油罐起到消除导热油热胀冷缩的体积变 化, 并通过氮气压力来稳定。整个系统的压力通过 真空集热管的导热油的流速通过两种方式来调整, 一是通过泵的变频调整流量, 一是通过连通到导热 油罐的旁路上的自动流量控制阀进行调整。在导热 油进入真空集热管前测定其质量流量, 并在真空集 热管的进出口位置布置温度测点, 用来测定导热油 在集热管进出口的温度变化。
第 S1 期
张业强等: 槽式太阳能真空集热管的热损 失测量
18 7
实验测量温度 105~ 313 , 每隔 20~ 25 设 定一个工况点, 共设定 11 个工况点。为了消除白 天太阳辐射对实验的影响, 选择在晴朗的夜间进行 实验, 实验时风速不大于 5 m s- 1 。
在实验过程中, 首先开启主循环管道的阀门, 开启循环泵驱动导热油在管内循环流动; 开启导热 油罐内的加热系统, 将膨胀罐内的导热油温度 ( 铠 装热电阻测量) 稳定到略低于试验需要的温度; 然 后, 调节自动控制阀, 使流量计 FM 的显示流量稳 定到试验设定的流量, 同时开启导热油加热器, 使 导热油在真空集热管进口处的温度稳定到实验需要 的温度; 然后让系统稳定循环 ( 至少稳定运行 1 h) , 直到完成该阶段的实验。
文章编号 0438- 1157 ( 2011) S1- 185- 05
Trough receiver heat loss testing
ZHANG Yeqiang, WU Yuting, MA Chongfang, XIONG Yaxuan
( K ey L abor ator y of Enhanced H eat T r ans f er and Ener gy Cons er v ation, M inis try o f Education, K ey L abor ator y of H eat T r ansf er and E ner gy Conv er sion , Beij ing M unicip al ity , Beij ing Univ er s ity of T echno logy , B eij ing 100124, China)
S urface t emperat ure of insu lat ion/
25 5 24 9 26 1 27 4 30 7 31 1 32 3 41 3 46 7 58 7 71 6
( 7)
根据式( 1) 、式( 7) , 得到总热损失的误差计算 公式
EQ =
其中
[ Em ( Q/ m) ] 2+ [ E T ( Q/
T ) ] 2 ( 8)
Q/ m= cp T
Q/ T = mcp
4 实验结果分析
对 11 个工况点的测试结果见表 1。 热损失及误差计算见表 2。热损失变化趋势见 图 3。
2
) d3
( 6)
3 误差分析[ 4]
测量导热油进出口温度: 0 1 。 测量环境温度: 0 2 。 测量导热油流量的质量流量计: 0 2% 。 误差存在于对进出口油温的测量、环境温度的 测量和质量流量的测量。计算误差采 用的计算公 式为
Erss = [ u1 ( F/ u1 ) ] 2 + [ u2 ( F/ u2 ) ] 2 + + [ un ( F/ un) ] 2
Se r ial number
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
A verage t emperat u re
of oil / 105 3 125 4 145 5 169 9 190 1 209 8 229 2 252 4 272 0 293 3 312 9
表 1 实验测试 的数据 Table 1 Data from test
目前国内有许多企业已经开始进行槽式太阳能 热发电用的真空集热管的研发和研制工作。散热损 失是衡量真空集热管性能的重要指标之一, 但是这 些企业都没有建立测试该类真空集热管的散热损失 的实验系统。本实验主要为了测试真空集热管的热 损失大小, 以了解其散热损失的性能。
1 实验系统和方法
测试真空集热管的散热损失有准静态平衡法[ 4] 和稳态平衡法[ 5] 两种方案。准静态平衡法是将真空 集热管安装在流体回路中, 保持真空集热管的进、 出口处流体温度的稳定, 以达到恒定不锈钢管的管 壁温度的目的, 通过测量流体的进出口温差和质量
图 2 实验流程图 F ig 2 Contr ol mechanism of test band
本次实验测试的是由北京太阳能研究所 ( Sunp) 提供的真空集热管, 单根管长为 2 m, 金属吸热管 外径 63 mm, 玻璃管的外径为 115 mm。实验中将六 根真空集热管焊接成长 12 15 m 的一组管道, 每两 根真空集热管之间由长 30 mm 的不锈钢管连接, 并 对该段不锈钢管及两端的波纹管进行保温处理。在 进、出口测温点与真空集热管之间的不锈钢也采用 了相同的保温措施。质量流量测量仪布置在水平管 段上, 保证测量要求。在真空集热管的进出口分布 三个测温点, 采用热电阻为温度传感器。
186
化工学报
第 62 卷
图 1 真空集热管的结构 F ig 1 Shor tened view of a receiver
成, 金属吸热管与玻璃管之间为真空环形空间。真 空集热管将常规的玻璃- 金属封和金属波纹管相结 合, 以实现环形空间的真空密封, 弥补了金属不锈 钢管和玻璃管热膨胀系数不同造成的伸长量差。真 空空间是为了降低集热管在高温情况下的金属吸热 管与玻璃套管之间的对流换热损失, 防止太阳选择 性吸 收层被 氧化。真 空空 间的压 力应 不高 于 Knudsen 气体导热压力范 围, 一般维 持在 0 0001 mmH g ( 0 013 P a) , 以尽可能减少环形空 间的对 流热损失[ 2] 。选择性涂层喷涂到金属管的外壁面以 提高金属吸热管的聚焦后的太阳辐射能, 降低工作 温度下的发射率, 以减少二次 热辐射造成的 热损 失。玻璃套管内、外表面抗反射层 ( AR coat ing ) 用于提高太阳能辐射穿过玻璃套管时的透射率。环 形空间设置吸气剂, 以吸收渗入环形空间的氢气及 其他气体分子。由于照射在玻璃- 金属封接部位的 能流密度较高, 必须对玻璃- 金属封接部位进行保 护, 避免直接或间接的辐射光束[ 3] 。
Received date: 2011- 03- 30 Corresponding author: W U Y ut ing, w uyut in g@ b jut edu cn Foundat ion item: s upport ed by t h e N ati onal Basic R esearch Program of C hina ( 2010C B227103)
Sur rou nding t emperat ure/
22 6 21 9 21 4 20 2 20 0 19 2 18 4 20 1 19 1 20 1 22 1
Surf ace t emperatu re of gl as s/
25 1 25 4 26 2 28 4 30 9 33 9 36 4 40 4 44 0 48 0 51 1
时 ( 290 ) 测得的热损失是稳态平 衡法的 1 18 倍; 同 SCH O T T 公司的 PT R70 真 空集热 管相比, 实 验用真 空
集热管的热损失是其热损失的 1 2 倍左右。
关键词: 槽式聚光集热器; 真空集热管; 热损失; 准静态平衡法
中图分类号: T K 519
文献标志码: A
摘要 : 真空集 热管是槽式太阳能热发电系统聚光集热器的关 键部件, 其热 损失的大小 直接关系 到系统的光- 热 效
率。通过对由 6 根真空集热管组成的 13 m 管道的热 损失分析, 结果 表明, 在导热 油温度 105~ 313 的 范围内,
辐射散热损失占总的热损失的 70% ~ 90% ; 准静态平衡法测 得的热损失 较稳态平衡 法测得 的热损 失大, 在高 温
2011- 03- 30 收到初稿, 2011- 04- 08 收到修改稿。 联系人: 吴玉庭。 第一作者: 张 业强 ( 1981 ) , 男, 博 士研 究生。 基金项目: 北京市自 然 科学 基金 重点 项目 ( 3081002) ; 国家 重点基础研究发展计划项目 ( 2010CB227103) 。
Abstract: T he receiver, w hose heat loss direct ly af fect s t he conv er sion of eff iciency f rom opt ic t o t herm al, is a key co mponent of t he parabo lic t rough co llect or By analyzing the heat lo ss of 13 m pipeline w hich is const ructed by six tw o- met er receivers, t he result s show t hat t he radiant heat loss is 70% t o 90% of the to tal heat loss w hen o il s temperature f rom 105 to 313 T he heat lo ss m easured by quas-i st atic equilibrium met ho d is larger t han that m easured by steady- st at e equilibrium met ho d, and at high temperature ( 290 ) t he fo rmer is 1 18 t imes as hig h as t he lat ter T he heat loss is 1 2 t imes bigg er t han that of SCH OT T s P T R70
式和塔式太阳能热发电技术, 这预示着更大规模槽 式太阳能热发电技术的商业化即将展开[ 1] 。
真空集热管, 简称集热管 ( H CE ) , 是槽式太 阳能聚光集热器的关键部件, 其结构如图 1 所示。 H CE 由一根外壁面涂有太阳选择性吸收层的金属 吸热管和玻璃管 ( 内、外表 面涂有抗 反射层) 组
2 数据处理方法
真空集热管的总的热损失的计算公式为
Q= mcp T
( 1)
辐射散热损失的计算公式为
Q3 = Q- Q1 - Q2
( 2)
Q1 、Q2 通过大空间自然对流换热公式计算得出
Qc= hA ( tw - t )
( 3)
h= Nu d
( 4)
N u= C( Gr Pr ) n
(
化工学 报 CIESC Journal
V ol 62 N o S1 M ay 2011
研究论文
槽式太阳能真空集热管的热损失测量
张业强, 吴玉庭, 马重芳, 熊亚选
( 北京工业大学传热强化 与过程节能教育部重点实验室, 传热与能源利用北京市重点实验室, 北京 100124)
Key words: parabo lic tro ug h co llect or; receiver; heat loss; quas-i st at ic equilibrium m et hod
引言
槽式太阳能热发电系统是太阳能热发电系统中 最成熟、商业化程度最高的发电系统。据统计, 每 年对太阳能热发电研究的资金有 64% 被用 于槽式 太阳能技术的研究, 而只有 31% 的资金用 研究碟
流速来计算散热损失的大小。稳态平衡法是通过放 置在真空集热管的不锈钢管内的电阻加热器加热, 以达到恒定不锈钢管的管壁温度的目的, 通过计算 加热器的电功率来计算散热损失的大小。本实验采 用准静态平衡法测量真空集热管的热损失。
实验流程如图 2 所示。导热油从循环泵出口经 由导热油加热器进行加热, 使加热器出口处导热油 温恒定在一特定温度, 然后导热油进入真空集热管 散热。导热油罐起到消除导热油热胀冷缩的体积变 化, 并通过氮气压力来稳定。整个系统的压力通过 真空集热管的导热油的流速通过两种方式来调整, 一是通过泵的变频调整流量, 一是通过连通到导热 油罐的旁路上的自动流量控制阀进行调整。在导热 油进入真空集热管前测定其质量流量, 并在真空集 热管的进出口位置布置温度测点, 用来测定导热油 在集热管进出口的温度变化。
第 S1 期
张业强等: 槽式太阳能真空集热管的热损 失测量
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实验测量温度 105~ 313 , 每隔 20~ 25 设 定一个工况点, 共设定 11 个工况点。为了消除白 天太阳辐射对实验的影响, 选择在晴朗的夜间进行 实验, 实验时风速不大于 5 m s- 1 。
在实验过程中, 首先开启主循环管道的阀门, 开启循环泵驱动导热油在管内循环流动; 开启导热 油罐内的加热系统, 将膨胀罐内的导热油温度 ( 铠 装热电阻测量) 稳定到略低于试验需要的温度; 然 后, 调节自动控制阀, 使流量计 FM 的显示流量稳 定到试验设定的流量, 同时开启导热油加热器, 使 导热油在真空集热管进口处的温度稳定到实验需要 的温度; 然后让系统稳定循环 ( 至少稳定运行 1 h) , 直到完成该阶段的实验。
文章编号 0438- 1157 ( 2011) S1- 185- 05
Trough receiver heat loss testing
ZHANG Yeqiang, WU Yuting, MA Chongfang, XIONG Yaxuan
( K ey L abor ator y of Enhanced H eat T r ans f er and Ener gy Cons er v ation, M inis try o f Education, K ey L abor ator y of H eat T r ansf er and E ner gy Conv er sion , Beij ing M unicip al ity , Beij ing Univ er s ity of T echno logy , B eij ing 100124, China)
S urface t emperat ure of insu lat ion/
25 5 24 9 26 1 27 4 30 7 31 1 32 3 41 3 46 7 58 7 71 6
( 7)
根据式( 1) 、式( 7) , 得到总热损失的误差计算 公式
EQ =
其中
[ Em ( Q/ m) ] 2+ [ E T ( Q/
T ) ] 2 ( 8)
Q/ m= cp T
Q/ T = mcp
4 实验结果分析
对 11 个工况点的测试结果见表 1。 热损失及误差计算见表 2。热损失变化趋势见 图 3。
2
) d3
( 6)
3 误差分析[ 4]
测量导热油进出口温度: 0 1 。 测量环境温度: 0 2 。 测量导热油流量的质量流量计: 0 2% 。 误差存在于对进出口油温的测量、环境温度的 测量和质量流量的测量。计算误差采 用的计算公 式为
Erss = [ u1 ( F/ u1 ) ] 2 + [ u2 ( F/ u2 ) ] 2 + + [ un ( F/ un) ] 2
Se r ial number
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
A verage t emperat u re
of oil / 105 3 125 4 145 5 169 9 190 1 209 8 229 2 252 4 272 0 293 3 312 9
表 1 实验测试 的数据 Table 1 Data from test
目前国内有许多企业已经开始进行槽式太阳能 热发电用的真空集热管的研发和研制工作。散热损 失是衡量真空集热管性能的重要指标之一, 但是这 些企业都没有建立测试该类真空集热管的散热损失 的实验系统。本实验主要为了测试真空集热管的热 损失大小, 以了解其散热损失的性能。
1 实验系统和方法
测试真空集热管的散热损失有准静态平衡法[ 4] 和稳态平衡法[ 5] 两种方案。准静态平衡法是将真空 集热管安装在流体回路中, 保持真空集热管的进、 出口处流体温度的稳定, 以达到恒定不锈钢管的管 壁温度的目的, 通过测量流体的进出口温差和质量
图 2 实验流程图 F ig 2 Contr ol mechanism of test band
本次实验测试的是由北京太阳能研究所 ( Sunp) 提供的真空集热管, 单根管长为 2 m, 金属吸热管 外径 63 mm, 玻璃管的外径为 115 mm。实验中将六 根真空集热管焊接成长 12 15 m 的一组管道, 每两 根真空集热管之间由长 30 mm 的不锈钢管连接, 并 对该段不锈钢管及两端的波纹管进行保温处理。在 进、出口测温点与真空集热管之间的不锈钢也采用 了相同的保温措施。质量流量测量仪布置在水平管 段上, 保证测量要求。在真空集热管的进出口分布 三个测温点, 采用热电阻为温度传感器。
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化工学报
第 62 卷
图 1 真空集热管的结构 F ig 1 Shor tened view of a receiver
成, 金属吸热管与玻璃管之间为真空环形空间。真 空集热管将常规的玻璃- 金属封和金属波纹管相结 合, 以实现环形空间的真空密封, 弥补了金属不锈 钢管和玻璃管热膨胀系数不同造成的伸长量差。真 空空间是为了降低集热管在高温情况下的金属吸热 管与玻璃套管之间的对流换热损失, 防止太阳选择 性吸 收层被 氧化。真 空空 间的压 力应 不高 于 Knudsen 气体导热压力范 围, 一般维 持在 0 0001 mmH g ( 0 013 P a) , 以尽可能减少环形空 间的对 流热损失[ 2] 。选择性涂层喷涂到金属管的外壁面以 提高金属吸热管的聚焦后的太阳辐射能, 降低工作 温度下的发射率, 以减少二次 热辐射造成的 热损 失。玻璃套管内、外表面抗反射层 ( AR coat ing ) 用于提高太阳能辐射穿过玻璃套管时的透射率。环 形空间设置吸气剂, 以吸收渗入环形空间的氢气及 其他气体分子。由于照射在玻璃- 金属封接部位的 能流密度较高, 必须对玻璃- 金属封接部位进行保 护, 避免直接或间接的辐射光束[ 3] 。
Received date: 2011- 03- 30 Corresponding author: W U Y ut ing, w uyut in g@ b jut edu cn Foundat ion item: s upport ed by t h e N ati onal Basic R esearch Program of C hina ( 2010C B227103)
Sur rou nding t emperat ure/
22 6 21 9 21 4 20 2 20 0 19 2 18 4 20 1 19 1 20 1 22 1
Surf ace t emperatu re of gl as s/
25 1 25 4 26 2 28 4 30 9 33 9 36 4 40 4 44 0 48 0 51 1
时 ( 290 ) 测得的热损失是稳态平 衡法的 1 18 倍; 同 SCH O T T 公司的 PT R70 真 空集热 管相比, 实 验用真 空
集热管的热损失是其热损失的 1 2 倍左右。
关键词: 槽式聚光集热器; 真空集热管; 热损失; 准静态平衡法
中图分类号: T K 519
文献标志码: A
摘要 : 真空集 热管是槽式太阳能热发电系统聚光集热器的关 键部件, 其热 损失的大小 直接关系 到系统的光- 热 效
率。通过对由 6 根真空集热管组成的 13 m 管道的热 损失分析, 结果 表明, 在导热 油温度 105~ 313 的 范围内,
辐射散热损失占总的热损失的 70% ~ 90% ; 准静态平衡法测 得的热损失 较稳态平衡 法测得 的热损 失大, 在高 温
2011- 03- 30 收到初稿, 2011- 04- 08 收到修改稿。 联系人: 吴玉庭。 第一作者: 张 业强 ( 1981 ) , 男, 博 士研 究生。 基金项目: 北京市自 然 科学 基金 重点 项目 ( 3081002) ; 国家 重点基础研究发展计划项目 ( 2010CB227103) 。
Abstract: T he receiver, w hose heat loss direct ly af fect s t he conv er sion of eff iciency f rom opt ic t o t herm al, is a key co mponent of t he parabo lic t rough co llect or By analyzing the heat lo ss of 13 m pipeline w hich is const ructed by six tw o- met er receivers, t he result s show t hat t he radiant heat loss is 70% t o 90% of the to tal heat loss w hen o il s temperature f rom 105 to 313 T he heat lo ss m easured by quas-i st atic equilibrium met ho d is larger t han that m easured by steady- st at e equilibrium met ho d, and at high temperature ( 290 ) t he fo rmer is 1 18 t imes as hig h as t he lat ter T he heat loss is 1 2 t imes bigg er t han that of SCH OT T s P T R70
式和塔式太阳能热发电技术, 这预示着更大规模槽 式太阳能热发电技术的商业化即将展开[ 1] 。
真空集热管, 简称集热管 ( H CE ) , 是槽式太 阳能聚光集热器的关键部件, 其结构如图 1 所示。 H CE 由一根外壁面涂有太阳选择性吸收层的金属 吸热管和玻璃管 ( 内、外表 面涂有抗 反射层) 组
2 数据处理方法
真空集热管的总的热损失的计算公式为
Q= mcp T
( 1)
辐射散热损失的计算公式为
Q3 = Q- Q1 - Q2
( 2)
Q1 、Q2 通过大空间自然对流换热公式计算得出
Qc= hA ( tw - t )
( 3)
h= Nu d
( 4)
N u= C( Gr Pr ) n
(