一种多孔介质太阳能吸热器传热研究

一种多孔介质太阳能吸热器传热研究

许昌ｔ‘刘德有・掷源ｔ，张德虎ｌ’吕剑虹，

（１．河海大学，南京２１００９８；２．爱荷华大学，美国爱荷华州爱荷华城５２２４６；３．东南大学，南京２１００９６）

摘要：为了研究塔式太阳能多孔介质吸热器的传热传质特性，建立吸热器稳态传热模型，选择适合多孔介质太阳能吸热器的体积对流换热系数模型，采用数值方法求解，并分别分析孔隙密度、孔隙率和入口空气速度对温度场的影响。文中技术可以为同类型太阳能吸热器的设计和改造提供参考。

关键词：太阳能塔式发电；吸热器；多孔介质；稳态数值研究

Ａｂｓｔ随ｃｔ：ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｉｎＶｅｓｔ远ａｔｅｔｈｅｈｅａｔｔｒ｛ｍｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉ８ｔｉｃｓｏｆａｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａｓｏｌａｒｐｏｗｅｒ

ｔｏｗｅｒＰｌａｎｔｒｅｃｅｉＶｅｒ’ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓｔｌｌｅｍ勰ｓａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｍｏｄｅｌｓｉｎｔｈｅｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａｓｏ—ｌａｒｒｅｃｅｉｖｅｒ，ｃｈｏｏ∞ｓｔｈｅｐｒｅｆｅｒａｂｌｅＶｏｌｕｍｅｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎｈｅａｔ呦ｓｆｅｒｃｏｅ蚯ｃｉｅｎｔｒｎｏｄｅｌ，ｓｏｌｖｅｓｔＩｌｅ∞ｅｑｕ砒ｉｏｎｓｂｙｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄａｎａｌｙｚｅ８ｔ１１ｅｔｙｐｉｃａｌｉｎｎｕｅｎｃｅｓｏｆｔｌＩｅｃｅＵｄｅｎｓｉｔｙ，ｐｏｒ０８ｉｔｙ，ａｉｒｉＩｌｌｅｔＶｅｌｏｃｉｔｙｏｎｔｔｌｅｔｅｍｐｅｍｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｃａｎｐｒｏｖｉｄｅａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｉｓｔｙｐｅｏｆｒｅｃｅｉｖｅｒｄｅｓｉｇｎ肌ｄｒｅｃｏｎｓｔｍｃｔｉｏｎ．

Ｋ９ｙｗｏｒｄｓ：ｓＤｌａｒｐｏｗｅｒｔｏｗｅｒｐｌａｎｔ；ｒｅｃｅｉＶｅｒ；ｐｏｍｕｓｍｅｄｉａ；ｓｔｅａｄｙｎｕｍ枥ｃａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ

中图分类号：ＴＫ５３１文献标志码：Ａ文章编号：１００１—５５２３（２０１０）０３－ｏｌ一０４

基于高温空气Ｂｒａｖｔｏｎ循环的太阳能热发电具有热力循环温度高、发电效率高和节水等优点，被认为是太阳能热发电的有效途径之一，具有非常好的应用前景。其中吸热器是完成光热能源转换的关键设备，太阳辐射被聚集到金属或非金属材质的吸热体表面，将其加热，空气流过该表面时即被吸热体加热，空气出口温度可以高至８００。１０００℃【旧。近年国内外对吸热器强化传热、传热材料等竞相开展研究和开发鲫。由于太阳能聚光能流密度高并具有不均匀性和不稳定性的特点，造成了吸热体材料热应力破坏、空气流动稳定性差以及可靠性不高，这是制约Ｂｒａ、ｒｔｏｎ循环太阳能热发电技术商业化应用进程的主要瓶颈。

碳化硅陶瓷材料的导热系数大、强度高、热膨胀系数低、抗热冲击能力强并且抗高温氧化性能优异，将其制成具有三维网络状结构特征的多孔介质材料，有利于强制对流热交换。将高性能泡沫碳化硅陶瓷用于太阳能高温空气吸热器的研制，有望提高现有吸热器技术性能，推动太阳能热空气发电技术的商用化进程。用于太阳能高温空气吸热器的碳化硅陶瓷材料见图１。鲫

圈ｌ多孔介质太阳能吸热器材料

本文建立碳化硅泡沫陶瓷空气吸热器的传热传

质模型，利用已有的吸热器传热体积对流换热系数

模型，采用数值方法求解吸热器温度场，并研究结构参数与运行参数对吸热器温度场分布的影响。

ｌ传热模型

多孔陶瓷吸热器的吸热表面接受太阳的辐射能

量，通过导热形式在固体骨架问向内部传递，而空气

穿过多孔介质时，与多孔介质发生强制对流换热，空

气被加热，温度上升，同时降低多孔介质固体骨架温

度，保护了吸热器的安全性，其传热传质过程见图

２。多孔陶瓷高温空气吸热器的温度场和流场可以简

化为某一个纵截面二维模型，下面建立多孔介质中

的传热传质相关数学模型。

｛能

ｌ缝

ｆ矸

１巍

ｌ喜

｜辱７

｛闲

２

Ｉ（’

ｌ

ｆ‘Ｊ

｛年

！籀

３

ｌ期

・

１

万方数据

万方数据

栅：弓－Ｃｏｎｓｔ舻一Ａ．譬一培

茗：ｚ：婴观婴：ｏ，孕：ｏ，婴：ｏ

出出竹计

吼为表面热流密度。

２结果分析

２．１孔隙密度对温度场的影响

图４给出吸热器厚度为２０ｍｍ，表面热流密度为ｌＭＷ，ｍ２，入口空气流速为１ＩＩｌ，ｓ，孔隙率为Ｏ．６时，吸热器在五种不同孔隙密度下的温度分布曲线。可以看出，在不同孔隙密度时，固体骨架温度沿着厚度方向不断降低，温度梯度逐渐降低，吸热表面温度在整个吸热体中为最高；在同一位置处，随着孔隙密度的降低，固体骨架温度升高，当孑Ｌ隙密度为１０ＰＰＩ时，吸热面固体骨架温度高至ｌ３０４℃，当孔隙率为５０ＰＰＩ时，吸热表面固体骨架温度只有９９ｌ℃；空气温度沿着吸热器厚度方向不断升高，而温度梯度逐渐减小，在出口处都达到７０６℃，而同一位置的空气温度随着孔隙密度的降低而减小，并且为非线性变化；在同一位置处，孔隙密度越大，固体骨架和流过的空气间的温差越小，这主要是孔隙密度越大，体积对流换热系数小的缘故。升高，固体骨架温度升高，当孔隙率为ｏ．７时，吸热面固体骨架温度升高至１２０ｌ℃，当孔隙率为０．３时，吸热表面固体骨架温度只有９４４气；空气温度沿着吸热器厚度方向不断升高，而温度梯度则逐渐减小，在出口处都达到７０６ｃｃ，而同—位置的空气温度随着孔隙率的降低而升高，并且也为非线性变化；同一位置处，孔隙率越小，固体骨架和流过的空气间的温差越小，这主要是孔隙率越小，体积对流换热系数越大的缘故。

图５不同孔隙率下的温度分布曲线

２．３气体流速对温度场的影响

图６不同空气入口流速下的温度分布曲线图６给出吸热器孔隙率为０．６，厚度为２０ｍｍ，表面热流密度为１ＭＷ，ｍ２，孔隙密度为２０ＰＰＩ时，吸热器在五种不同入口流速下的温度分布。可以看出，在不同的空气入口速度时，固体骨架温度沿着厚度方向不断降低，温度梯度逐渐减小，吸热表面温度在

图４不同孔隙密度下的温度曲线整个吸热体中为最高；同一位置处，随着入口流速的

２．２孑Ｌ隙率对温度场的影响升高，固体骨架温度降低，当入口流速为０．８ＩＩｌ／ｓ时，图５给出吸热器厚度为２０舳，表面热流密度吸热面温度升高至１３４６℃，当入口流速为１．６ｍ，ｓ为ｌＭＷ／Ｉｎ２，入口空气流速为１ｌ豳，孔隙密度为时，吸热表面温度只有８０７℃；空气温度沿符吸热器２０ＰＰＩ时，吸热器在五种不同孔隙率下的温度分布。厚度方向不断升高，而温度梯度也逐渐减小，住同一可以看出，在不同孔隙率时，固体骨架温度沿着厚度位置处，由于能量守恒，气体流速越高，温度越低，当方向不断降低，温度梯度逐渐降低，吸热表面温度在空气入口流速为０．８Ⅱ以时，空气出口温度为整个吸热体中为最高；在同一位置处，随着孑Ｌ隙率的８８６℃，而空气人口流速为１．６——以时，空气出口温度ｌ能Ｉ豫Ｉ研Ｉ巍

ｊ｜幻ｆ阅２

｝ｆ１

Ｉ

Ｉ‘）

１年

ｆ第

｜３

Ｉ期

・３

・万方数据