一种多孔介质太阳能吸热器传热研究

2010

年第3期

能

源研究与利用

研究与探讨

基于高温空气Brayton 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℃[1~2]。

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[2~7]。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Brayton 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。[8~9]

图1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。

1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间向内部传递，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。

一种多孔介质太阳能吸热器传热研究

许昌1，2

,刘德有1,郑源1,张德虎1,吕剑虹3

(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Abstract:In order to investigate the heat transfer characteristics of a porous media solar power tower plant receiver,this paper proposes the mass and heat transfer models in the porous media so －lar receiver,chooses the preferable volume convection heat transfer coefficient model,solves these equations by the numerical method,and analyzes the typical influences of the cell density,porosity,air inlet velocity on the temperature distribution.The paper can provide a reference for this type of receiver design and reconstruction.

Key words:solar power tower plant ；receiver ；porous media ；steady numerical investigation 中图分类号：TK531文献标志码：A 文章编号：1001-5523（2010）03-01-041··

2010

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图2多孔陶瓷太阳能空气吸热器传热传质示意图

1.1质量方程

（ρf V 軑）=0

(1)

其中，ρf 为流体密度。

1.2动量方程

动量方程采用Brinkman-Forchheimer Extended Darcy 方程[10～11]：

ρf ε

（V 軑·V 軑）=-p +μeff 2

V

軑-（μf k +ρf F εk

姨V 軑）V 軑(2)式中μeff 为流体的有效动力粘性，k 为多孔介质的滲

透率，F 为Brinkman 项修正系数，ε为多孔介质孔隙率。

动量方程相应的边界条件为：

x =0:u =u 0,ν=0

x =l :坠u 坠x =坠u 坠y =坠ν坠x 坠ν坠y

============

l 为吸热器多孔介质的厚度。1.3能量方程

为了分别计算固体骨架和流过空气的温度，能量方程采用基于非局部热平衡的双方程模型，即分别建立气相和固相的能量方程[10~12]：

气相能量方程为：

（c f ρf T f V 軑）=λf,eff

2

T f +h ν（T s -T f

）(3)固相能量方程为：

λf,eff

2

T s -h ν（T s -T f ）=0

(4)

式中λf,eff 为流体的有效导热系数，λf,eff =ελf ；λf 为流体的导热系数；λs,eff 为固体的有效导热系数,λs,eff =(1-ε)λs ；λs 为固体骨架的导热系数；h ν为流体与多孔介质骨架间的体积对流换热系数，可以由下列关系式确定：

h ν=h sf αsf

(5)

式中，h sf 为多孔介质内流体和固体骨架的表面换热系数，αsf 为多孔介质的比面。

在多孔介质传热计算中h sf 和αsf 模型对计算可靠性非常重要，目前学者们提出了不同的模型，主要有Hwang &Alazmi 模型[13~14]、Achenbach 模型[15]、Dixon &Cresswell 模型[16]、D.Amiri &Vafai 模型[17~18]。不同模型各自有适用范围，其计算结果差别非常大。针对太阳能多孔介质吸热器，文献[8~9，19]提出基于孔隙密度等参数的容积换热系数模型：

Nu =h sf d h

λf

(6)Nu =4.8n PPI -1.1R e 0.62

(7)R e=u 0d h

με

(8)d h =(1-ε)4s

2

3π

姨

(9)s =0.02541.5n PPI

(10)αsf =35.7n PPI 1.1461

(11)

式中，n PPI 为多孔介质的孔隙密度，通常用1英寸长度的孔隙数表示；s 为孔隙直径；d h 为水力直径。

文献[9]提出的模型与文献[8]实验测量数据对

比见图3，可见模型数值与实验测量结果非常接近。在计算中，物性参数选择恒定，分别为：n PPI =20PPI ，ε=0.76，空气的比热c f =1180J/kg ·k ，固体骨架的比热c s =1300J/kg ·k ，空气的密度ρf =1.255kg/m 3，固体骨架的密度ρs =3100kg/m 3，空气的导热系数λf =0.0259W/m ·K ，固体骨架的导热系数λs =100W/m ·K ，空气动力黏度μf =1.8199×10-5Pa ·s,空气的普朗特数Pr=0.6536。

能量方程的边界条件为：

Δ

许昌等，一种多孔介质太阳能吸热器传热研究研究与探讨

Δ

Δ

Δ

Δ

图3容积对流换热系数模型与实验数据的比较

ΔΔ

2··