聚光太阳能吸热管的吸热传热特性

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１０００
高发射率时红外辐射损失起主导作用，而低发射率 时自然对流起主要作用。
３管内流动对吸热传热的影响
由于低红外发射率太阳能选择性涂层的吸热性 能具有明显优势，下面主要考虑低红外发射系数涂 层亦即Ｃｏ－Ｃｄ．ＢＴ涂层吸热管的吸热传热性质。
［参考文献］
［１］Ｔｒｉｅｂ Ｆ，Ｎｉｔｓｃｈ Ｊ．Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｒ惶ｆｏｒ ｔｈｅ ｍａｒｋｅｔ ｉｎｔｎｘｌｕｃ－ ｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｔｈｅｎｎａｌ ｐｏｗｅｌ＂ｓｔａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ，
１９９８．１４：１７．一２２．
［２］Ｆｕｊｉｗａｒａ Ｍ，Ｓａｎｏ Ｔ，Ｓｕｚｕｋｉ Ｋ，ｅｔ ８１．Ｔｈｅｒｍａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｔｅｓｔｓ ｈｅａｔ ｐｉｐｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｆｏｒ ｓｏｌａｒ由ｍａｌＩｌｉｃ ８ｐａｃｅ
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合与系统吸热传热特性还有待深入研究。 本文主要理论分析了具有太阳能选择性吸收涂
Ｌ。…………ｍ．饥一溶
层的聚光太阳能吸热管的吸热传热过程。利用吸热 管的传热模型，研究吸热管壁面温度与吸热效率的 变化特征，进一步分析聚光能流密度、涂层性能以及
图１吸热管管内外的传热过程
ｔｉｍｉｄｅｒ Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｈｅｍ
ｘ／ｍ ａ．“－：１．Ｏｍ／ｆｔ
ｂ．‰＿＝２．Ｏｍ／ｆｔ 图７不同流速条件下吸热管沿程温度和吸热效率分布 Ｆｋ．７ １ｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｔｗｅ ａｎｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ
ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｐｉｐｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｌｕｉｄ ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ
热效率，主要包括自然对流和辐射传热。鼬咖ｎ
等［４３研究了腔式吸热器中自然对流与辐射的联合作
射发射系数为￡。管内壁吸收的热能通过强迫对流传 递，管内为充分发展流，流动介质为熔融盐。
入射光能 反射能量
用。为降低辐射能量损失，太阳能选择性吸收涂层得 到了太阳能利用界的广泛使用，Ｋｅｎｎｅｄｙ ｃ Ｅ【５１开发了 大量太阳光谱选择性吸收涂层。申 越等［６Ｊ研究了 中低温太阳吸收涂层的制备技术与性能。目前，聚光 太阳能吸热管管外选择性吸收与管内对流换热的耦
４结 论
本文分析了具有太阳能选择性吸收涂层的聚光 太阳能吸热管的吸热传热特性。随着聚光能量密度
的增加，吸热管壁面温度随之线性升高，而吸热效率 则先增加后逐渐减少。涂层性能对吸热传热有重要 影响，具有低红外发射系数涂层的系统吸热效率明 显较高，而红外辐射能量损失率通常在中等入射光 能密度时最小。吸热效率随流速增加而减少，而管 壁温度则显著下降，因此流速增加可以显著提高吸 热管性能。
１卅１８２． ＥｎｇｉＩ咖，１９９０，１１２： ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ
［３］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，２００５，２６：３３２—
３３７．
Ｚｈｉｇａｎｇ，孤Ｃｈｕｎｐｉｎｇ，Ｚｈａｏ ［３］“ｕ
Ｙａｏｈｕａ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ ｄｅ一
由式（６）可知，壁面温度Ｌ主要取决于自然对流与 强迫对流换热系数、太阳能选择性吸收涂层性质、外
界温度以及主流温度。 对于管内充分发展流，沿流向的能量方程为：
ｇｆ．２丌尺＝￡ｒ ｐｃｐＴｕ（ｒ）２刑ｒ
孥ｆ片Ⅱ（、一ｄｃｐ
：２
瓦Ｊ ｒ）２兀ｒｄｒ ｏⅡＬ
（Ｌ ７７’）
则由ＩⅡ（ｒ）２７ｒｒｄｒ＝“。·ｒｃＲ２得：
摘要：基于太阳能选择性吸收涂层的辐射性能，建立聚光太阳能吸热管光热耦合传输的数理模型，理论研究聚
光太阳能吸热管的吸热传热特性。研究表明，吸热管壁温度随着聚光能流密度增加而线性升高，而吸热效率在中
等聚光能流密度时达最大值。太阳能选择性吸收涂层性能对吸热传热存重妥影响，具有低红外发射系数涂层的系
统吸热效率明显较高，而红外辐射能量损失率则在中等聚光能流密度时最小。管内强迫对流可以显著提高吸热管
图７表示不同流速条件下吸热管沿程温度和吸 热效率的分布，其中，＝４００ｋＷ·ｍ～，Ｔｖ＝４７３Ｋ。沿 着流动方向，壁温和主流温度线性升高，而吸热效率 基本线性下降。随着流动速度的提高，壁面温度显 著降低，而且沿程温度梯度也随之降低，有利于进一 步减小吸热管的热应力和热冲击。吸热效率沿程变 化幅度较小，高流速条件下吸热效率降幅进一步减 少。
万方数据
３期
陆建峰等：聚光太阳能吸热管的吸热传热特性
３２９
由上所述，吸热传热过程中的能量守恒方程为： ，＝Ⅳ‘Ｊ『＋危：（Ｌ—Ｔｏ）＋ｅ·仃贮＋ｑｆ （１）
其中，Ｌ——管壁温度；Ｔｏ——环境温度；ｑｔ——对
流换热热流密度。 式（１）也可表示为：
ａｌ＝ｈ。（Ｌ一死）＋￡·ｄ贮＋ｑｆ
（２）
其中辐射吸收系数口＝１一彤。
图４不同聚光条件下吸热传热过程的能量分配
Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ
ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｃｅｎ乜ａｌｅｄ ｈｅａｔ ｔｉｍｅｓ 红外辐射损失对吸热传热过程的影响较为复 杂，与红外发射率密切相关。聚光能流密度较低时， 壁面温度与流体温度接近，红外辐射能量损失变化 较小，因此热流密度上升时红外辐射能量损失率显 著降低。聚光能流密度较高时，壁面温度显著上升， 红外辐射损失随之升高。由此，红外辐射的能量损 失率在中等聚光能流密度出现最小值。自然对流与 红外辐射能量损失的相对关系与红外发射率相关，
图５表示不同流速情况下吸热管壁面温度的变 化情况，其中Ｔｆ＝４７３Ｋ。壁面温度随聚光能流密度的 变化规律基本相似。随着流动速度的提高，壁面温度 显著降低。聚光能流密度为１０００ｋＷ·ｉｎ’２时，流速 Ｏ．５ｍ／ｇＮ况下吸热管壁面温度高达１００６Ｋ，而流速增 至２．Ｏｍ／ｓ时吸热管壁面温度迅速降至６５０Ｋ。流速进 一步提高时吸热管壁面温度将进一步降低，因此提高 流速有利于减小吸热管的热冲击和热应力。
吸热器的形状设计和实验测试是技术开发和研 究的霞点。ｒｕｊｉｗ锄等心】实验研究了空间太阳能热利
为理论简化和分析太阳能热发电系统中的吸热 传热过程，本文主要考虑轴对称直管道的稳态吸热传 热过程。如图ｌ所示，吸热管半径为尺，表面具有太 阳能选择性吸收涂层，管壁厚度与热阻忽略。管肇面 的辐射能流，主要取决于太阳能聚光系统与入射角
ｅｆｌｌｃｉｅｎｔｓ岫ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ 图６不同流速条件下的吸热性能
№．６ Ｔｈｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ
ｆｌｕｉｄ ｖｄｏｃｉｔｉｅｓ
万方数据
３期
陆建峰等：聚光太阳能吸热管的吸热传热特性
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时，管内对流换热热阻较小，因此吸热管的吸热效率 基本趋于稳定。流速较小（如０．５ｍ／ｓ）时，管内对流 换热热阻较大，因此管壁温度和红外辐射损失较高， 而吸热效率在中等聚光能流密度有最大值。
第３１卷第３期 ２０１０年３月
太阳能学报
ＡＣＴＡ ＥＮＥＲＧＩＡＥ ＳＯＩＡＲｄＳ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖ０１．３１．Ｎｏ．３ Ｍａｒ．．２０１０
聚光太阳能吸热管的吸热传热特性
陆建峰１，丁 静１，文玉良２，杨建平２
（ｉ．中山大学工学院，广州５１０００６；２．华南理１＝大学传热强化与过程铮能教育部重点实验室，广州５１０６４０）
ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｃ‘划由ｌ铲ａｎｄ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｈｅａｔ ｆｌｕｘｅｓ
万方数据
３３０
太
阳
能
学报
３ｌ卷
然后缓慢增加，热流密度超过８００ｋＷ·ｍ。２时出现下 降。由于管内对流能将热量迅速传递，吸热管的吸 热效率达到约９０％。
图４表示不同涂层与聚光能流密度条件下吸热 传热过程的能量分配情况，其中Ｔｆ＝４７３Ｋ，Ｍ。＝ １．０ｍ／ｓ。反射光能量与入射能量的比率保持稳定，主 要取决于反射系数，是入射辐射能损失的重要因素。 自然对流的能量损失与壁面和环境的温差成正比， 其损失率随聚光能流密度的提高显著下降，高聚光 密度时约在ｌ％处。
ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｈｅａｔ ｆｌｕｘｅｓ
图３表示不同涂层和聚光能流密度下吸热管的 吸热效率，低红外发射系数涂层的吸热效率比高发 射系数涂层温度约高５％。吸热管的吸热效率在 ２００ｋＷ·ｍ。以下时随聚光能流密度提高迅速增加，
图３不同涂层与聚光条件下吸热效率
隐．３ Ｔｈｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｏｌａｒ
效能。吸热效率随流速增加而提高，而管壁温度则显著卜．降。
关键词：吸热管；太阳能选择性涂层；吸热效率；对流换热
中图分类号：ＴＫＳｌ２
文献标识码：Ａ
Ｏ引 言
管内流速的影响和作用。
聚光太阳能热发电…由于高温高效率以及规模 １吸热管的传热控制方程
效应在未来能源利用中具有霞要地位，也是当前太阳 能研究的前沿领域。吸热器是聚光太阳能热发电系 统的核心部件之一，得到研究者的广泛关注和研究。
ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎｓｉｄｅ ａｎｄ
ｏｕｔｓｉｄｅ ｔｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｐｉｐｅ
收稿日期：２００８－－０８－０４ 基金项目：国家自然科学基金（９０６１００２３）；国家高技术研究发展计划（８６３）项目（２００６ＡＡ０５０１０５０３） 通讯作者：丁静（１９６３一），女，博士、教授，主要从事太阳能热利用方面的研究。ｄｉｎ自ｉａｇ＠ｍａｉｌ．ｓ）ｍ．ｅｄｕ．锄
图２表示不同涂层和聚光能流密度下的壁面温 度Ｌ，其中Ｔｆ＝４７３Ｋ，Ⅱ。＝１．Ｏｎｄｓ。壁面温度随聚 光能流密度提高线性增加。由于能量损失较大，高 红外发射系数涂层的吸热管壁面温度比低发射系数 涂层温度稍低。
图２不同涂层与聚光条件下壁面温度分布
Ｆｉｇ．２’１１ｌｅ ｗａⅡｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｏｌａｒ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｃｏａｔｉｎｇｓ ａｎｄ
对于管内充分发展流，对流换热可表示为：
ｑｆ＝ｈｆ。（Ｌ一乃）
（３）
其中熔盐工质的主流温度与对流换热系数可分别表
示为［７ｌ：
疋：Ｊ１０＂广ｐｃ—ｐ ｕ—Ｔ２—７ｒｒｄ ｒ
（４）
Ｊ ｐｃｐＵ２７ｃｒｄｒ Ｏ
ｈｆ－Ｎｕ‘旦Ｄ
（５）
式（３）代入式（２）得：
ａＩ＝ｈ。（咒一Ｔｏ）＋￡·Ｚ＋ｈｆ·（Ｌ一乃） （６）
３瓦瓦Ｔ２一瓦鲁＝砸２２瓦ｑｒ （哺８，）
为进一步研究吸热器的吸热传热特性，假定尺 为０．０１ｍ，自然对流传热系数和环境温度分别为 １０Ｗ·ｎｉ。２·Ｋ一与２９３Ｋ。本文计算中，熔融盐性能阳】 的计算参数选取如下：Ｐ＝１９ｄＯｋｇ·ｍ～，ｃ。＝ １５１０Ｊ·ｋｓ一１·Ｋ～，ｋ＝０．５７１Ｗ·ｍ’１·Ｋ～，弘＝０．００３０ ｌ‘ｇ·ｍ一·ｓ～，而太阳能涂层㈨的计算参数如表１。
用系统中热管吸热器的热力学性质。刘志刚等【３ Ｊ根 等冈素。入射光首先被太阳能涂层表面反射，涂层反
据蝶式聚光镜聚光后焦平面处的辐射能流分布以及 关键尺寸对各种能量损失的影响，设计了一种新型高
射系数为Ｋ。管外传热引起的能量损失主要包括自 然对流与红外辐射，其中自然对流系数为ｈ。，红外辐
效腔式吸热器。吸热器的能量损失直接影响整体吸
～ 锝 酣 隶 删 怒
ｂ．Ｃｏ－Ｃｄ．ＢＴ
图５不同流速条件下的壁面温度
Ｆｉｇ．５
Ｔｈｅ ｗａｌｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｆｉｂｕｔｉｏｍ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｎｕｉｄ ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ
图６表示上述情况下吸热管的吸热效率变化，
增加流速可以显著提高吸热效率。流速大于２．０ｍ／￥
面弘ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ ａ Ｉ踟ｃａｖｉｔｙ吐踟而盯［Ｊ］．Ａｅｔａ Ｅｎｅｒ－
ｇｉａｅ Ｓｏｌａｒｉｓ Ｓｉｎｉｃａ，２００５，２６：３３２－－３３７．
［４］Ｄｅｌｇｈａｎ Ａ Ａ，Ｂｅｈｎｉａ Ｍ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｎａｔｕｒａｌ ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎ－ ｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｒｓＫ舒ｅｒ ｉｎ ａ ｄｉ船ｒｅｔｅｌｙ ｈｅａｔｅｄ ｏｐｅｎ ｃａｖｉｔｙ［Ｊ］．ＡＳＭＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ，１９９６，１１８：５４＿
表１太阳能涂层的性能
Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｓｅｌｅｃｔቤተ መጻሕፍቲ ባይዱｖｅ ｃｏａｔｉｎｇｓ
２吸热管的传热吸热性能
实际热发电系统中，吸热管内熔融盐的流动通
常为湍流状态，其换热系数可由实验关联为【７ｊ：
Ｎｕ＝０．０２４３Ｒｅｍ８ ｐｒｏ＿
（９）
壁面吸热效率为：
７＝号＝盟名半 （１０）