槽式太阳能真空集热管的热损失研究

5
343
6
403
7
451
54
23
1 40
68
23
2 31
80
23
3 34
8
501
95
23
4 81
52 0
太阳能学报
32 卷
测试
1 2 3 4 5 6 7 8
表 3 PTR70 热损失模型模拟结果
Table 3 PTR70 Heat loss modeled results
吸收管内壁 温度 120 203
的热辐射 Q r, ( g-s) 和玻璃管与环境的热对流 Q c, ( g-a) 。
1 1 吸收管对玻璃管的热辐射
在随后的实验数据和热损失模型数据模拟中可
发现, 在较大的真空集热管运行温度范围内, 吸收管
温度比玻璃管温度高得多。它们之间的热辐射通过
公式( 4) 计算[ 4] :
Q r, ( ab-g) = 1
0 260
06
200000~ 1000000
0 076
07
1 4 玻璃管向天空的热辐射
将玻璃管近似为一个在巨大黑体空穴中的圆柱
形灰体, 则玻璃管和天空的净辐射热交换为[ 4] :
Q = r, ( g- s)
g
(
T
4 g
-
T
4 s
)
A
g
( 13)
式中, T s 天空温度, 其与干球温度( T a ) 和湿球温
r, ( g- s)
c, ( g- a)
( 3)
式中, Q loss
热损 失; Q ( ab-g) 和 Q ( g-a)
分别为吸
收管与玻璃管和玻璃管与环境、天空的热交换。其
中 Q ( ab-g) 包括吸收管与玻璃管之间的热辐射 Q r, ( ab-g)
和残余气体热传导 Q d, ( ab-g) ; Q ( g-a) 包括玻璃管向天空
m
0 861+
3 5 54
P rm
A ab ( 9)
Ra=
g
(
Tab- Tg ) v
D
wenku.baidu.com3 ab
=
Gr Pr
对于理想气体,
=
1 Tm
;
K
m
环状空间中的气体在
温度为 T m= ( T ab + T g ) 2 时的导热系数。
1 3 玻璃管和外界环境的热对流
玻璃管和环境的对流热损失是真空集热管热损
失的主要部分。根据牛顿冷却公式:
( 东南大学能源与环境学院, 南京 210096)
摘 要: 建立了真空集热管中吸收管与玻璃管之间热辐射和残余气体热对流、玻璃管与外 界环境之 间热对流和 玻
璃管 对天空热辐射的数学模型, 提出了模型的计算 方法, 并通 过和实验 数据的 比较验 证了模 型的准 确性。同时 利
用模型分析了几种影响热损失的主要因 素, 分析 结果表 明: 吸收 管温度 越高, 热 损失越 大; 环境 温度越 低, 风速 越
为中间量, 在求解 Q ( ab-g) 或 Q( g-a) 时都必须使用, 故求
解热损失 Q loss 必然需 要玻璃管温度 T g 。然而为便
于实验操作, 简化热损失公式, 扩大其适用范围, 通
常建立 Q loss和 T ab 、T a 的数学关系, 而不和 T g 直接
相关。为此, 计算过程中先假定 T g 的数值, 迭代计
(
T
4 ab
o
-
T
4 g
i
)
ab + ( 1- g ) D ab. o
gDg
A ab
i
o
( 4)
式中,
玻耳兹曼常数, W ( m2 K4 ) ; T ab o
吸
收管外壁温度, K; T g i 玻璃管内壁温度, K; D ab o、
D g i 吸收管外壁直径、玻璃管内壁直 径, m; ab 、
g 选 择 性 吸 收 涂 层 发 射 率、玻 璃 管 发 射 率; A ab o 吸收管外表面积, m2 。
对以上热损失模型进行验证。
2 1 Schott 2008 PTR70 真空集热管的基本参数
Schott 2008 PTR70 的金属管 材料为 321H 不锈
钢, 内径、外径分别为 0 066m、0 07m; 玻璃管材料为
硼硅酸玻璃, 内径、外径分别为 0 115m、0 12m, 发射
率和热导率分别为 0 89 和 1 1W ( m K) ; 选择性吸
m 的取值见表 1。
4期
龚广杰等: 槽式太阳能真空集热管的热损失研究
5 19
表 1 R e 变化时 C 和 m 的取值 Table 1 Value of C and m while Re is chang ing
Re
C
m
1~ 40
0 750
04
40~ 1000
0 510
05
1000~ 200000
使用集总参数法, 忽略吸收管和玻璃管的厚度,
即忽略吸收管和玻璃管自身内外壁间的温差和热量
传递。对于热损失有以下公式:
Q loss= Q ( ab- g) = Q ( g- a)
( 1)
Q = Q + Q ( ab-g)
r, ( ab- g)
d, ( ab-g)
( 2)
Q = Q + Q ( g-a)
玻 璃管外壁 温度 26 2 32 7
环境温度
述迭代计算方法所得的结果。
表 2 PTR70 热损失实验数据
T able 2 PTR70 Heat loss experimental data
测试
1 2
吸收管内壁 温度 120 203
玻璃管外壁 温度 27 33
环境温度
22 22
热损失 W m- 1
15 36
3
254
39
23
63
4
292
45
23
90
第 32 卷 第 4 期 2011 年 4 月
文章编号: 0254- 0096( 2011) 04-0517- 06
太阳能学报
ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA
Vol 32, No 4 Apr , 2011
槽式太阳能真空集热管的热损失研究
龚广杰, 王 军, 黄鑫炎, 郝梦龙, 张耀明
1 真空集热管热损失模型
真空集热管要求尽可能多地吸收阳光, 同时尽 量减少对环境的热损失。为达到此目的, 真空集热 管通常 由一 根有 选择性 吸收 涂层 的金 属管 ( 吸收 管) 、同心玻璃管外套、金属- 玻璃密封连接组成。金 属吸收管和玻璃管间的环形空间被抽成真空, 以阻 止从吸收管到玻璃管间的热对流和热传导; 吸收管 表面镀有吸收率高、发射率较低的选择性吸收涂层, 从而减小了吸收管的辐射热损失。典型的真空集热 管结构如图 1 所示。
收稿日期: 2009-07-18 基金项目: 江苏省科技项目( BZ2008115) 通讯作者: 王 军( 1968 ) , 男, 博士、副教授, 主要从事太阳能利用技术方面的研究。w-j jw@ sohu com
51 8
太阳能学报
32 卷
外壁向天空的热辐射。如图 2 所示。
图 2 热阻模型
Fig 2 Thermal resistance model
真空集热管是目前槽式系统中应用最广泛的接 收器, 是槽式太阳能热发电系统的核心技术。导热 流体通过真空集热管而被加热, 进而产生高温蒸汽, 通过朗肯循环发电。真空集热管的热性能对槽式太 阳能热 系统 的运行 起着 举 足轻 重的 作用。Dudley 等[ 2] 对 SEGS 中的 LS- 2 槽式太阳能真空集热管在使 用两种不同选择性吸收涂层和 3 种不同工作情况下 进行了集热器效率和热损失的测试; Forristall[ 3] 建立 了真空集热管集热单元的热量传递模型, 并将其应 用于 EES 软件进行了集热单元的设计、参数研究; 验 证了模型并评估了场地实验的数据。但目前仍缺乏 系统性、简便准确的真空集热管热损失模型, 有必要 在真空集热管热损失方面进行深入研究, 建立和完 善相关热损失理论、模型和相关计算方法, 为设计真 空集热管提供理论依据。
2008 PTR70 真空集热管进行了热性能测试。测试在 NREL 的热损失测试平台上进行, 测试温度从 100
开始, 每隔 50 设定一个测试点, 到 500 时测试完
成。测试结果如表 2 所示。本文将热损失模型中的 T ab 、T a 设定为实验中各测点的测量值, 通过迭代方 法对集热管的热损失进行计算。表 3 为使用本文所
大, 热损失越大, 但影响很小; 选择性吸收涂层的发射率是 影响热损失的主要因素; 真空度对热损失也有很大影响 。
关键词: 真空集热管; 热损失模型; 吸收管; 发射率; 真空度
中图分类号: TK513 3
文献标识码: A
0引言
槽式太阳能热发电技术具有规模大、寿命长、成 本低等特点, 非常适合商业并网发电, 是目前最成熟 的大规模商业化太阳能发电技术。它将多个槽型抛 物面聚光集热器经过串并联的排列, 将阳光聚焦到 位于焦线上的接收器, 导热流体通过和接收器的对 流换热获得能量, 直接或间接产生高温蒸汽, 驱动汽 轮机发电机组发电[ 1] 。
[ 1+
0
387R
1 a
6
( 0 559 P r ) 9 16 ] 8 27
2
( 11)
有风时, 玻璃管和环境的散热通过强迫对流进
行, 流体横掠单管时的对流传热特征数关联式为[ 4] :
Nu=
CR
m e
P
n r
( 12)
其中, P r 10 时, n= 0 37; P r> 10 时, n= 0 36。C、
( 8)
环状空间的对流传热系数, W ( m2 K) ;
K air 标准状态 下空气热 导率, W ( m K ) ; B
交互作用系数; a 适应系数, 除非界面非常干净,
否则通常取 1;
平均分子自由程; Tm 平均
温 度, T m = ( T ab + T g ) 2, K ; P 环状空间压力,
( 5) 计算[ 5] :
Q = d, ( ab-g) hd ( T ab - T g ) A ab
( 5)
其中:
hd=
K air D ab 2 ln D g D ab + B
D ab D g + 1
( 6)
式中, hd
B=
( 2- a) ( 9 2a( +
1)
5)
( 7)
=
2
331 10- 20 T m P2
算 Q ( ab-g) 和 Q (g-a) , 直到 Q ( ab-g) = Q ( g-a) , 此时计算所得
的 T g 应当为 已知 T ab 、T a 情况 下的实际玻 璃管温
度, 同时可求得热损失, 如图 3 所示。
2 热损失模型的验证
采用 Schott 2008 PTR70 真空集热管的相关数据
Q = c, ( g-a) h c( T g- T a ) A g
( 10)
hc=
Km Dg
N
u
式中, hc 玻璃管和环境的对流换热系数; T a
环境温度; A g 玻璃管外表面积。
无风时, 玻璃管和环境的散热通过自然对流进 行, 这种情况下, 努塞尔数通过式( 11) 计算[ 4] :
N u=
0 6+
忽略吸收管和玻璃管厚度以后, 各内外壁的几
何参数均简化 为外壁对应参 数, 内 外壁温度 相同。
其他公式简化方式皆同。
1 2 吸收管与玻璃管的残余气体热对流
吸收管和玻璃管间的热对流有两种传热机理,
当吸收管和玻璃管间的环状空间真空良好, 压力小 于 133 3Pa 时, 吸收管和 玻璃管的热量传 递通过自 由分子运动发生[ 3] 。此时热量传递的大小通过公式
图 1 Solel UVAC 真空集热管 Fig 1 Solel UVAC vacuum collector tube
对于上述典型结构的真空集热管, 热量传递过 程有: 吸收管内壁与导热流体之间的热对流; 吸 收管内壁与外壁之间的热传导; 吸收管外壁向玻 璃管内壁的热辐射; 吸收管外壁和玻璃管内壁间 通过残余气体进行的热对流; 玻璃管内壁向外壁 的热传导; 玻璃管外壁与环境的热对流; 玻璃管
mmHg;
分子直径, 对于空气和氢气, 为 3 53
10- 10m 和 2 32 10- 10m。
当环状空间真空变差, 压力小于 133 3Pa 时, 传 热机理变为自然对流。此时计算公式( 5) 变为[6] :
Pr R a
14
Q = d, ( ab- g)
2
425k m( T ab 1+
Tg)
D ab Dg
度( t dp ) 相关[ 7] :
Ts=
T 0 25
s
a
s= 0 711+ 0 56( t dp 100) + 0 73( t dp 100) 2
室内热损失实验中可认为 T s= T a 。
1 5 计算方法
以上分析通过合理简化传热过程使集热管内各
种热量传递减少为 4 项, Q loss= Q( ab-g) = Q (g-a) 。T g 作
收涂层的发射率随温度变化, 关系式为 g = 0 062+
(2
10-
7
)
T
2 ab
,
温度单位为
[ 8] 。
2 2 热损失模型和实验结果的比较
图 3 数字算法流程图
Fig 3 Numerical algorithm flow diagram
美国国 家可再生 能源 实验室 ( NREL ) 近期 对 Schott