周向非均匀热流边界条件下混合熔融盐在太阳能高温吸热管内的强化换热研究

周向非均匀高密度热流引发的过热问题一直影响着太阳能热发电站中高温吸热器的运行安全,混合熔融盐作为高温传热工质的引入使得这一问题更加严峻。该文建立了混合熔融盐在太阳能高温吸热管内对流换热与强化换热数值计算模型,研究了周向非均匀热流边界条件下混合熔融盐在光滑管与强化换热管内的换热性能。结果显示:内插螺旋纽带强化换热方式对周向非均匀热流边界条件下吸热管的管壁温度和管内流体温度分布均匀性有明显改善。间隙率C与扭曲率y的减小都有助于强化换热效果的增加,特别是C=0,即内插纽带完全接触管壁时,强化传热效果最为显著,但与此同时小的间隙率与扭曲率也造成阻力系数的增大。     

非均匀热流密度下太阳能吸热管的温度特性

对矩形非均匀热流密度分布下太阳能槽式吸热管内流固耦合传热过程进行了数值模拟,得到了吸热管壁温度分布及周向和径向温度梯度。结果表明,太阳能吸热管在非均匀热流作用下其管壁温度分布不均匀,周向温度梯度在受热和非受热交界面附近有剧烈变化。吸热管热流密度的增加会导致壁面温度梯度增大,而管内换热的增强及热流密度的分布特性对温度梯度有影响。     

周向非均匀热流下吸热管内单侧对流传热系数

太阳能吸热器管外壁周向热流不均匀对吸热管单侧对流传热系数带来影响,基于此,建立周向非均匀热流下吸热管内熔盐对流传热的实验台和数值计算模型,分析周向热流分布对吸热管单侧对流传热系数的影响规律。结果表明:各热流比吸热管内平均对流传热系数基本相等,低热流侧管内对流传热系数大于平均对流传热系数,高热流侧略小于平均对流传热系数,但高热流侧管内熔盐湍流度比低热流侧大。高热流侧管内各对流传热系数较接近,低、高热流侧管内对流传热系数的差值随着Re数和高低热流侧热流比的增大而增大。提出周向非均匀热流下吸热管单侧对流传热系数的计算方法-单侧计算法,按照该方法计算管内高、低热流侧对流传热系数与平均对流传热系数的偏差均在±4%以内。     

太阳能吸热器内超临界二氧化碳对流换热特性数值研究

为分析聚光太阳能热发电中吸热器内超临界二氧化碳（S-CO₂）在高温非均匀壁面热流密度分布下的对流换热特性，采用ANSYS Fluent软件建立了管排式吸热器的三维数值模型，对其中S-CO₂对流换热特性进行数值仿真，并考虑了吸热器与外界环境的辐射和对流换热，分析了吸热管半周均匀受热、半周周向均匀轴向高斯受热和半周周向余弦轴向高斯受热3种非均匀壁面热流密度分布的影响。仿真结果表明:外界环境的辐射和对流换热对吸热器壁面温度影响较大，相较于未考虑外界环境的辐射和对流换热，考虑辐射和对流换热的壁面最高温度下降6.84%；3种壁面热流密度分布中半周周向余弦轴向高斯受热的吸热器出口温度和壁面最高温度均最高，其壁面最高温度比半周均匀受热高353.4 K；非均匀壁面热流密度分布虽然对吸热器内流体流量分配不均匀性的改善不明显，但可明显削弱流量分配不均造成的各吸热管流体温度偏差的影响。     

直通式真空集热管热性能的数值模拟研究

利用Fluent软件对直通式真空集热管复杂的耦合换热过程进行了数值模拟,建立了集热管的非均匀热流边界条件下的传热模型,并将模拟结果与实验结果进行对比验证;分析得到了非均匀热流边界条件下,辐照强度、传热工质流速和入口温度对吸热管周向温度分布的影响。结果表明:吸热管轴向热流分布极不均匀,吸热管周向温差高达74.5 K。较大的温差会使集热管产生热应力,当超过集热管的屈服强度时,就会引起集热管的破坏,降低使用寿命。     

变负荷条件下太阳能吸热器内非稳态流量分配计算模型

针对变负荷条件下太阳能水工质吸热器内出现的流量分配不均现象,建立用于分析非稳态条件下并联管内流量分配特性的计算模型。该模型通过在离散控制方程中引入时间项计算在云层遮挡、昼夜变换等变负荷条件下吸热器内工质参数的非稳态变化过程;通过对集箱及各支管内的流动区域进行统一的网格划分和耦合求解,考虑了表面热流分布和集箱-支管结构对流量分配的综合影响。利用现有文献中的实验数据对模型进行了验证。利用模型研究了非均匀热流分布对吸热器内流量分配的影响,模拟了入口压力、入口温度、表面热流密度等发生阶跃扰动后吸热器内流量分配特性的动态变化,发现在非稳态过程中各支管流量分配往往会出现急剧恶化,给吸热器正常运行带来极大安全隐患。     

太阳能塔式热发电站熔融盐吸热器过热故障的影响因素分析

在塔式太阳能热发电站中使用熔融盐作为换热工质,有利于提高电站整体运行效率,但高温下运行的吸热器易发生过热故障,对吸热器的结构与熔融盐都会造成破坏。为了找出过热发生的主要影响因素,利用计算流体力学数值模拟软件,对吸热器及换热工质各项参数进行温度的敏感性分析。分析结果表明,决定吸热器圆管及内部工质局部温度的变量主要有4个,分别为辐照能流极大值qmax、吸热器圆管壁厚δ、熔融盐工质的流速u与流体平均温度tf,并进一步分析了这4个变量对温度的影响趋势及各自原因。这一结论有助于吸热器运行时进行局部过热的预测。该文还提出了将其用于判断吸热器过热的方法。     

塔式太阳能发电多孔介质吸热器动态模型

塔式太阳能发电多孔介质空气吸热器吸热表面温度变化率与吸热器的最大热应力成正比,出口空气温度的动态特性与发电系统的功率特性直接相关。建立多孔泡沫陶瓷吸热器传热传质非稳态模型,利用实验数据建立容积对流换热系数模型,并应用数值方法求解非稳态模型。研究投入热流密度和空气入口流速阶跃后吸热表面固体骨架温度和出口空气温度的动态变化特性。研究结果可以为该类型吸热器的设计和优化控制提供参考。     

塔式太阳能热发电吸热器热效率影响因素分析

对塔式太阳能热发电吸热器表面的热流特性进行分析,并通过热流平衡关系式得出吸热器热效率的公式,研究了吸热器的发射率、吸收率、风速、环境温度等因素对吸热器热效率的影响;同时对不同聚光比、不同吸热器温度条件下系统的热电综合效率进行了研究分析。结果表明:环境温度对吸热器热效率的影响很小,而风速对吸热器热效率的影响不容忽略,当风速高于12 m/s时,对流散热损失超过了辐射散热损失;选择性涂层可以提高吸热器的热效率,对于高聚光比的塔式太阳能热发电技术,可提高吸热器热效率约5.0百分点;系统的热电综合效率在给定聚光比条件下存在最大值。研究结果可为吸热器的设计及整体系统的优化提供参考。     

组合式相变材料吸热器热性能研究

针对NASA 2kW高温相变吸热器采用单-熔点的相变材料出现的问题，提出了由3种相变温度不同的相变材料组成的组合PCM吸热器模型，建立了相应的物理模型，给出了数值求解方法，计算了换热管最大温度、工质出口温度、换热管总PCM熔化率等结果。并与单一PCM换热管吸热器进行了比较分析，说明采用组合PCM换热管可以很好地提高吸热器的性能，减少工质温度被动、减少吸热器质量。计算结果可用于指导吸热器的设计。     

超超临界锅炉水冷壁管传热恶化对横向裂纹影响的有限元分析

为研究不同传热条件下水冷壁管的温度及热应力分布特征,以某1 000 MW超超临界锅炉水冷壁管为对象,建立了水冷壁管的三维有限元模型,分正常传热和传热恶化2种情况进行了计算。计算结果显示,向火侧壁面热负荷、管内传热系数对传热恶化后的温度和热应力有显著影响,在尚未达到屈服前,水冷壁管的热应力与温度基本呈线性关系。传热正常时,水冷壁管鳍片处温度和热应力值大于水冷壁管向火侧顶点相应值,而向火侧顶点发生破坏的可能性较小;在传热恶化时,水冷壁管向火侧顶点的温度和热应力迅速增大,并明显高于水冷壁管鳍片处,传热恶化的反复出现引起的交变应力最终导致水冷壁管横向裂纹的产生。     

基于矩量法的超临界锅炉水冷壁温度场数值计算

超临界、超超临界锅炉水冷壁尤其是燃烧器区水冷壁温度场计算对锅炉的安全运行具有重要意义。该文建立了燃烧器区螺旋管圈水冷壁及鳍片截面的二维稳态导热方程,推导了基于矩量法的有限元数值计算公式,采用双线性四边形单元对截面进行剖分。用分区段热力计算方法确定水冷壁各区段热负荷。依据机组实测的水冷壁入口和出口工质温度和压力,通过计算热负荷引起的焓增确定各校核截面的工质温度和压力。从而确定管内的对流换热系数。计算了不同启动方式下水冷壁管壁内侧温度及其变化率,为指导锅炉的安全稳定运行和锅炉管壁选材提供了依据。     

低质量流速优化内螺纹管的传热特性试验研究

在亚临界、近临界及超临界压力区,对600MW超临界W火焰锅炉水冷壁中垂直上升低质量流速优化内螺纹管的传热特性进行了试验研究,得到了不同运行工况下内螺纹管的壁温分布,分析了压力、外壁热流密度、质量流速对传热特性的影响。结果表明：低质量流速优化内螺纹管具有良好的传热特性,能够有效避免膜态沸腾;在亚临界压力区,压力与热流密度的增大以及质量流速的减小,均会导致干涸提前发生和干涸后的壁温飞升值增大。与亚临界压力区相比,内螺纹管在近临界压力区的传热特性变差,随着压力的增大,管壁温度显著升高,发生传热恶化时的临界干度减小。在超临界压力区,内螺纹管在拟临界点附近出现了传热强化;压力越接近临界压力,传热强化越明显;压力与热流密度的增大以及质量流速的减小均会导致壁温增大。     

竖直细管内高速空气-过冷水环状两相流的蒸发-对流耦合传热特性

通过数值计算研究了竖直细小传热管内高速空气-过冷水非沸腾环状两相流的传热传质特性。计算结果表明：在细小管内壁上过冷水形成非常薄的液膜，壁面热流密度可以分为液膜吸热，液膜蒸发和气相(湿空气)吸热3部分。在管内下部的环状流区域内，液膜蒸发换热是支配性的传热方式，并具有十分强的换热能力。数值计算指出即使在高热流密度条件下管壁温也能保持在较低范围。计算结果较好地预示了过去的实验结果。     

DSG槽式真空集热管内金属泡沫强化传热的数值研究

以实际辐照为热边界条件,在实际工况下,对槽式太阳能直接蒸汽发电(direct steam generation,DSG)系统过热段的真空集热管内填充金属泡沫强化传热进行三维数值模拟。分析布置方式、几何尺寸H、金属泡沫孔隙率φ对强化传热性能及管壁最大周向温差的影响。结果表明:布置方式和φ一定时,H对集热管传热性能影响很大;布置方式和H一定时,φ对传热性能影响较小;H和φ一定时,底部和顶部布置对强化传热性能有较大影响。H=0.75且金属泡沫置于顶部时达到最佳热性能,与传统集热管相比,Nua提高1050%,管壁最大周向温差降低19℃;H=0.25且金属泡沫置于底部时达到最佳综合热性能,与传统集热管相比,Nua提高450%,管壁最大周向温差可降低25℃。部分填充金属泡沫的集热管,其管内、外壁面温度趋向均匀分布,且聚光区与非聚光区的平均温差大幅降低,这有利于降低管表面热应力而引起的管道变形。     

水冷壁热流密度测量与误差分析

循环流化床锅炉水冷壁的热流分布是开发超临界循环流化床锅炉的基础。测量水冷壁背面上的两点温度可以用来大规模测量水冷壁的热流密度。分析了热流密度、床侧温度、水侧换热系数、水侧温度等与水冷壁背面温度差的关系。考察了实际中热电偶布置的位置偏差对热流密度测量计算的影响。     

单回路脉动热管温度振荡特性实验研究

通过对单回路紫铜-水脉动热管壁温振荡特性的实验研究,揭示传热功率、充液率和管径对热管启振及传热性能的影响。实验采用风冷却方式和定热流加热,测试稳定运行时加热段和冷却段外壁温的波动特性曲线,得到温度振荡与热管传热功率之间的的内在关系;同时研究了充液率和管径对管壁温振荡特性的影响。结果显示,随加热功率的增加,管壁温振荡呈现四种状态,无振荡、启振、大幅振荡和小幅均匀振荡;频率呈现由小到大和高位稳定振荡的特点。充液率和管径对热管的启振功率、振幅和频率都有影响;中间管径和中间充液率热管的启振功率最小;管内径越小,充液率越大,热管的温度振幅越大;中间管径、中间充液率的热管的平均振荡频率最大,而大管径、小充液率管子的平均振荡频率最小。当传热功率达到一定值时,振荡转变为小幅均匀振荡,充液率和管内径对热管振幅和频率的影响变小。     

翅片管外有机工质TFE凝结换热特性研究

翅片管外有机工质换热特性（凝结换热系数及液膜热阻）影响冷凝器的换热性能。理论模型基于努谢尔修正膜理论,为提高计算精度,将翅片管沿管周向划分有限个微元角,建立各个微元角内翅片侧壁和翅片间基管处的层流膜状凝结换热模型,迭代求解各个微元角内的壁面温度,根据各微元角壁面与饱和蒸汽温差,推导翅壁面及翅间基管上的液膜热阻和换热量,最后求解管子平均换热系数。管壁温度随圆周角θ增大而减小;翅壁及基管上液膜热阻随圆周角θ增大而增大;基管上液膜热阻大于壁面上液膜热阻。与实验值比较,理论模型计算精度高于积分解法计算值。     

电站锅炉过热系统分布式传热模型及其应用

根据热量来源将过热系统传递的能量分为屏前/屏后烟气辐射、屏间烟气辐射、炉膛火焰辐射、炉顶管辐射、管屏表面自身辐射以及对流传热6种类型。将屏前/屏后烟气辐射以及炉膛火焰辐射视为烟黑体窗平面的辐射，在此基础上把6种类型的传热归结到一个封闭系统内，进而建立了一种可同时反映各种不均匀性因素的过热系统分布式传热模型。应用模型对某台300MW机组后屏过热器热流分布进行模拟，揭示了各种类型热流的不均匀性和对总传热量贡献的差别。该模型可以用于过热系统的分布式热力计算，并可为过热系统分布参数动态模型的建立提供必要的边界条件。     

脉动热管传热性能实验研究

建立了铜管脉动热管实验台,分析水冷条件下充液率、工质、倾斜角和是否为闭环路等因素对脉动热管传热性能的影响。研究结果表明：随着充液率的增加,整体热阻变大,原因是管内的工作流体增加,流动摩擦阻力增大,气泡的份额减小,脉动驱动力减小,加热段冷却段的温差增大;选用蒸馏水、无水乙醇以及丙酮为工质时,丙酮在脉动热管中更容易形成循环流动而使得传热性能增强,热阻最低;不同倾斜角的实验中,垂直底加热时脉动热管热阻最低,表明重力在工质回流到冷却段起到重要的作用;环路型脉动热管传热性能在相同条件下要比非闭合回路脉动热管传热性能好。