DSG槽式太阳能集热管传热特性研究

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DSG’槽式太阳能发电技术,简化了传统槽式太阳能热利用的系统结构,提高了整个集热系统的光热转化效率,是当今研究发展的新方向。本文实验及理论研究了DSG集热器热效率及集热金属管周向温度分布,对于降低集热管温度和周向最大温差以延长涂层寿命、减少集热管的热损及热应力等DSG关键技术的发展有着重要的意义。   本文建立DSG槽式太阳能热效率及集热金属管壁温度测试实验台,分析了不同工况对DSG槽式集热器热效率及管壁温度的影响,实验表明:太阳辐射强度和工质流速对集热器热效率影响较大;当太阳辐射强度从200W/m2变化至600 W/m2时,热效率从44%提高至54%,壁面温度增加了7K;工质流速由0.4 kg/s变化至1.2 kg/s时,热效率提高了近3个百分点。   拟合并验证了以金属管壁温为基准的热损计算公式,分析表明:热损随着壁面温度呈指数规律提高,集热金属管壁面温度从100℃增加到300℃时,热损从5 W/m2增加到35 W/m2左右;热损与环境风速成线性关系,环境风速从0增加到10m/s时,热损由19W/m2增加至31 W/m2;当环境温度由273K变化至303K时,热损只降低了3 W/m2左右。   以DSG集热管为研究对象,总结出管内工质流态为分层流、环状流的临界质量流速值及其传热系数,建立了集热金属管导热传热模型,并对物理模型及控制方程进行网格划分和离散,得到多元非线性方程组,采用最小二乘法对其进行求解。计算结果与本文实验及Eck实验进行了比较,相对误差在10%以内,验证了数值模拟的正确性。   利用数值模拟,研究了集热管内工质三种流态下周向温度分布及太阳辐射强度、工质流速、环境风速、环境温度、金属管材质等对金属管周向温度的影响。研究表明:在7MPa下,环状流的金属管壁周向温度的最大温差最小,约7-12℃左右;分层流的最大温差次之约为12-22℃左右;而饱和蒸汽段最大温差最大达到30-35℃左右。太阳辐射强度对金属管壁面最高温度的影响较大。当辐射强度从200W/m-2变化至800W/m2时,饱和蒸汽段、分层流、环状流最高温度分别提高了30℃、15℃和8℃左右;集热金属管材质对周向温度分布影响较大,将铁材改为铜材时,饱和蒸汽段最高温度从346℃降为338℃,最大温差从26℃降至10℃左右;工质流速对金属集热管壁面温度有一定的影响,当流速由0.8kg/s提高至1.2kg/s时,金属管周向最大温差由11℃下降至8℃,光斑处的最高壁温由321.5℃下降至318.7℃。
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