非均匀热流密度下槽式集热器吸热管热应力分析
发布时间:2021-04-12 12:20
为了分析槽式集热器吸热管的热力性能及其对集热系统安全运行的影响,以LS-2型集热器为研究对象,通过有限元数值模拟方法对槽式集热器吸热管进行热-结构耦合分析。结果表明:吸热管管壁最大温度位于出口处下端(抛物面反射镜反射光线照射区域),吸热管管壁最小温度位于入口处上端(太阳辐照直射区域);太阳直射辐照强度(400~900 W/m2)越大,工质入口温度(50~300℃)越低,入口流速(1.0~3.5 m/s)越慢,对吸热管的热变形量和热应力影响越大。在集热器实际运行中,当太阳直射辐照强度较高时,工质入口温度和入口流速不能选取太低,否则会造成吸热管热应力增加,影响集热器的使用寿命。
【文章来源】:热能动力工程. 2019,34(03)北大核心CSCD
【文章页数】:7 页
【部分图文】:
槽式太阳能集热器聚光系统示意图Fig.1Schematicdiagramofparabolictrough
σk、σε—湍动能和耗散率的普朗特数;C1ε、C2ε、C3ε—常数。2模型验证采用SolTrace软件对槽式集热器吸热管管壁热流密度分布进行数值模拟计算。为验证光学数值模拟结果的准确性,参照文献[15]的数值积分与文献[16]的物理模型进行建模。模拟太阳入射角为0°、太阳直射辐照强度(DNI)为1000W/m2、几何聚光比Gc=20、最大边缘角θrim=90°时,吸热管横截面圆周方向的局部聚光比随圆周角的分布情况。模拟结果和文献数据的对比如图2所示。图中横坐标所表示的圆周角与吸热管周向角度的对应关系为:吸热管周向顶点处为0°,沿逆时针旋转方向圆周角逐渐增大,直至再次到达顶点处(360°)。由图2可知,采用SolTrace软件基于蒙特卡罗光线追踪法的模拟结果与文献[16]结果符合较好。最小相对误差为0.66%,最大相对误差为3.52%,平均相对误差为2.11%。图2局部聚光比模拟值与文献值对比Fig.2Localconcentrationratiocomparisonbetweensimulationandreference3计算结果及分析运用SolTrace软件模拟得到LS-2型集热器吸热管管壁周向热流密度分布规律。将模拟得到的数据点进行整理并编写用户自定义程序(UserDefinedFunction,UDF),作为吸热管管壁的热边界条件,通过有限元数值模拟方法,对槽式集热器吸热管进行热-结构耦合分析。在模拟过程中,吸热管内流体工质使用Syltherm800导热油[17]。吸热管管壁物性参数如表2所示。表2吸热管管壁物性参数Tab.2Propertiesofreceivermaterial密度/kg·m-3热膨胀系数/℃-1
热能动力工程2019年图3网格无关性验证Fig.3Validationtestofgridindependence图4为吸热管管壁温度分布图。图4(a)给出了距入口z=1m处吸热管圆周方向温度变化规律。由图可知,吸热管管壁周向温度分布不均匀,这主要是因为周向非均匀热流的加载,因此吸热管周向存在较大的温差。图4吸热管管壁温度分布(℃)Fig.4Temperaturedistributionofabsorbertubewall(℃)同时,图4(b)给出了吸热管管壁温度分布云图。由图可知,沿着工质流动方向(z轴正方向)管壁周向温度逐渐增大。由于吸热管导热系数较大,沿着工质流动方向,吸热管和管内工质被加热,时间逐渐增加,所以周向平均温度逐渐变大。吸热管管壁最大温度位于出口处下端(抛物面反射镜反射光线照射区域),最大温度为250.481℃,吸热管管壁最小温度位于入口处上端(太阳直射区域),最小温度为200.510℃。3.2吸热管管壁热变形量图5为吸热管管壁热变形量分布云图。由图5可知,沿吸热管轴线方向,管壁中间区域热变形最明显,最大热变形为23.030mm;由中间向两端,热变形程度逐渐变小,吸热管两端热变形最小。吸热管管壁热变形沿轴线方向基本呈左右对称分布。这是由于吸热管两端施加固定约束,轴向应力基本相同,作用效果不显著造成的。图5吸热管管壁热变形量分布(mm)Fig.5Contourofthermaldeformationdistributionofabsorbertubewall(mm)3.3吸热管管壁热应力云图图6为吸热管管壁热应力分布云图。由图6可知,吸热管入口处和出口位置处热应力变化梯度较大,并且在太阳辐照直射区域与抛物面反射镜反射光线照射区域的分界位置附近热应力?
【参考文献】:
期刊论文
[1]槽式太阳能真空管接收器环形区域结构及气体优化[J]. 张维蔚,薛奇成,聂晶,程龙,王甲斌,宋长忠. 农业工程学报. 2017(20)
[2]槽式太阳能聚光集热器传热性能研究[J]. 王修彦,韩露. 动力工程学报. 2017(04)
[3]槽式太阳能直接蒸汽发电技术研究现状[J]. 王学军,严飞,张银龙,王堃. 热能动力工程. 2016(03)
[4]用等效应力法分析温度变化对胶粘反射镜面形的影响[J]. 李文杰,王少鑫,穆全全,杨程亮,曹召良,宣丽. 光子学报. 2015(12)
[5]太阳能高温异型热管热应力数值摸拟[J]. 曾金令,马炎,马婷婷,朱跃钊,杨谋存,陈海军. 热力发电. 2015(08)
[6]双轴跟踪槽式太阳能集热器实验研究[J]. 钱裕,朱跃钊,王银峰,陈海军. 热能动力工程. 2015(04)
[7]非均匀热流密度下太阳能吸热管的温度特性[J]. 崔文智,李洪香. 电源技术. 2015(05)
[8]槽式太阳能集热器真空夹层传热的数值模拟[J]. 唐振,孙志新,李增耀,何雅玲,陶文铨. 工程热物理学报. 2013(06)
本文编号:3133286
【文章来源】:热能动力工程. 2019,34(03)北大核心CSCD
【文章页数】:7 页
【部分图文】:
槽式太阳能集热器聚光系统示意图Fig.1Schematicdiagramofparabolictrough
σk、σε—湍动能和耗散率的普朗特数;C1ε、C2ε、C3ε—常数。2模型验证采用SolTrace软件对槽式集热器吸热管管壁热流密度分布进行数值模拟计算。为验证光学数值模拟结果的准确性,参照文献[15]的数值积分与文献[16]的物理模型进行建模。模拟太阳入射角为0°、太阳直射辐照强度(DNI)为1000W/m2、几何聚光比Gc=20、最大边缘角θrim=90°时,吸热管横截面圆周方向的局部聚光比随圆周角的分布情况。模拟结果和文献数据的对比如图2所示。图中横坐标所表示的圆周角与吸热管周向角度的对应关系为:吸热管周向顶点处为0°,沿逆时针旋转方向圆周角逐渐增大,直至再次到达顶点处(360°)。由图2可知,采用SolTrace软件基于蒙特卡罗光线追踪法的模拟结果与文献[16]结果符合较好。最小相对误差为0.66%,最大相对误差为3.52%,平均相对误差为2.11%。图2局部聚光比模拟值与文献值对比Fig.2Localconcentrationratiocomparisonbetweensimulationandreference3计算结果及分析运用SolTrace软件模拟得到LS-2型集热器吸热管管壁周向热流密度分布规律。将模拟得到的数据点进行整理并编写用户自定义程序(UserDefinedFunction,UDF),作为吸热管管壁的热边界条件,通过有限元数值模拟方法,对槽式集热器吸热管进行热-结构耦合分析。在模拟过程中,吸热管内流体工质使用Syltherm800导热油[17]。吸热管管壁物性参数如表2所示。表2吸热管管壁物性参数Tab.2Propertiesofreceivermaterial密度/kg·m-3热膨胀系数/℃-1
热能动力工程2019年图3网格无关性验证Fig.3Validationtestofgridindependence图4为吸热管管壁温度分布图。图4(a)给出了距入口z=1m处吸热管圆周方向温度变化规律。由图可知,吸热管管壁周向温度分布不均匀,这主要是因为周向非均匀热流的加载,因此吸热管周向存在较大的温差。图4吸热管管壁温度分布(℃)Fig.4Temperaturedistributionofabsorbertubewall(℃)同时,图4(b)给出了吸热管管壁温度分布云图。由图可知,沿着工质流动方向(z轴正方向)管壁周向温度逐渐增大。由于吸热管导热系数较大,沿着工质流动方向,吸热管和管内工质被加热,时间逐渐增加,所以周向平均温度逐渐变大。吸热管管壁最大温度位于出口处下端(抛物面反射镜反射光线照射区域),最大温度为250.481℃,吸热管管壁最小温度位于入口处上端(太阳直射区域),最小温度为200.510℃。3.2吸热管管壁热变形量图5为吸热管管壁热变形量分布云图。由图5可知,沿吸热管轴线方向,管壁中间区域热变形最明显,最大热变形为23.030mm;由中间向两端,热变形程度逐渐变小,吸热管两端热变形最小。吸热管管壁热变形沿轴线方向基本呈左右对称分布。这是由于吸热管两端施加固定约束,轴向应力基本相同,作用效果不显著造成的。图5吸热管管壁热变形量分布(mm)Fig.5Contourofthermaldeformationdistributionofabsorbertubewall(mm)3.3吸热管管壁热应力云图图6为吸热管管壁热应力分布云图。由图6可知,吸热管入口处和出口位置处热应力变化梯度较大,并且在太阳辐照直射区域与抛物面反射镜反射光线照射区域的分界位置附近热应力?
【参考文献】:
期刊论文
[1]槽式太阳能真空管接收器环形区域结构及气体优化[J]. 张维蔚,薛奇成,聂晶,程龙,王甲斌,宋长忠. 农业工程学报. 2017(20)
[2]槽式太阳能聚光集热器传热性能研究[J]. 王修彦,韩露. 动力工程学报. 2017(04)
[3]槽式太阳能直接蒸汽发电技术研究现状[J]. 王学军,严飞,张银龙,王堃. 热能动力工程. 2016(03)
[4]用等效应力法分析温度变化对胶粘反射镜面形的影响[J]. 李文杰,王少鑫,穆全全,杨程亮,曹召良,宣丽. 光子学报. 2015(12)
[5]太阳能高温异型热管热应力数值摸拟[J]. 曾金令,马炎,马婷婷,朱跃钊,杨谋存,陈海军. 热力发电. 2015(08)
[6]双轴跟踪槽式太阳能集热器实验研究[J]. 钱裕,朱跃钊,王银峰,陈海军. 热能动力工程. 2015(04)
[7]非均匀热流密度下太阳能吸热管的温度特性[J]. 崔文智,李洪香. 电源技术. 2015(05)
[8]槽式太阳能集热器真空夹层传热的数值模拟[J]. 唐振,孙志新,李增耀,何雅玲,陶文铨. 工程热物理学报. 2013(06)
本文编号:3133286
本文链接:https://www.wllwen.com/projectlw/xnylw/3133286.html