不同有机工质的低温太阳能真空集热管的传热特性研究

葛永峰，肖　洪，朱天宇，毛宇飞

(1.河海大学机电工程学院，江苏 常州 213022；2.南通河海大学海洋与近海工程研究院，江苏 南通 226019)

Research on Heat Transfer of Different Organic Working Fluids in Solar Vacuum Heat-Collecting Tube

GE Yongfeng1，2， XIAO Hong1，2，ZHU Tianyu1，2，MAO Yufei1，2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering， Hohai University， Changzhou 213022，China；

2.Nantong Ocean Research and Offshore Engineering Institute of Hohai University，Nantong 226019，China)



不同有机工质的低温太阳能真空集热管的传热特性研究

葛永峰1，2，肖洪1，2，朱天宇1，2，毛宇飞1，2

(1.河海大学机电工程学院，江苏 常州 213022；2.南通河海大学海洋与近海工程研究院，江苏 南通 226019)

Research on Heat Transfer of Different Organic Working Fluids in Solar Vacuum Heat-Collecting Tube

GE Yongfeng1，2， XIAO Hong1，2，ZHU Tianyu1，2，MAO Yufei1，2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering， Hohai University， Changzhou 213022，China；

2.Nantong Ocean Research and Offshore Engineering Institute of Hohai University，Nantong 226019，China)

摘要：以太阳能真空集热管为研究对象，基于其几何结构，分析其传热特性，建立了散热量和工质出口温度的计算模型，通过C++编程对比验证模型。最后，利用计算程序，分析一些有机工质的出口温度、吸热量与接收管温度、工质流量之间的关系。

关键词：真空集热管；有机工质；出口温度；工质流量

0　引言

低温太阳能热发电系统利用有机工质的低沸点特性，在低温条件下可以获得较高的蒸汽压力，并且系统结构简单，制造成本和运行成本低，因而具有极大的发展潜力。目前，关于低温太阳能热发电系统的研究，主要集中在有机工质的筛选和系统优化上。在此，从太阳能热发电的核心部件集热管出发，描述其几何结构，分析其传热特性，通过C++编程计算分析不同工质的传热特性。

1　真空集热管结构和传热模型

真空集热管一般由2根同心管套在一起组成，外层为玻璃管，里层为接收管。接收管的外表面涂镀高温选择性吸收涂层，以降低其辐射热损失。玻璃管和接收管之间被抽成真空[1]。

太阳光透射过玻璃管，被接收管所吸收。接收管吸收的能量，一部分经过真空层以辐射的形式传递给玻璃管，另一部分以对流传热的形式传递给管内的流体工质。忽略接收管和玻璃管内外壁间的温差和热量传递，根据能量守恒定理，经过接收管向玻璃管的辐射量等于玻璃管向环境的散热量[2]，接收管向流体工质的换热量等于流体工质增加的热量。

2　真空集热管的热性能计算

参考文献所用的传热计算公式均来自[3]，详见下述计算过程。

2.1接收管与玻璃管的换热量

接收管和玻璃管之间为真空，不存在对流传热，只存在辐射换热，可按式(1)计算：

(1)

Ap为接收管换热面积；Ag为玻璃管换热面积；σ为黑体辐射常数；Tg为玻璃管温度；Tp为接收管温度；εp为接收管辐射率；εg为玻璃管辐射率。

2.2玻璃管与周围环境的换热量

接收管与周围环境的对流换热属于大空间自然对流换热，换热系数可用式(3)关联：

(2)

(3)

hg为玻璃管与环境对流换热系数；Ta为环境温度；Num为努塞尔准数；Gr为格拉晓夫准数；Pr为普朗特准数；C，n为由实验确定的常数。

2.3接收管与流体工质的换热量

接收管加热流体工质，管内属于湍流强制对流传热，可用式(5)关联：

(4)

(5)

hf为接收管与工质的换热量；Re为雷诺数。

2.4流体工质吸收的热量

流体工质吸收的热量为：

(6)

m为工质质量流量；cp为工质定压比热容；Tfi为工质进口温度；Tfo为工质出口温度。

2.5模型求解

利用C++自编程序，计算接收管与周围环境换热量和接收管与流体工质的换热量，计算过程中接收管温度和工质进口温度给定。具体算法流程如图1所示。

图1　计算流程

3　不同有机工质的传热计算

3.1模型验证

计算过程中，除接收管管径、玻璃管管径取内外径平均值0.068 m、0.018 m，其余条件均与美国国家可再生能源实验室(NREL)的实验测试条件相同。以参考文献[4]的实验数据参考，通过C++编程计算PTR70真空集热管的散热量，将计算结果与实验结果比较，如表1所示。

表1计算结果与实验结果(2008 PTR70 #1)的比较

编号接收管温度Tp/℃环境温度Ta/℃实验测散热量Q/(W/m)计算散热量Q/(W/m)实验测玻璃管温度Tg/℃计算玻璃管温度Tg/℃接收管辐射率εp11532323233027.30.0772213234342.23530.20.0743246235957.73832.40.075431724113111.55040.40.083534624141138.45543.70.084639024204199.66550.70.091741824257252.37356.30.097845324333328.18264.10.103945824348343.98465.70.1051050624495487.69979.80.115

通过表1比较实验数据与计算数据可知，接收管散热量的实测结果与计算结果吻合较好，绝对误差在0～8 W/m之间，相对误差在1.9%以内，完全满足精度要求。计算产生误差的主要原因在于计算模型过于理想化，与实际传热过程有差别。

3.2不同有机工质的物理模型

对低温太阳能热发电中3种典型有机工质的密度、运动粘度和导热系数，通过Matlab用最小二乘法拟合，关系式如下所述。

有机工质R123：

(7)

(8)

(9)

有机工质R134a：

(10)

(11)

(12)

有机工质R245fa：

(13)

(14)

(15)

3.3计算结果

真空集热管的参数如下：接收管管径为0.04 m，玻璃管管径为0.099 m，玻璃管的辐射率为0.89，接收管的辐射率为0.084，管长为2 m。

图2～图4分别给出进口温度为30 ℃，流量为0.018 kg/s时，3种有机工质的出口温度、吸热量和接收管的热损失率(η=Qp-f/(Qp-f+Qf))与接收管温度的关系。由图2～图4可知，工质的出口温度、吸热量和热损失率随接收管温度不断上升。工质出口温度和吸热量基本呈线性变化；R134a的出口温度和吸热量均上升的最快，热损失率最低，在接收管温度为400 ℃时，出口温度可达到104.5 ℃，吸热量可达到1 256.6 W，热损失率为15.6%。

图5给出了接收管温度为200 ℃时，R134a的出口温度和吸热量随工质流量的变化。由图5可知，工质的出口温度随工质流量的增加而下降，工质的吸热量随着工质流量的增加而减少；工质流量每增加0.003 kg/s，出口温度减少0.6～1.9 ℃，吸热量增加64～78 W。在实际工作过程中，可以根据需要调节进口工质的流量，来控制温度和吸热量。

图2　工质出口温度与接收管温度的关系

图3　工质吸热量与接收管温度的关系

图4　接收管热损失率与接收管温度的关系

4 结束语

针对太阳能真空集热管的结构和传热特性，归纳得出接收管在传热过程中的2组能量平衡关系，通过分析计算得出以下结论：

a.所建传热模型具有很高的精度，计算结果与实验结果的绝对误差在0～8 W/m之间，相对误差在1.9%以内。

b.在低温太阳能真空集热管运行过程中，相同条件下，R134a比R123、R245fa有更大的吸热量，更高的出口温度以及更低的热损失率。

c.通过调节工质的流量，可以有效地控制工质的出口温度和吸热量。

[1]刘鉴民.太阳能热动力发电技术[M].北京：化学工业出版社，2012.

[2]韩智香，李芃，仇中柱.槽式真空集热器散热分析与编程计算[J].制冷空调与电力机械，2010，32(2)：8-11.

[3]杨世民， 陶文铨.传热学.[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]Burkholder F， Kutscher C. Heat loss testing of Schott’s 2008 PTR70 parabolic trough receiver [R]. National Renewable Energy Laboratory Technical Report， NREL/TP- 550- 45633，2009.

Abstract：Based on the geometric structure of evacuated solar collector tube and heat transfer characteristics, the calculation model of the working fluids' heat release and the outlet temperature is established. A calculation model of heat output and working fluid outlet temperature is established and verification models are compared using C++ computer programming language. Furthermore, the relationships between outlet temperature, heat absorption, heat loss rate and mass flow-rate are analyzed.

Key words：solar collector vacuum heat-collecting tube；organic working fluids；outlet temperature；mass flow-rate

作者简介：葛永峰(1988-)，男，湖北汉川人，硕士研究生，研究方向为太阳能热利用；肖洪(1968-)，女，四川资中人，副教授，硕士研究生导师，研究方向为动力循环系统、节能技术。

基金项目：江苏省科技资助项目(BE2013070)；河海大学中央高校基本科研业务费重点项目(2013B19014)

收稿日期：2015-03-24

文章编号：1001-2257(2015)06-0017-03

文献标识码：A

中图分类号：TK51