槽式腔体接收器多场耦合热性能模拟研究

王志敏，杨 畅，产文武，袁 拓，王海博

（1.内蒙古工业大学 能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古自治区可再生能源重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010051；3.内蒙古工业大学 土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

聚光型太阳能热利用中，槽式太阳能利用技术已较为成熟[1]。槽式太阳能聚光集热系统中的核心部件是接收器，聚光镜聚焦太阳光线并反射汇聚到接收器上，接收器将接收到的太阳辐射能量转化成热能，通过热传递的方式加热接收器中的流动工质[2]。由槽式太阳能聚光集热的工作原理可知，接收器的设计与选用对聚焦光线吸收与传递起到关键作用。

科研人员针对槽式系统光热性能做了大量研究。Padilla R V[3]，[4]采 用 火用分 析 方 法 研 究 了 运 行 参数和环境参数对槽式接收器性能的影响，通过模型与实验数据的比较，验证了数值结果。Yilmaz I H[5]利用微分相关和非线性代数相关内容建立了接收器光学和热学模型，分析其在不同运行条件下的性能特征。Huang X N[6]在传统热管ECTs的玻璃管中引入热屏蔽体，从而减少了吸热板的辐射热损失。Zhang X Y[7]研究发现，热屏蔽体可以有效降低同轴真空太阳能集热器的热损失，并且随着集热温度的升高热损失的降低效果越显著。

目前，针对槽式光热电站常用的玻璃-金属真空管的相关研究较多[8]，[9]，而对其他应用领域的槽式接收器研究较少。腔体接收器具有工艺较简单、成本相对低廉的特点，在中低温领域具有更广泛的应用[10]。本文基于一种倒梯形腔体接收器，采用ANSYS软件对腔体工质进口温度、外界环境风速、倾角等参数进行模拟研究，揭示该腔体接收器的热损失规律以及该结构对腔内集热管传热性能的影响，为优化接收器结构、提高接收器集热性能提供理论基础。

1 理论分析

1.1 腔体热损失分析

腔体接收器外表为不透光金属材料，由单一采光孔入射聚焦光线，集热管为铜制金属管，由左至右依次表示为管1、管2、…、管7，其出口分别为O1，O2，…，O7，腔 体 剖 面 见 图1，结 构 参 数 见 表1[11]。

图1 倒梯形腔体的热损失示意图Fig.1 Heat loss diagram of the cavity

表1 腔体接收器结构参数Table1Parameters of cavity receiver

在腔内传热过程中，集热管簇通过导热、对流以及辐射换热将聚焦辐射能流由管外传递到管内并被流动工质吸收带走，同时集热管壁能流主要通过对流和热辐射的方式与腔内空气进行热交换。腔内空气继续通过腔体接收器的采光孔与外界环境以对流和热辐射方式传递，同时也会与腔内反射壁面以导热形式将热量传递到保温层，保温层将热量传递到腔体外壳，腔体外壳以辐射和对流的方式向外界环境散失热量[12]。腔体热损失过程如图1所示。

1.2 腔体热损失计算

因本腔体结构针对中低温集热的范畴所设计，其流动工质温度相对较低，为了简化传热分析，对腔体集热管通过一定温度的热流体时接收器本体的热损失模型作出以下假设：

①在所研究的集热温度范围内，保温层起到绝热作用，腔体外壳以及外界环境均无热量交换（建模时忽略保温层，直接设置腔体内壁面绝热）；

②各表面的物性，如反射率、吸收率、管内流体流量等均为常数，不随温度发生变化；

③腔体接收器处于稳定运行状态，系统起停时各部件的热容不予考虑。

基于以上假设，可将整个过程归结为稳态导热和对流以及辐射换热的耦合传热的求解问题。研究中，7根集热管在传热过程中的总热损失量计 算 式[13]为

式中：Qloss为腔体接收器的总热损失量，W；m˙为单根集热管内工质流动的质量流量，kg/s；Tin为腔体集热管单管进口温度，K；Tout为腔体集热管单管出 口 平 均 温 度，K；cp为 比 热 容，J/（kg·K）。

2 模型建立

本文应用DesignModel建立腔体接收器和环境域物理模型，采用Gambit进行网格划分，根据不同工况将该模型的网格数控制在合理范围内。模拟采用计算流体力学ANSYS Fluent软件，选取稳态的基于压力法的求解器，设置操作条件进行模拟。

2.1 流场域确定及网格划分

为了使腔体周围流场得到充分发展，需对计算域的大小进行设置以得到更准确的模拟结果。一般环境域体积均大于腔体的10倍以上[14]，通过前期多次模拟结果论证，此处采用腔体50倍大的体积作为环境域展开模拟研究较为合适。在划分网格过程中，在接收器周边构建加密小域，以利于适应接收器表面及其周围复杂的流场情况。小域和外部流场域的交界面上采用内部面，使用四边形网格，以满足内外两部分非结构化向结构化网格过渡。腔体表面及管壁均采用非结构化的三角形网格进行划分。

2.2 模型及边界条件设置

模拟中，研究变量包括流动工质进口温度Tin、环境风速Vw和腔体接收器开口面与水平地面夹角 θcav。在流动工质流量和环温一定的情况下，通过设置Tin，θcav和Vw，探究在不同工况下该腔体接收器结构对内部集热管传热性能的影响以及腔体接收器整体热损失规律。边界条件的设置见表2，计算模型见图2。

表2 边界条件设置Table2Boundary condition setting

图2 计算模型Fig.2 Calculation model

3 模拟分析

3.1 不同进口温度对接收器热性能的影响

在变换工质进口温度模拟中，环境温度和流动工质流速保持不变，θcav=0°，且环境无风，设置Tin=303，313，323，333，353K，以 此 条 件 研 究 该 腔体的热损失规律及特性。

截取Tin=353K时的腔体内流动工质俯视图及腔体截面作为腔体结构对各管出口温度影响的研究对象，并采用双温度场对集热管内流体温度和外界影响进行分析。图3为腔体管内流体俯视温度云图，进口区域为相对高温区域，出口区域为相对低温区域。由图可知，7根管内热工质由左侧入口到右侧出口温度总体呈逐渐降低趋势，其中越接近中间管，温度下降速度越快，集热管在整个腔体传热过程中的热损失越严重。

图3 腔体管内流体俯视图Fig.3 Top map of fluid in cavity tube

图4为Tin=353K时的腔体出口剖面云图，揭示了图3的趋势。分析其原因是热量通过导热形式传递给管壁，管壁以自然对流与辐射换热形式对腔内的空气和腔体内壁面进行加热，随后腔内热量持续从腔体内部通过自然对流和热辐射传递到环境中。整个系统达到稳态后，周围环境温度稳定在323.9K附近。

图4 腔体出口剖面云图Fig.4 Section map of cavity exit

选 取Tin=323，333，353K，研 究 腔 体 结 构 对 各管出口温度的影响，如图5所示。3种工况下各管出口温度的变化趋势均为两边高中间低，与腔体倒梯形结构相吻合，当Tin=353K时，O1和O7达到最高温度352.938K，O4为最低温度352.834K。由这3个典型工况可分析其他不同进口温度受腔体结构影响后，各集热管出口温度变化规律均是该趋势。出现这种趋势的原因在于中间管正对采光孔，且离壁面相对较远，与空气自然对流换热明显；而两边的集热管因其独特的倒梯形腔体结构，离采光孔较远，离两边壁面较近，通过自然对流与辐射换热将周围空气和相邻壁面加热后，与腔内空气对流换热和外界辐射换热量减少。

图5 不同进口温度集热管各出口温度分布Fig.5 Outlet temperature of cavity tube at different inlet temperature

图6为 θcav=0°，Vw=0m/s，Ta=296K时，不 同进口温度下热损失量的变化规律。由图可知：进口温度越接近环境温度，集热管内的工质热损失越小，反之热损失变大；Tin=353K时腔体热损失量是303K时的6.9倍，其原因是进口温度越高，与环境的温差越大，辐射和对流换热明显，以此形式损失的热量越多。

图6 进口温度对腔体接收器热损失的影响Fig.6 Effect of inlet temperature on cavity heat loss

3.2 不同风速对腔体接收器的影响

在实际运行过程中，外界环境多变，尤其风速的瞬态变化较为复杂。根据该地区气象数据，对全年风速进行统计分析，全年多数时间风速在3m/s以 下，故 本 节 选 取Vw=0.8，1.5，3m/s，θcav=30°，Tin=353K作为工况，其他参数保持不变，研究环境风速对腔体接收器内部流场及集热管热损失的影响。截取集热管出口处腔体剖面作为研究对象，采用集热管内温度场、管外速度场的形式分析不同风速对腔内气流及集热管传热的影响。图7为Vw=0.8，1.5，3m/s时的腔体剖面图。截面管内显示为工质温度云图，其温度梯度见图左显示，管外腔内显示为流场速度云图，其速度梯度见图右显示。由图可知：当 θcav=30°横风扫过腔体时，均在腔体内部产生扰流，且随着风速的增大，管5～7受影响程度逐渐增大；当Vw=3m/s时，腔内气流扰动程度最明显，腔内扰流速度最大达到了1.816 m/s。

图7 风速为0.8，1.5，3m/s腔体剖面图Fig.7 Section map of the cavity with wind speed of 0.8，1.5，3m/s

图8为风速对各管出口温度的影响趋势。由图可知，O5～O7较其他管出口温度下降的趋势更加明显，斜率较大，受扰流影响程度随横风风速的增加越发明显，即管5～7对腔内扰流更加敏感。其中Vw=3m/s时，O4的出口温度最高，原因是腔体顶部是曲面结构，风速较高时，气流绕过管4，使得管4受扰流影响程度较其他管减弱，而管5～7受到空气强制对流导致热损失逐渐增大。此规律可对后续腔体内部集热管优化排列提供依据。

图8 风速对各集热管出口温度的影响Fig.8 Effect of wind speed on outlet temperature of each tube

图9为不同风速对腔体接收器的影响实验现场。在 θcav=30°，Tin=353K的条件下进行实验测试，得到不同风速对腔体接收器的实验数据及模拟数据对比结果，如图10所示。由图可知，模拟和实验的腔体接收器热损失量均随着风速的增大而增大，当Vw=0.8m/s时，实验和模拟热损失量分别为78W和86.6W，相对误差为9.9%。随着风速增大，实验和模拟值的相对误差有一定的增加，但两者的平均相对误差在15%以内，论证了该模拟工作的可靠性。热损失增大的原因是腔体接收器的采光孔处无盖板，腔内空气被外界气流扰动，形成涡流，且风速越大对腔体内空气的扰动越剧烈，涡流波及范围越广，对各集热管壁面起到强制对流作用越明显，故其热散失增强，热损失增大。

图9 实验现场Fig.9 Experimental site

图10 不同风速对热损失的影响Fig.10 Effect of wind speed on cavity heat loss

3.3 不同腔体倾角对腔体接收器的影响

根据腔体接收器应用于槽式聚光集热系统的运行特性，倾角也是腔体热性能的重要影响因素之 一。本 节 选 取Vw=3m/s，Tin=353K，θcav=0°，30°，60°，90°，其他参数保持不变，研究不同腔体倾度对腔内气流及集热管传热的影响。

图11为稳态状态下不同倾角腔体剖面图。由图可知：当 θcav=30°时，腔内形成回旋涡流，气流扰动剧烈；当 θcav=90°时，腔内基本无扰流；当 θcav=60°时，腔内扰流最大速度达到2.039m/s。腔内的最大气流扰动速度出现在腔体右下角，其原因是环境风向和腔体倒梯形结构共同作用，当 θcav＜90°时，腔体右下边将来风阻挡，横风和腔体右下壁面碰撞，速度和方向均发生变化。

图11 不同倾角腔体出口剖面图Fig.11 Sectional map at different tilt angle of cavity

图12为不同倾角下各管出口温度曲线图。当θcav=0°时，O1～O4温 度 持 续 下 降，在O4处 达 到 最 低温度340.977K，O5～O7温度呈上升趋势，并在O7处达到最高温度349.571K，单管热损失最小为7.5W。当 θcav=30°和60°时，O4～O7温 度 损 失 明 显，其中 θcav=30°时O7最低温度为331.838K，单管热损失最大为46.33W，管7在 θcav=30°时的热损失是 θcav=0°时 的7倍。

图12 不同倾角对腔体集热管出口温度的影响Fig.12 Outlet temperatureat of tube at different tilt angle of cavity

图13为不同腔体倾角对热损失的影响。由图可知，腔体接收器在 θcav=0～90°时总热损失均呈先上升后下降的趋势，当 θcav=0°时热损失最小，θcav=30°左右时热损失达到峰值。因模拟中风向一定，当 θcav=0～30°时，横风进入腔体内产生涡流，强制对流导致热量快速流失；当 θcav=60～90°时，腔体内部扰流不明显，气流与集热管间的强制对流减弱，被气流带走的热量减小，热损失也随之变小。当 风 速 为1.5m/s，Tin=353K时，θcav=90°产 生的热损失是0°时的12倍。因此当 θcav=0～30°时，风速对腔体内集热管传热性能影响更为明显，令采光孔朝下可有效抑制对流热损失。

图13 不同腔体倾角对热损失的影响Fig.13 Effect of tilt angle on cavity heat loss

为了研究 θcav=60～90°时腔内扰流不明显，致使腔体热损失下降的原因，以 θcav=90°为研究对象，由图11可知，该倾角下的各管出口温度较为均匀，其压力、温度、速度云图见图14。由图14（a）可知，当整个计算域处在稳态时，腔内气压是环境气压的11倍，远大于外界环境气压；由图14（b）可知，腔内集热管散发的热量在腔内积聚，无法通过强制对流被横风带走；由图14（c）可知，腔内空气流动速度几乎为零。

图14 计算域压力、温度、速度云图Fig.14 Section map of pressure,temperature,velocity in computational domain

由于腔体模型除采光孔外密闭性极好，所以当 θcav=0～30°时采光孔即为泄压孔。随着采光孔迎风面积的增加，采光孔逐渐失去卸载腔内气压的作用，腔内气体由于气压过高，形成气体屏障，将来流挡在腔外。外界气流在腔内无法产生扰动，导致 θcav=60～90°时腔内扰流不明显，腔体热损失下降。

4 结论

本文采用多场耦合分析的方法，模拟研究了一种倒梯形腔体接收器腔体结构对内部集热管传热性能及不同因素对其热损失性能的影响，得到以下结论。

①无风时，各管出口温度的变化趋势与腔体倒梯形结构相吻合，均为两边高，中间低。进口温度越接近环境温度，集热管内的工质热损失越小，Tin=353K时腔体热损失量是303K时的6.9倍。

②θcav=30°，Tin=353K时，不同风速扫过腔体，均在内部产生扰流，且在风速较高时气流绕过中间管，使中间管受扰流影响程度逐渐减小，管5～7较管1～4受风速影响温度变化更加明显。Vw=3.0 m/s时的热损失量是0.8m/s时的2.8倍。

③在腔体变倾角研究中，因环境域风向和腔体倒梯形结构的共同作用，腔内的最大气流扰动速度均出现在腔体右下角。当 θcav=0～90°时腔体接收器的总热损失均呈先上升后下降，θcav=0～30°时，风速对腔体内集热管传热性能影响更为明显。Tin=353K，Vw=1.5m/s时，θcav=90°产 生 的 热 损 失 是0°时的12倍，故令采光孔朝下可有效抑制对流热损失。