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用于碟式太阳能领受器中高温热督工质的取舍p

发布日期:2019-07-29  浏览:

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  第37卷 第4期 要杂电力 V0I.37 No.4 2009年4月 EastChinaEIectricPower Apr. 2009 用于碟式太阳能领受器中高温热督工质的选择 丁 莉,张 红,许 辉 ,白 檀 ,刘亚雷,庄 骏 (南京工业大学 能源学院,南京 210009) 摘 要:阐发碟式太阳能领受器特点及运转前提,由聚焦后太阳能的特点决定了领受器工做温度范畴700 850%,焦平面处热流密度30—75W/cm 。针对领受器 目前存正在受热面热流量和温度分布不均等问题,将高 温热管引入领受器中。高温热管具有极高的传热机能和 优良的等温机能,将其用于碟式太阳能领受器中可解 决现行领受器受热不均、局部过热等问题。连系碟式太阳能领受器 本身特点,从热管内部工质传输系数,工质 热物能,分歧工质高温热管的启动机能以及传热功率等角度阐发用于领受器中高温热管常用碱金属工 质锂、钠、钾、钠钾合金等。分析考虑以上要素,得出合用于碟式太阳能领受器高温热督工质为钠。 环节词:碟式太阳能领受器;高温热管 ;碱金属 基金项 目:国度高科技成长打算 (863)项 目(2006AA05Z419) 做者简介:丁 莉(1983一),女,硕士,次要研究高效传热传质。 中图分类号:TM615 文献标记码:A 文章编号:1001-9529(2009)04-0632~34 Selectionofworkingfluidsforhigh temperatureheatpipesusedindish solarreceivers D1NGLi,ZHANGHong,XUHui,BAI ,LIUYa—lei,ZHUANGJun (CollegeofEnergy,NanjingUniversityofTechnoloyg,Nanjing210009,China) Abstract:Thedishsolarreceiver’Sworkingconditionsare700~850℃ intemperatureand30~75W /cm inheat flux,whicharedeterminedbytheperformanceoffocusedsolareneryg.Sincethehightemperatureheatpipehasthe advantagesofeffectiveheattransferperfomr anceandidealisothermal prope~y,itwasappliedtothereceivertosolve theproblem ofunevenheatingandlocaltemperatureexceeding.Variousworkingfluidsforthehightemperatureheat pipe,i.e.Li,Na,K,andNa—K,wereinvestigatedintheaspectsoftheirtransmissioncoefficient,thermo—physical prope~y,start—upcharacteristics,andheattransferperfomr ance.Theresultsshowedthatthesuitableworkingfluid forhightemperatureheatpipesofdishsolarreceiversisNa. Keywords:dishsolarreceiver;hightemperatureheatpipe;alkalimetals 按照聚焦体例的分歧,太阳能热发 电可分为 收器是热发电系统中温度最高的部门,它间接接 塔式、槽式和碟式 3品种型。碟式太阳能热发电 收来 自聚光器分布不服均的热量,概况温度梯度 以29.4%的太阳能一电能转换效率正在太阳能热 极大;(2)把领受到的热量 以尽量小的热丧失传 发电的三种聚焦体例中位列最高,其单机容量较 递给热机:将热量以高热流密度,正在高温环境下传 小,为5~25kW,所以系统矫捷性高,可单台供 递给斯特林机换热工质。也就是说,领受器雷同 电,也可多套并联 ¨2J。碟式热发 电系统 由聚光 于聚光器取斯特林机之间一个热量缓冲安拆。参 器、领受器和斯特林机 3部门构成 。领受器是系 考 国外碟式领受器运转数据得出领受器焦平面处 统中的焦点部件 ,其机能对碟式热发电系统有沉 热流密度正在 30~75W/cm 范畴内,加热温度范 要影响。 围为700~850%[。 保守的碟式太阳能领受器是将斯特林机换热 l 碟式太阳能领受器的特点及要求 管进行,构成一个受热面,使太阳能辐射热曲 正在碟式太阳能热发 电系统中,领受器起到两 接加热换热管,取其 内部工质进行换热,这种领受 个感化:(1)领受来 自聚光器的太阳能辐射热:接 器称为间接映照式领受器(DIR)。太阳辐射热的 丁 莉,等 用于碟式太阳能领受器中高温热督工质的选择 0633 特点决定了领受器处热流量和温度分布极不均 匀,领受器正在分歧象限和沿换热管轴 向都有 很大温度梯度。这不只影响了领受器的利用寿 、 lL 、 — 啼 - — 命 ,还导致斯特林策动机输入工质温度分歧,汽缸 之间输入功率不服衡,运转不不变,影响热机机能 — — — —— — — —、 及热发电系统的效率。随后呈现的间接映照式接 ffff ’ IIII 收器正在必然程度上处理了热流及温度分布不服均 的问题 。领受器引入 两头换热介质 (凡是为碱金 一 蒸发段 ~ 一 绝热段 冷凝段 ~ 属工质),工质接收太阳辐射热,正在受热概况处蒸 发,正在热机换热管处冷凝 ,向换热管内工质汽 图 1 高温热督工做道理不 企图 化潜热,冷凝液正在吸液芯毛细抽力和沉力的感化 递几个数量级的热量。这是热管具有高效传热性 下回流到受热处,如斯轮回 。因为此类领受器通 的缘由。热管一般工做时,管 内蒸汽处于饱和状 过碱金属工质相变换热将聚焦后太阳能传送给斯 态,饱和蒸汽从蒸发段流 向冷凝段只发生极小 特林机工质,领受器热流量和温度分布平均,工质 的压差。由Clausuis.Clapeyron方程可知,蒸发 正在热机换热管处冷凝温度恒定,向热机输入平衡 段和冷凝段之间温差亦极小。这是热管具有优 的热流量,系统效率较 DIR有显著提高。但此种 良等温性 的原 因。高温热督工做正在 400~ 领受器充液量较大,瞬态反映时间相对较长一旦 2000℃范畴内,凡是选用钠、钾、锂等碱金属为 泄露,高温工质流出,将影响整个系同一般运转。 工做介质,其常温下凡是为固态 ,故高温热管存 由以上阐发可知碟式领受器亟待处理的问题 正在冷冻启动极限。 为:受热面处热流量和温度分布不服均、运转机能 碟式太阳能热发电聚光 比力高,所 以领受器 不不变、充液量过大惹起瞬态反映时间长及泄露 处热流密度较高,为60W/cm 。Kemme_5试验高 性。针对以上问题将传热元件——热管引入 温热管蒸发段输入热流密度为 105W/cm ,即碟 领受器系统中。热管以其高效传热机能和优 良等 式太阳能领受器焦平面热流密度正在高温热管可承 温机能表现出其他传热元件不具备的长处。文献 受范畴内。 [4]中研制用于碟式太阳能系统中热管领受器, 3 高温热督工质选择的次要要素及阐发 其工做温度 700~1000qC,焦平面热流密度 60 W/cm ,同时满脚受热面处热流量及温度分布均 高温热管的工做机能正在必然程度上决定着碟 匀,运转不变,可向斯特林机供给平衡热流量。 式太阳能领受器的机能。热管次要依托工做液体 的相变传送热量,工做液体的各类性质对热管的 2 高温热管的工做道理 工做机能有主要影响。选用热督工质时一般考虑 满脚领受器运转温度范畴的热管为高温热 以下准绳:(1)工质顺应热督工做温度区域,有合 管。高温热管的工做道理和通俗热管相 同(见图 适的饱和蒸汽压力;(2)工质取壳体、吸液芯相 1) ,热管由管壳、吸液芯和工做液体构成。它 容,具有 优良的热不变性;(3)工质应具有 优良的 是一个密闭空腔简体,内充必然量工质,管内概况 分析热物能,即传输系数;(4)无毒性、环保、 固定着毛细吸液芯,管 内抽成实空。热管一端为 经济性等。 蒸发段 ,另一端为冷凝段 ,可按照 需要安插绝热 连系碟式太阳能领受器的现实环境,从工质 段。热管蒸发段受热,管内工质蒸发汽化,蒸汽正在 传输系数、热物能、启动机能及传热功率角 压差感化向冷凝段汽化潜热后凝结成液 度 ,阐发高温热管常用碱金属工质,得出合用于碟 体,液体靠吸液芯毛细力感化回流到蒸发段,如斯 式太阳能领受器的高温热督工质。 轮回。 3.1 传输系数 热管的导热是依托饱和工质的汽化和凝结换 热管对其工质要求汽化潜热和概况张力大, 热实现的,这种相变换热体例具有很高的传热能 粘度低 ,潮湿机能好,即其传输系数大。按照工质 力,取铜、铝等金属比拟,单元分量的热管可多传 的热物性计较出工做液体的传输系数 0634 凳皋电力 熔合金,取工质钠、钾相 比最大的长处正在于,温度 Ⅳ : (1) f 范畴正在 一12.6~785~C内均为液态 ]。也就是钠 工做液体的传输系数是工质物质的综 钾合金高温热管正在启动过程中没有冷冻启动极 合,液相传输系数越大,其做为高温热督工质的性 限,避免了蒸发段呈现烧干、过热的现象。钠钾合 能就越好。图2为几种常用碱金属工质正在 600~ 金分析机能处于工质钠和钾之间。 1100~C的传输系数。 钾和钠有良多类似之处,钾分析机能略低于 钠,也是高温热管的常用工质。其常用温度范畴 晕 ≥ 为400~1000%。 铷的使用较少,其做为高温热督工质合用于 较低温度。铷热管用于空间坐时其最适温度为 兰 * 400~550~C[1 一 楚 从工质的经济性来讲,钠是价钱最廉价的常 用碱金属工质,钾的价钱是钠的3倍摆布,锂价钱 2 常 碱金属工质液相传输 系数 为钠 的30几倍,金属铷价钱为钠的几百倍。从经 从图2中可知 ,正在所有液态金属工质中,锂具 济上来看,比力合适的工质为钠和钾。 有最好的传输系数,但其做为热督工质的最适宜 3.3 启动机能 温度为 1000~1800 ,取领受器工做温度不符。 因为太阳能具有间歇性,用于碟式太阳能接 钠、钠钾合金和钾工做温度适宜,液相传输系数适 收器的热管具有停机再启动特点,所 以高温热管 的启动机能尤为主要。热管的启动可分成三个阶 中 不常用的工质铷传输系数稍低。 段,形态,过渡形态,持续流动形态,通过 3.2 -眭能阐发 纲因子Kn暗示 对图2中的碱金属工质阐发其特点及热物 性 。锂的密度很小,是最轻的金属,其正在碱金属中 Kn= (2) 传输系数最高,可是正在跨越 730oC时,锂具有很高 Kn1时,蒸汽处于 形态 ;O.OlKn 的侵蚀性,对热管壳体材料的选择提高了要求,需 1时,蒸汽处于过渡形态 ;Kn0.01蒸汽进入 要耐熔金属铌或钼。锂熔点 (180℃)较高,试验 持续流动形态。不考虑蒸汽之间的引力,则 显示工质温度要正在 780~C以上,热管才能够达到 其平均 程可推导如下 持续流动形态。正在锂热管一般工做时,锂均处于 高侵蚀性形态,利用锂做为工质的热管,管壁材料 A : √ (3) 21T P 只能利用耐熔金属。 分析式 (2)、式 (3),可得 正在高温热督工质中,钠是工艺上最成熟的工 质。钠的分析机能仅次于锂 ,较着好于钾、铷等碱 D:K 42 (4) iTOP (r1 金属工质,正在500~1200~2温度范畴内,钠是最适 用迭代法或插值法可求出正在分歧蒸汽腔曲径 宜的_T质,其壳体材料一般利用不锈钢、因康镍合 下钠、钠钾合金和钾的持续流动改变温度 ,如图3 金或哈氏合金。表 1为常用碱金属的物质。 所示。 表 1 常用碱金属工质的物质 从图3中可看出,持续流动改变温度随蒸汽 密度/kg·m 饱和蒸汽压力 熔点/℃ 汽化潜热/kJ·kg 日 畅通曲径的添加而减小。试验显示,让热管蒸发 7oo℃p 1O00~CP,/IOPa £大气压下 ^ 大气压下 段温度低于改变温度时,热管不运转。所以,恰当 提高蒸汽畅通曲径,有益于高温热管的启动。碟 式太阳能系统领受器运转温度正在 700—1O00~C范 围内,正在充液量适宜,吸液芯热负荷等合适要求的 环境下,以钠、钠钾合金或钾为工质的高温热管接 钠钾合金(NaK一78)即78%钾和 22%钠 的共 收器启动后可成功进入持续流动形态,持续加热, 丁 莉,等 用于碟式太阳能领受器中高温热督工质的选择 0635 划 图3 不 l司蒸汽畅通曲径 F改变温度 图4 液态金属热管传热功率 比力 热管可一般启动 。 高、传热功率最抱负且价钱最经济成为首选,其次 高温热管所选用的工质合用温度上限受制于 是常温形态下为液态的工质钠钾合金,再次为工 响应的饱和蒸汽压力,压力对热管的强度要求具 质钾。正在碟式太阳能领受器中利用高温热管,建 有决定性影响。由表 1中可知,热管运转温度上 议工质利用钠。 限 1O00~C时,工质钠、钠钾合金和钾的饱和蒸汽 参考文献 : 压力别离为 0.27Mpa、0.56Mpa和 0.64Mpa。 ]二lJ ] J ] ] J ] { TAUMOEFOLAU T,PAITOONSURIKARN S,HUGHES G. 壳体材料选用不锈钢、因康镍合金或者哈氏合金 ExperimentalInvestigation ofNaturalConvectionHeatLoss 完成能够承受这种 内压 。 FromaModelSolarConcentratorCavityReceiver[J].Journal 3.4 传热功率 ofSolarEngineering,2004,5(126):801—807. 小型成套碟式斯特林热发电系统功率一般正在 MANCINIT,HELLERP,BUTLER B.Dish—StirlingSystems: 5—25kW 范畴内¨ 。热管领受器总功率是 由组 AnoverviewofDevelopmentandStatus[J].JournalofSolar 成领受器的热管单位传热功率相加获得,热管传 Eneryg Engineering,2003,5(125):135—151. BIENERTW B.TheHeatPipeanditsApplicationtoSolar 热功率对碟式斯特林发电系统有主要影响。 Receivers[J].ElectricPowerSystemsReserach,1980,3: 文献 [5]对钠、钠钾合金、钾三种碱金属工质 l11123. 热管正在不异测试安拆长进行极限功率丈量。加热 许 辉 ,张 红,白 檀.高温热管太阳能领受器热管单 系统最大输 出热功率约为75kW,三根试验热管 元设想阐发[A].第十一届全国热管会论说文集 [C].威 规格尺寸不异,外径 51mill,全长 2.9m,内部吸 海 :457-462. 庄 骏,张 红.热管手艺及其工程使用[M]:化学 液芯为两层丝网,充液量不异。 工业 出书社 ,2000. 按照试验数据 J,得出三种分歧液态金属工 冯踏青.液态金属高温热管的理论和试验研究 [D].杭 质热管传输功率特征。如图4所示,随热管内饱 州 :浙江大学 ,1998. 和蒸汽温度的增高,传热功率增大,正在不异温度 JEAN—MICHELT,MOHAMED E1一Genk.RadiatorHeatPipe 下,钠热管传输功率最大,其次为钾热管,再次为 withCrabon-CarbonFinsandArmorforSpaceNuclera Reactor PowerSystems[R].AIPConf.Proc.2005,2(746):935-945. 钠钾合金热管。管内蒸汽温度 600%以上时,钠 CAO Y,FAGHRIA. Closed —Form AnalyticalSolutionsof 热管传热功率显著提高,为钾热管、钠钾合金热管 High—TemperatureHeatPipe StartupandFrozenStartupLimita— 的数倍 。 tion[J].JournalofHeatTransfer,1992,11(114):1028—1035. 正在碟式太阳能领受器运转温度700~1O00~C FAGHRIA,BUCHKOM,CAO Y.A StudyofHighTempera— 范畴内,以钠、钾或钠钾合金为工质的高温热管传 tureHeatPipesWithMultipleHeatSourcesand Sinks:Part 热功率合适碟式斯特林热发电系统要求。通过热 I-- Experimental Methodology and Frozen Startup Profiles [J_.JournalofHeatTransfer,1991,11(113):1003—1009. 管单位的多体例组合,热管领受器外型和总传热 STRACHANJW ,DIVERRB,ESTRADA C.Dish/Stirling: 功率可 自行调理 ,取斯特林发 电机相婚配。 Overview onEmergingCommercialSolarThermalElectric Technoloyg[R].SAND-95-2355C,NewMexico:SandiaNa. 4 结论 tionalLaboratories,1995. 钠、钠钾合金和钾均可做为高温热督工质应 收稿日期:2009-02—13 用于太阳能热管领受器 中,钠 以液相传输系数最 本文编纂:杨林青