[发明专利]热管式真空管聚光集热系统一维传热数学模型及其应用

权利要求书

1.热管式真空管聚光集热系统一维传热数学模型的应用，其特征在于，

利用热管式真空管聚光集热系统一维传热数学模型分析传热流体入口温度、速度、太阳直射辐射强度、环境温度和风速对集热系统热效率和效率的影响；预测热管内工质的温度，确定系统运行时传热流体的入口温度和流速的合理取值范围；

其中，热管式真空管聚光集热系统一维传热数学模型，包括如下建立步骤：

(A-1)判断蒸发段传热机理；

(A-2)建立能量平衡方程；

(A-3)建立光学模型；

(A-4)建立蒸发段传热模型；

(A-5)建立冷凝段传热模型；

(A-6)建立热效率和效率模型；

在步骤(A-1)中，蒸发段液膜传热机理的判断引入无量纲参数X_lf：

气泡尺度：

液膜局部Re_x：

当X_lf≤10⁹时为层流膜状蒸发，当10⁹≤X_lf≤2.7×10¹⁰时为混合对流，当X_lf≥2.7×10¹⁰时为核态沸腾；

蒸发段液池传热机理的判断引入无量纲参数X_lp：

瑞利数：

混合系数：

当X_lp≤10⁶时为自然对流，当10⁶≤X_lp≤2×10⁷时为混合对流，X_lp≥2×10⁷时为核态沸腾；

膨胀后的液池长度可采用下面公式计算如下：

汽泡漂移速度：

液池中工质存量的静态长度L_lp-sta-inv的计算公式(9)如下：

L_lp,sta,inv＝L_lp,sta,inf-L_lp,e,con-L_lp,ad,con-L_lp,c,con (9)；

蒸发段液膜和蒸汽折算的静态高度计算公式如下：

绝热段液膜和蒸汽折算的静态高度计算公式如下：

冷凝段液膜和蒸汽折算的静态高度计算公式如下：

绝热段的液膜厚度和蒸发段液池表面的液膜厚度采用Nusselt理论计算，计算公式如下：

在步骤(A-2)中，系统能量平衡方程如下：

Q_abs＝Q_s,3e+Q_s,5 (15)；

Q_s,3e＝Q_3e,2e+Q_3e,4conv+Q_3e,4rad (16)；

Q_3e,4conv+Q_3e,4rad＝Q_4,5cond (17)；

Q_4,5cond+Q_s,5＝Q_5,6conv+Q_5,7rad (18)；

Q_3e,2e＝Q_2e,1＝Q_1,2c＝Q_2c,3c＝Q_3c,f (19)；

Q_abs为太阳有效入射能，Q_s,3e为金属管外壁面选择性吸收涂层吸收的热量，Q_s,5为玻璃套管直接吸收的太阳辐射能；Q_3e,2e为金属管外壁面以导热方式传递给内壁面的热量，Q_3e,4rad为金属管外壁面以热辐射方式传递给玻璃套管内壁面的热量，Q_3e,4conv为金属管外壁面以对流换热方式传递给玻璃套管内壁面的热量；Q_4,5cond为玻璃套管内壁面以导热方式传递给外壁面的热量，Q_5,6conv为玻璃套管外壁面向周围环境的对流散热损失，Q_5,7rad为玻璃套管外壁面向周围环境的辐射散热损失，Q_loss＝Q_5,6conv+Q_5,7rad，Q_loss为接收器热损失，Q_2e,1为蒸发段金属管内壁面传热给热管工质的热量，Q_1,2c为热管工质传递给冷凝段金属管内壁面的热量，Q_2c,3c为冷凝段金属管内壁面以导热方式传递给外壁面的热量，Q_3c,f为传热流体吸收的热量；

太阳有效入射能Q_abs分别被金属管外壁面的选择性吸收涂层Q_s,3e和玻璃套管Q_s,5吸收；选择性吸收涂层吸收的热量分为两部分，一部分通过导热传递给内壁面Q_3e,2e；另一部分通过热辐射Q_3e,4rad和对流换热Q_3e,4conv的方式传递给玻璃套管内壁面；然后，这部分热量通过导热传递到玻璃套管外壁面Q_4,5cond，再加上玻璃套管直接吸收的太阳辐射能Q_s,5就是玻璃套管向环境散失的热量，也就是热损失Q_loss，热损失Q_loss包括对流散热损失Q_5,6conv和辐射散热损失Q_5,7rad；有用能通过金属管内壁面传递给热管工质Q_2e,1，使工质蒸发流向冷凝段，在冷凝段以膜状凝结的方式传递给冷凝段内壁面Q_1,2c，通过导热到冷凝段外壁面Q_2c,3c，最后以对流换热方式被传热流体吸收Q_3c,f,也就是有用能；

在步骤(A-3)中：

集热系统可以利用的太阳能Q_s就是太阳照射到聚光器采光面上的那部分能量，等于聚光器的开口面积乘以太阳直射辐照强度，聚光器的开口面积A_a＝L_aW_a：

Q_s＝I_dirL_aW_a (20)；

由于聚光器的光学损失，到达接收器的能量要小于聚光器接收到的太阳辐射能，到达接收器的太阳辐射能为：

Q_abs＝Q_sη_opt (21)；

聚光器的光学性能受到多种因素的影响，除了聚光器的反射率外，还要受到系统结构、加工条件、测试条件等多方面的影响；聚光器光学效率的计算公式为：

η_opt＝ξ₁ξ₂ξ₃ξ₄ξ₅ξ₆ρ_clK (22)；

ξ₁为阴影系数，ξ₂为跟踪误差，ξ₃为几何误差，ξ₄为聚光器污垢系数，ξ₅为集热器污垢系数，ξ₆为不可预见因素系数，ρ_cl为聚光器反射率；

太阳入射角修正系数K是太阳入射角θ的函数，可用下面的计算公式；

在步骤(A-4)中：

金属管外壁面选择性吸收涂层吸收的太阳辐射热能为：

Q_s,3e＝Q_absτ_covα_coa (24)；

玻璃套管吸收的太阳辐射热能为：Q_s,5＝Q_absα_env (25)；

金属管外壁面吸收的太阳辐射热能通过导热传递给内壁面的热量为：

金属管材料的导热系数λ₂₃为金属管内外壁平均温度T₂₃＝(T₂+T₃)/2时的导热系数；

金属管内壁面传递给工质的热量为：

Q_2e,1＝πD₂(L_e,lfh_2e,1,lf+L_e,lph_2e,1,lp)(T_2e-T₁) (27)；

蒸发段液膜传热属于核态沸腾传热时，传热系数计算公式如下；

粘性系数：

蒸发段液池传热在混合对流传热和核态沸腾传热范围内时：混合对流传热系数的计算公式如下：

当Bo≤10时，n＝0.5；当Bo＞10时，n＝1/6；

Archimid数：

Froude数：

Bond数：

核态沸腾液池传热系数可用下面公式计算：

金属管外壁面选择性吸收涂层通过红外辐射传递给玻璃套管内壁面的热量Q_3e,4rad为：

玻璃套管内壁通过导热将热量传递给玻璃套管外壁面，计算公式为：

玻璃套管外壁面与环境间的对流换热量为：

Q_5,6conv＝πD₅L_eh₅₆(T₅-T₆) (37)；

对流换热系数h₅₆与环境风速大小有关；无风时，玻璃套管外壁面与环境空气之间换热是自然对流换热：

瑞利数Ra₅的计算公式为：

有风时，玻璃套管与周围空气的对流换热属于强制对流换热：

其中，Re₅＝1000～200000时，C＝0.26，m＝0.6；Pr₆≤10时，n＝0.37；

玻璃套管外壁面向天空的辐射换热量Q_5,7rad为：

在晴朗天气下，天空有效温度T₇的计算公式为：

在步骤(A-5)中：

热管冷凝段，工质通过膜状凝结方式传递给冷凝段内壁的热量Q_1,2c为：

Q_1,2c＝πD₂L_ch_1,2c(T₁-T_2c) (43)；

膜状凝结换热系数的计算公式为：

冷凝段金属管内壁面通过导热传向外壁面的热量为：

冷凝段金属管外壁通过对流换热传递给冷却夹套内传热流体的热量Q_3c,HTF为：

Q_3c,f＝πD₃L_ch_3c,f(T_3c-T_f) (46)；

冷却夹套内传热流体的流动属于环形套管内入口区域湍流流动，此时传热系数可由如下Gnielinski公式(47)确定：

在步骤(A-6)中：

集热系统热效率定义为接收器内传热流体吸收的热量与入射到聚光器采光面积上的总太阳直射辐射能之比，即：

集热系统效率定义为接收器内传热流体热增量与太阳输入集热系统的总之比，计算公式为：

太阳总输入可采用Petela模型计算，该模型中，太阳表面温度T_s设定为5770K，太阳总输入为：

接收器内传热流体的热增量计算公式为：

公式中Δp为传热流体进出口压力差；

光学损失的计算公式为：

E_loss,opt＝(1-η_opt)E_s (53)；

热损失的计算公式为：

总的损失为：

E_loss＝E_loss,opt+E_loss,th (55)；

太阳和接收器之间的损耗计算公式为：

接收器和流体之间的损耗计算公式为：

总的损耗为：

E_d＝E_d,s-r+E_d,r-f (58)；

热管式真空管聚光集热系统一维传热数学模型的计算过程包括如下：

步骤(B-1)：收集得到太阳直射辐照强度I_dir、环境温度T₆、冷却水入口温度T_in、冷却水流速u_f和风速u_wind；

步骤(B-2)：根据经验假定蒸发段金属管内壁面温度T_2e、冷凝段金属管内壁面温度T_2c、蒸发段金属管外壁面温度T_3e、冷凝段金属管外壁面温度T_3c、玻璃套管内壁面温度T₄、玻璃套管外壁面温度T₅、出口温度T_out和热管工质温度T₁的值；

步骤(B-3)：根据步骤(B-2)已假定的数值，按照热管式真空管聚光集热系统一维传热数学模型计算热管内工质、传热流体和固体壁面的物性参数；

步骤(B-4)：根据步骤(B-3)计算得到的物性参数，计算Q_s,3e、Q_u、Q_3c,f、Q_2c,3c和Q_1,2c；

步骤(B-5)：假定蒸发段液膜长度L_f的值，计算得到Q_2e,1；

步骤(B-6)：判断|L_e-(L_f+L_p)|≤0.0001这一不等式是否成立；

步骤(B-7)：若步骤(B-6)中不等式成立，则继续计算得到Q_3e,2e、Q_3,4rad、Q_4,5cond、Q_s,5、Q_5,6conv和Q_5,7rad；若步骤(B-6)中不等式不成立，则返回步骤(B-5)，重新假定蒸发段液膜长度L_f的值，直至步骤(B-6)中不等式成立，计算得到Q_3e,2e、Q_3,4rad、Q_4,5cond、Q_s,5、Q_5,6conv和Q_5,7rad；

步骤(B-8)：判断能量平衡方程是否成立；

步骤(B-9)：若能量平衡方程成立，则计算η_th和η_ex；若能量平衡方程不成立，则返回步骤(B-2)，重复步骤(B-2)至步骤(B-8)，直至能量平衡方程成立，最后计算得到η_th和η_ex。