第17卷第3期航空動(dòng)力學(xué)報(bào)Vol 17 No. 32002年7月Journal of Aerospace PowerJuly 2002文章編號(hào):1000-8055(2002)03-0332-04太陽能熱動(dòng)力系統(tǒng)吸熱/蓄熱器能量分析侯欣賓,袁修干,崔海亭(北京航空航天大學(xué)飛行器與應(yīng)用力學(xué)系,北京100083)摘要:空間太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)是一種新型的空間電力系統(tǒng)。吸熱/蓄熱器是熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵部件之吸熱/蓄熱器采用的蓄熱方式是相變蓄熱。通過對(duì)吸熱/蓄熱器的能量分析,可以很好的了解吸熱器的能量傳遞,以及相變材料的工作過程。建立了太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)吸熱器腔體輻射模型,結(jié)合換熱管的傳熱模型計(jì)算了吸熱器的傳熱過程。得到了吸熱器的能量損失、工質(zhì)吸收能量、PCM的澘熱儲(chǔ)能和顯熱儲(chǔ)能等重要指標(biāo),并且得到了換熱管最大溫度,工質(zhì)出口溫度等重要結(jié)果。計(jì)算結(jié)果可以用于吸熱器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵詞:熱分析;相變蓄熱;太陽能熱動(dòng)力發(fā)電;吸熱器中圖分類號(hào):TK513.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AThe energy Analysis in Heat Receiver CavityHOU Xin-bin, YUAN Xiu-gan, CUI Hai-tingBeijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China)Abstract Solar Dynamic Power System is to be the space energy system in the future.he heat receiver is one of the SDPS key parts. Phase change thermal storage is used in heatreceiver. The energy analysis can be used to understand the energy transfer in heat receiverand the thermal storage in PCM. The heat receiver cavity radiation mathematical model andthe gas tube heat model were established. Heat loss, energy absorbed by gas, the latentsensible thermal storage in PCM, tube maximum temperature, gas exit temperature and licPCM fraction were calculated. The results were analysed and could be used in heat receiverdesigningKey words: thermal analysis; phase change thermal storage; solar dynamic powert receive前言力發(fā)電系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)是效率高、比質(zhì)量小、面積小、壽命長。對(duì)于低地軌道運(yùn)行、電能需求大的航1995年2月17日,世界上第一套空間太陽天器,可以大幅降低運(yùn)行成本2。能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)2kW地面樣機(jī)在美國NASA吸熱/蓄熱器是空間太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)Lewis研究中心成功實(shí)現(xiàn)了2kW電力輸出,標(biāo)四大關(guān)鍵部件之一。其主要功能是吸收太陽能反志著這一重要的空間電力技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的階大陽能甘傳遞給循環(huán)工質(zhì)驅(qū)動(dòng)熱段。與太陽能光伏系統(tǒng)(PV)相比,太陽能熱動(dòng)中國煤化工系統(tǒng)的陰影期連續(xù)正常CNMHG收稿日期:2001-06-21;修訂日期基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(59876003)作者簡介:侯欣賓(1973-),男,山西定襄人,北京航空航天大學(xué)飛行器與應(yīng)用力學(xué)系博士生航空動(dòng)力學(xué)報(bào)第17卷運(yùn)行,采用高溫相變材料(PCM)儲(chǔ)存部分能量用角系數(shù),ε為各內(nèi)腔單元輻射率于陰影期工質(zhì)的需求。殼體損失為:2吸熱器結(jié)構(gòu)Abell= C,Q式中:C,為殼體損失與入射窗損失之比。根據(jù)試圖1表示了一個(gè)圓柱腔形吸熱器。循環(huán)工質(zhì)驗(yàn)得到。導(dǎo)管上套裝著多個(gè)分離的PCM容器,高溫相變3.2吸熱器輻射模型材料封裝在容器內(nèi)。假設(shè)吸熱腔各換熱管熱流相同,吸熱腔簡化為圖2所示的輻射計(jì)算模型,換熱管由24個(gè)容器PCM/Working fluidtubes組成。這樣吸熱腔劃分為27個(gè)輻射表面。底板Outlet duct入射窗擋板、入射窗分別為一個(gè)表面,24個(gè)容器環(huán)對(duì)應(yīng)24個(gè)表面i=0i=l-24Aperture shield圖1吸熱/蓄熱器結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Heat receiverCanister annulus目前對(duì)于吸熱器的熱分析較多的集中在容器的傳熱分析上3:4。吸熱器整體分析方面,文獻(xiàn)[5]介紹了吸熱器計(jì)算程序 SOLREO-TSD各計(jì)算模圖2吸熱腔輻射模型塊,并沒有給岀計(jì)算的詳細(xì)模型。文獻(xiàn)[6計(jì)算了Fig. 2 The radiation model of heat receiver cavity換熱管傳熱。本文考慮了吸熱腔輻射模型和換熱圖2所示輻射模型中入射窗看作為黑體,其管傳熱模型,對(duì)吸熱器的能量傳遞進(jìn)行了分析,并余部分可看作為漫射灰體。根據(jù)漫射灰體表面的且得到了軌道周期內(nèi)換熱管最大溫度、工質(zhì)出囗輻射理論漫射灰體表面有效輻射計(jì)算方程為溫度、PCM熔化率等主要參數(shù)的變化。)>F6)3吸熱器傳熱模型式中:E為表面黑度。方程組(4)可以通過 Gauss3.1吸熱腔能量平衡消元法求解。各角系數(shù)的計(jì)算參考文獻(xiàn)[8]根據(jù)能量平衡,入射能量等于吸熱腔吸收熱解得各表面有效輻射后,可以通過下式求解量加入射窗輻射損失和殼體損失,即各表面的凈輻射熱流。吸熱腔吸收能量包括傳遞給工質(zhì)的能量和換(7)熱管吸收的能量T4一FQ=Qs+Q塭答往拉堵刑換熱管吸收能量包括顯熱儲(chǔ)熱和PCM潛熱中國煤化工儲(chǔ)熱CNMHG,可以簡化為圖3所示的山楔坐?！剐葑C⊥質(zhì)的流速需要,換熱管采Qbs=Qen+Q用了中央封堵的結(jié)構(gòu),工質(zhì)在環(huán)形工質(zhì)通道中流入射窗輻射損失為:動(dòng)。PCM單元套裝在換熱管外,單元之間采用絕Q=σAF-(T-T)(4)熱墊片,減小容器間的相互影響提高系統(tǒng)的可靠式中:A為各內(nèi)腔單元面積;a為輻射常數(shù);F為性第3期侯欣賓等:太陽能熱動(dòng)力系統(tǒng)吸熱/蓄熱器能量分析換熱管的傳熱計(jì)算采用了焓法模型。三維柱工質(zhì)流量為6.7g/s。坐標(biāo)下,焓法形式的能量方程為內(nèi)壁換熱系數(shù)為400W/m2·K。a(phar d7系統(tǒng)初始溫度為800K。at2r2a0 a計(jì)算采用顯式求解,時(shí)間步長取0.025s。(8)每個(gè)時(shí)間步,腔體輻射計(jì)算與換熱管計(jì)算互溫度和焓通過下面的方程耦合為邊界條件進(jìn)行求解h4計(jì)算結(jié)果固相PCM0≤h≤△H糊相PCM本文從初始條件計(jì)算了10個(gè)軌道周期。下面各圖對(duì)應(yīng)4,5,6,7軌道周期的計(jì)算結(jié)果h-△Hh>△Hn液相PCM圖4為吸熱腔的能量平衡。輸入能量Qn分為三部分:腔體損失Q灬、工質(zhì)吸收Q、換熱管吸容器及工質(zhì)壁收Q。吸熱腔的能量損失在2~2.5kW之間變(9)化,平均為2.25kW,約為入射能量的15%。其中式中:h為比焓;△Hlm為相變潛熱;p為密度;c為日照期的能量損失明顯高于陰影期損失。這是由比熱容;下標(biāo)m,,s和w分別表示熔化點(diǎn)、液相、于日照期容器表面的溫度高,所以熱損失也比較固相和容器壁。大。根據(jù)計(jì)算可以看出工質(zhì)吸收能量在陰影期也可以維持7.85kW,充分表現(xiàn)了相變材料的蓄熱k=1~24性能。在日照期末則可以達(dá)到10kW,是因?yàn)閾Q熱±+管的溫度已經(jīng)超過了PCM熔化溫度。換熱管吸收能量在日照期為正,陰影期為負(fù),向工質(zhì)放熱PCM導(dǎo)管封堵區(qū) No flow region圖3換熱管簡化模型Fig 3 Schematic of PCM tube configuration換熱管傳熱采用有限差分法計(jì)算。換熱管劃Orbit分為12×10×24(0,r,z)個(gè)網(wǎng)格(如圖3所示)。計(jì)算忽略了固液相變的密度差,不考慮空穴的影響PCM區(qū)忽略容器側(cè)壁的熱容,導(dǎo)熱系數(shù)采用圖4吸熱器能量平衡PCM和容器側(cè)壁的復(fù)合導(dǎo)熱系數(shù)。Fig 4 Heat receiver energy balance圖5表示了換熱管的能量平衡。其中Q是3.4計(jì)算條件圖4計(jì)算得到的吸熱腔損失、工質(zhì)吸熱以及換熱PCM采用80.5LF-19.5CaF2,熔點(diǎn)1040K管儲(chǔ)熱之和,結(jié)果與圖4所示的輸入能量十分接容器和工質(zhì)導(dǎo)管材料采用鈷基合金 Haynes188近。換熱管的儲(chǔ)熱分為兩部分:顯熱儲(chǔ)熱Q和潛氣體工質(zhì)采用摩爾質(zhì)量83.8的HeXe混合氣體。材料的物性參數(shù)和吸熱器幾何尺寸參見文獻(xiàn)V凵中國煤化工照器的前半段,潛熱儲(chǔ)CNMHG者熱逐漸減小,顯熱儲(chǔ)熱[2]。其它計(jì)算條件如下增加,說明部分PCM溫度開始超過熔化溫度,進(jìn)空間熱沉溫度取200K。入顯熱蓄熱。在陰影期開始,顯熱能量減小很快入射能量為15.1kW換熱管溫度迅速降到接近PCM熔化溫度。而澘日照周期66min,陰影期27min熱能量逐漸成為主要的熱源,一直到陰影期末。通工質(zhì)入口溫度為838K過換熱管的能量平衡分析可以看岀潛熱儲(chǔ)熱起到航空動(dòng)力學(xué)報(bào)第17卷了較好的作用,但是仍有較大部分旳顯熱變化,會(huì)根換熱管不可能實(shí)現(xiàn)PCM的完全熔化和凝固。造成工質(zhì)出口溫度的較大變化這一結(jié)果與文獻(xiàn)[3,4]中對(duì)單個(gè)容器的熱分析結(jié)果不同。主要由于換熱管各容器對(duì)應(yīng)的邊界條件不同,造成部分容器單元在日照期不完全熔化,而部分容器單元在陰影期不完全凝固。只有PCM熔化率的變化范圍才可以反應(yīng)PCM的利用率。本文建立了吸熱/蓄熱器腔的輻射模型,結(jié)合換熱管的傳熱模型,計(jì)算了吸熱腔的能量平衡和換熱管的能量平衡得到了吸熱腔能量損失、工質(zhì)吸收能量、換熱管顯熱儲(chǔ)熱、換熱管潛熱儲(chǔ)熱,以及換熱管最大溫度、工質(zhì)出口溫度、PCM熔化率圖5換熱管能量平衡等重要結(jié)果。得到如下結(jié)論:Fig 5 Fluid tube energy balance(1)PCM起到了較好的蓄熱效果,基本可以圖6為換熱管的最大溫度和工質(zhì)出口溫度變保證系統(tǒng)在陰影期的要求化。換熱管最大溫度變化范圍在1040~1130K之2)吸熱腔的熱損失約為入射能量的15%。間,變化幅度為90K,對(duì)于換熱管的應(yīng)力會(huì)有不(3)換熱管的設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步改進(jìn),以進(jìn)良的影響。工質(zhì)出口溫度為1040~1105K,在陰步增加PCM的利用率減小工質(zhì)出囗溫度變化,影期基本可以達(dá)到PCM的熔化溫度1040K,充減小系統(tǒng)質(zhì)量分顯示了PM的蓄熱效果。但是在日照期有較參考文獻(xiàn)大的波動(dòng),不利于系統(tǒng)工作[1 Dennis Alexander, 2 k We Solar Dynamic Ground TesDemonstration Project[R]. NASA-CR-198423, 199[2 Solar Dynamic Power Systerfor spaceStation Freedom[R]. NASA-RP-1310, N94-12807L100[3 Thomas Kerslake, Pavel Sokolov, Mounir Ibrahim.omputational Fluid Dynamics and Heat TransferModeling of Thermal Energy Storage Canisters for SpaceApplications[R]. A98-16802,1998.L4 Hou Xinbin, Xing Yuming, Yang Chunxin, Yuan XiuganThree-Dimensiona圖6最大溫度和出囗溫度Thermal Energy Storage Canister [J] Journal of ThermalFig 6 Maximum and exit temperatureScience,2001,10(1):52-5and Containment Canister Life Prediction for a BraytonEngine Solar Receiver for Space Station [J]. TransASME,J. Solar Energy Engineering, 1994, 116:142147[6 Carsie A Hall, Glakpe E K, Cannon J N, Kerslake TThermodynamic Analysis of Space Solar Dynamic Heat中國煤化工 hangeJ. Solar121:133-14OrbitTHCNMHG計(jì)算M1北京:清華大學(xué)出版圖7PCM熔化率社,1988Fig 7 PCM melt fraction8楊賢榮,馬慶芳,原庚新.輻射換熱角系數(shù)手冊(cè)[M].北京圖7為換熱管PCM的熔化率變化。計(jì)算得國防工業(yè)出版社,1982到的熔化率在0.24~0.68之間變化。說明對(duì)于整(責(zé)任編輯吳一黃