一种多孔介质太阳能吸热器传热研究
2010年
第3期
能源研究与利用
研究与探讨基于高温空气Brayton循环的太阳能热发电具有热力循环温度高、发电效率高和节水等优点，被认为是太阳能热发电的有效途径之一，具有非常好的应用前景。其中吸热器是完成光热能源转换的关键设备，太阳辐射被聚集到金属或非金属材质的吸热体表面，将其加热，空气流过该表面时即被吸热体加热，空气出口温度可以高至800~1000℃[1~2]。近年国内外对吸热器强化传热、传热材料等竞相开展研究和开发[2~7]。由于太阳能聚光能流密度高并具有不均匀性和不稳定性的特点，造成了吸热体材料热应力破坏、空气流动稳定性差以及可靠性不高，这是制约Brayton循环太阳能热发电技术商业化应用进程的主要瓶颈。碳化硅陶瓷材料的导热系数大、强度高、热膨胀系数低、抗热冲击能力强并且抗高温氧化性能优异，将其制成具有三维网络状结构特征的多孔介质材料，有利于强制对流热交换。将高性能泡沫碳化硅陶瓷用于太阳能高温空气吸热器的研制，有望提高现有吸热器技术性能，推动太阳能热空气发电技术的商用化进程。用于太阳能高温空气吸热器的碳化硅陶瓷材料见图1。[8~9]
图1多孔介质太阳能吸热器材料本文建立碳化硅泡沫陶瓷空气吸热器的传热传质模型，利用已有的吸热器传热体积对流换热系数模型，采用数值方法求解吸热器温度场，并研究结构参数与运行参数对吸热器温度场分布的影响。
1传热模型多孔陶瓷吸热器的吸热表面接受太阳的辐射能量，通过导热形式在固体骨架间向内部传递，而空气穿过多孔介质时，与多孔介质发生强制对流换热，空气被加热，温度上升，同时降低多孔介质固体骨架温度，保护了吸热器的安全性，其传热传质过程见图2。多孔陶瓷高温空气吸热器的温度场和流场可以简化为某一个纵截面二维模型，下面建立多孔介质中的传热传质相关数学模型。
一种多孔介质太阳能吸热器传热研究许昌1，2,刘德有1,郑源1,张德虎1,吕剑虹3
(1.河海大学,南京210098；2.爱荷华大学,美国爱荷华州爱荷华城52246；3.东南大学,南京210096)
摘要：为了研究塔式太阳能多孔介质吸热器的传热传质特性，建立吸热器稳态传热模型，选择适合多孔介质太阳能吸热器的体积对流换热系数模型，采用数值方法求解，并分别分析孔隙密度、孔隙率和入口空气速度对温度场的影响。文中技术可以为同类型太阳能吸热器的设计和改造提供参考。关键词：太阳能塔式发电；吸热器；多孔介质；稳态数值研究Abstract:Inordertoinvestigatetheheattransfercharacteristicsofaporousmediasolarpowertowerplantreceiver,thispaperproposesthemassandheattransfermodelsintheporousmediaso－larreceiver,choosesthepreferablevolumeconvectionheattransfercoefficientmodel,solvestheseequationsbythenumericalmethod,andanalyzesthetypicalinfluencesofthecelldensity,porosity,airinletvelocityonthetemperaturedistribution.Thepapercanprovideareferenceforthistypeofreceiverdesignandreconstruction.Keywords:solarpowertowerplant；receiver；porousmedia；steadynumericalinvestigation中图分类号：TK531文献标志码：A文章编号：1001-5523（2010）03-01-04
1··2010年
第3期
能源研究与利用
图2多孔陶瓷太阳能空气吸热器传热传质示意图1.1质量方程（ρfV軑）=0(1)
其中，ρf为流体密度。1.2动量方程动量方程采用Brinkman-ForchheimerExtended
Darcy方程[10～11]：ρfε（V軑·V軑）=-p+μeff2V軑-（μfk+ρfFεk姨
V軑）V
軑(2)
式中μeff为流体的有效动力粘性，k为多孔介质的滲透率，F为Brinkman项修正系数，ε为多孔介质孔隙率。动量方程相应的边界条件为：x=0:u=u0,ν=0
x=l:坠u坠x=坠u坠y=坠ν坠x坠ν坠y============0l为吸热器多孔介质的厚度。1.3能量方程为了分别计算固体骨架和流过空气的温度，能量方程采用基于非局部热平衡的双方程模型，即分别建立气相和固相的能量方程[10~12]：气相能量方程为：
（cfρfTfV軑）=λf,eff2Tf+hν（Ts-Tf）(3)
固相能量方程为：λf,eff2Ts-hν（Ts-Tf）=0(4)式中λf,eff为流体的有效导热系数，λf,eff=ελf；λf为流体的导热系数；λs,eff为固体的有效导热系数,λs,eff=(1-ε)
λs；λs为固体骨架的导热系数；hν为流体与多孔介质
骨架间的体积对流换热系数，可以由下列关系式确定：hν=hsfαsf(5)
式中，hsf为多孔介质内流体和固体骨架的表面换热系数，αsf为多孔介质的比面。在多孔介质传热计算中hsf和αsf模型对计算可靠性非常重要，目前学者们提出了不同的模型，主要有Hwang&Alazmi模型[13~14]、Achenbach模型[15]、Dixon&Cresswell模型[16]、D.Amiri&Vafai模型[17~18]。不同模型各自有适用范围，其计算结果差别非常大。针对太阳能多孔介质吸热器，文献[8~9，19]提出基于孔隙密度等参数的容积换热系数模型：
Nu=hsfdhλf(6)Nu=4.8nPPI-1.1Re0.62(7)Re=u0dhμε(8)
dh=(1-ε)4s23π姨(9)s=0.02541.5nPPI(10)αsf=35.7nPPI1.1461(11)式中，nPPI为多孔介质的孔隙密度，通常用1英寸长度的孔隙数表示；s为孔隙直径；dh为水力直径。
文献[9]提出的模型与文献[8]实验测量数据对比见图3，可见模型数值与实验测量结果非常接近。在计算中，物性参数选择恒定，分别为：nPPI=20PPI，ε=0.76，空气的比热cf=1180J/kg·k，固体骨架的比热cs=1300J/kg·k，空气的密度ρf=1.255kg/m3，固体骨架的密度ρs=3100kg/m3，空气的导热系数λf=0.0259W/m·K，固体骨架的导热系数λs=100W/m·K，空气动力黏度μf=1.8199×10-5Pa·s,空气的普朗特数Pr=0.6536。能量方程的边界条件为：
Δ许昌等，一种多孔介质太阳能吸热器传热研究研究与探讨ΔΔΔΔ图3容积对流换热系数模型与实验数据的比较ΔΔ2··2010年
第3期
能源研究与利用
x=0:Tf=Const,qw=-λs,eff坠Ts坠x-λf,eff
坠Tf坠xx=l:坠Tf坠x=0,坠Ts坠x=0,坠Tf坠y=0,坠Ts坠y=0qw为表面热流密度。2结果分析2.1孔隙密度对温度场的影响图4给出吸热器厚度为20mm，表面热流密度为1MW/m2，入口空气流速为1m/s，孔隙率为0.6时，吸热器在五种不同孔隙密度下的温度分布曲线。可以看出，在不同孔隙密度时，固体骨架温度沿着厚度方向不断降低，温度梯度逐渐降低，吸热表面温度在整个吸热体中为最高；在同一位置处，随着孔隙密度的降低，固体骨架温度升高，当孔隙密度为10PPI时，吸热面固体骨架温度高至1304℃，当孔隙率为50PPI时，吸热表面固体骨架温度只有991℃；空气温度沿着吸热器厚度方向不断升高，而温度梯度逐渐减小，在出口处都达到706℃，而同一位置的空气温度随着孔隙密度的降低而减小，并且为非线性变化；在同一位置处，孔隙密度越大，固体骨架和流过的空气间的温差越小，这主要是孔隙密度越大，体积对流换热系数小的缘故。图4不同孔隙密度下的温度曲线2.2孔隙率对温度场的影响图5给出吸热器厚度为20mm，表面热流密度为1MW/m2，入口空气流速为1m/s，孔隙密度为20PPI时，吸热器在五种不同孔隙率下的温度分布。可以看出，在不同孔隙率时，固体骨架温度沿着厚度方向不断降低，温度梯度逐渐降低，吸热表面温度在整个吸热体中为最高；在同一位置处，随着孔隙率的升高，固体骨架温度升高，当孔隙率为0.7时，吸热面
固体骨架温度升高至1201℃，当孔隙率为0.3时，吸热表面固体骨架温度只有944℃；空气温度沿着吸热器厚度方向不断升高，而温度梯度则逐渐减小，在出口处都达到706℃，而同一位置的空气温度随着孔隙率的降低而升高，并且也为非线性变化；同一位置处，孔隙率越小，固体骨架和流过的空气间的温差越小，这主要是孔隙率越小，体积对流换热系数越大的缘故。
图5不同孔隙率下的温度分布曲线2.3气体流速对温度场的影响
图6给出吸热器孔隙率为0.6，厚度为20mm，表面热流密度为1MW/m2，孔隙密度为20PPI时，吸热器在五种不同入口流速下的温度分布。可以看出，在不同的空气入口速度时，固体骨架温度沿着厚度方向不断降低，温度梯度逐渐减小，吸热表面温度在整个吸热体中为最高；同一位置处，随着入口流速的升高，固体骨架温度降低，当入口流速为0.8m/s时，吸热面温度升高至1346℃，当入口流速为1.6m/s
时，吸热表面温度只有807℃；空气温度沿着吸热器厚度方向不断升高，而温度梯度也逐渐减小，在同一位置处，由于能量守恒，气体流速越高，温度越低，当空气入口流速为0.8m/s时，空气出口温度为886℃，而空气入口流速为1.6m/s时，空气出口温度
图6不同空气入口流速下的温度分布曲线
研究与探讨许昌等，一种多孔介质太阳能吸热器传热研究3··
基于OpenFOAM的多孔介质微通道热沉传热数值分析
基于OpenFOAM的多孔介质微通道热沉传热数值分析奚坤;谢志辉
【期刊名称】《海军工程大学学报》
【年(卷),期】2022(34)3
【摘要】应用多孔介质微通道热沉是解决高热流密度电子器件散热问题的一种有效途径。
针对多孔介质微通道热沉传热问题,基于OpenFOAM数值计算软件,采用局部热平衡模型,在动量方程中增加Darcy和Forchheimer阻力项,并考虑孔隙率的影响,开发了新的求解器MCHTFoam,分析了入口速度以及孔隙率对多孔介质微通道热沉的传热影响。
结果表明:入口速度增加会增强换热,但对加热面平均温度的影响在逐渐降低,摩擦阻力系数降低;随着雷诺数的增加,孔隙率对摩擦阻力系数的影响程度在减小,而对平均努塞尔数的影响程度在增加。
该研究结果可为高热流密度电子器件的散热设计提供一定参考。
【总页数】6页(P38-43)
【作者】奚坤;谢志辉
【作者单位】海军工程大学动力工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TK124
【相关文献】
1.微柱体对微通道热沉综合性能影响的数值分析
2.新型多孔微热沉流动与传热的耦合数值分析
3.基于纳米流体的微通道热沉数值分析
4.分流式微通道热沉强化传热性能数值分析
5.基于金字塔形扰动结构的双层梯形微通道热沉传热性能模拟
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高效平板集热器的湍流传热特性研究
高效平板集热器的湍流传热特性研究摘要：高效平板集热器是一种用于太阳能、工业废热回收等领域的重要设备，能够有效地将热能转化为可利用的能源。
本文旨在研究高效平板集热器中的湍流传热特性，并提出相应的改进方法，以提高其传热效率。
引言：随着能源需求日益增加和传统能源资源稀缺，人们对于可再生能源的开发利用越发重视。
太阳能作为一种无污染、永不枯竭的能源源泉，受到人们的广泛关注。
高效平板集热器作为太阳能的重要部件，可以将太阳辐射能转化为热能，并利用其进行供暖、热水等用途。
方法：本研究使用数值模拟的方法，通过计算流体力学（CFD）软件对高效平板集热器的湍流传热特性进行研究。
首先，建立了高效平板集热器的几何模型，模拟太阳辐射对其的热能输入。
然后，根据Navier-Stokes方程和能量方程，求解平板集热器内部的流场和温度场。
结果与讨论：通过数值模拟和分析，得到了高效平板集热器的湍流传热特性。
研究发现，高效平板集热器中的湍流流向对传热效果具有重要影响。
在一定范围内，湍流流向的增加会使得传热效率提高。
同时，平板集热器的结构参数，如板间距、板材材质等也会影响传热效果。
对于不同的结构参数，应根据具体情况进行调整，以获得最佳的传热效果。
改进方法：为了提高高效平板集热器的传热效率，可以采取以下改进措施：1. 优化平板集热器的结构参数：通过调整板间距、板材材质等参数，以获得最佳的传热效果。
2. 增加湍流流向：通过改进平板集热器的设计，增加湍流流向，提高传热效率。
3. 应用新型材料：选择热导率较高的材料作为平板集热器的制作材料，以提高传热效率。
4. 结合其他技术：可以结合其他技术，如微流体技术、纳米技术等，进一步提高高效平板集热器的传热效率。
应用前景：高效平板集热器在太阳能利用、工业废热回收等领域具有广阔的应用前景。
通过研究湍流传热特性，并提出相应的改进方法，可以进一步提高平板集热器的传热效率，推动其在各个领域的应用。
结论：高效平板集热器的研究是太阳能利用、工业废热回收等领域的重要课题。
纳米流体增强太阳能集热器换热性能研究
质的集热器导热系数明显大于蒸馏水为工质 的集热器，纳米流体质量分数增加，导热系 数随之增加。
以上研究表明，与纯液体相比，纳米流 体导热系数高，换热系数好，对光的吸收性 能优异，可以作为太阳能集热器的集热工质。 因此，本文在原有试验和研究的基础上，采 用数值模拟的方法讨论 CNT 或 CeO2 纳米粒 子作为传热工质时，间接吸收式太阳能真空 管集热器的吸热性能。利用 ICEM CFD 软件 建立太阳能真空管模型并进行网格划分，采 用 Fluent 软件进行求解，并通过后处理模块 获取温度场分布，研究质量分数、纳米粒子 粒径、种类，和入口流速等运行参数对太阳 能管换热性能的影响。
果的准确性。相关的计算公式如下：
纳米流体中颗粒的体积分数计算公式为：
Φv
=
ρ f Φm
ρ f Φm + ρ p (1− Φm )
(1)
式中，Φv 表示纳米流体中颗粒的体积分
数；Φm 表示纳米流体中颗粒的质量分数；ρ
为密度；下标 f 和 p 分别代表基液和纳米粒子。
纳米流体密度理论计算公式：
(2) 式中，Vf 为基液的体积；Vp 为纳米粒子 的体积。 比定压热容采用 PUTR A[14] 的计算公式：
1995 年，Choi 首次提出了纳米流体的概 念 [2]，纳米流体是指将纳米粒子按照一定的方 法和比例添加到液体中形成的悬浮液，纳米 流体是液 - 固两相悬浮液，悬浮于液体中的 纳米粒子会发生随机的布朗运动，促进悬浮 液内部的微扰动，所以纳米流体导热特性优 于传统工质 [3-4]。经过这些年的不断发展，纳 米流体在内燃机的散热，喷雾冷却工质，石 油采收等强化换热领域中有广泛应用 [5-7]，同
4183
0.659
值，计算时通常取 β=0.1；knf 为纳米流体导 热系数；kp 和 kf 分别是固体粒子和液体的导 热系数。
平板式太阳能集热器原理
平板式太阳能集热器原理平板式太阳能集热器是一种利用太阳能将太阳光能转化为热能的设备。
它以平板式的形式设计，具有较大的表面积，能够更好地吸收太阳辐射能，并将其转化为热能。
平板式太阳能集热器的工作原理主要包括太阳辐射的吸收、传导和传热三个过程。
太阳能辐射是指太阳发出的电磁辐射，包括可见光、红外线和紫外线等。
平板式太阳能集热器利用其特殊的材料和结构，可将太阳辐射能有效地吸收。
它通常采用黑色吸热涂层的铜板或铝板作为吸热表面，这种涂层能够吸收太阳光的大部分能量，并将其转化为热能。
而透明的玻璃罩片可以起到保温和减少热能散失的作用。
吸收到的太阳辐射能会通过传导传递到集热器内部。
平板式太阳能集热器通常由多层材料构成，其中包括吸热层、绝热层和背板等。
吸热层负责吸收太阳辐射能，并将其传导到绝热层。
绝热层则起到隔热的作用，防止热能向外散失。
背板是集热器的支撑结构，同时也起到反射太阳辐射的作用，增加了集热效果。
平板式太阳能集热器将吸收到的热能传递给工作介质，以实现热能的利用。
常见的工作介质有水和空气等。
当太阳辐射能被吸收后，吸热层中的温度会升高，进而传递给工作介质。
在水循环系统中，水被加热后被泵送到热水储存器中，供用户使用。
在空气循环系统中，空气被加热后通过风机进行传送，用于室内供暖或热水制备等。
平板式太阳能集热器的优点是结构简单、安装方便、使用寿命长、维护成本低等。
它可以广泛应用于家庭热水供应、温室暖房、游泳池加热等领域。
同时，平板式太阳能集热器还可以与其他能源设备相结合，如热泵、电锅炉等，形成混合能源系统，提高能源利用效率。
然而，平板式太阳能集热器也存在一些不足之处。
首先，其能量转化效率相对较低，受到天气条件和季节变化的影响较大。
其次，平板式太阳能集热器的体积较大，需要较大的安装空间。
此外，由于材料和制造工艺的限制，平板式太阳能集热器的使用寿命可能存在一定的问题。
总的来说，平板式太阳能集热器以其简单实用的结构和高效利用太阳能的特点，成为一种重要的可再生能源利用设备。
（6）参观太阳能平板集热器,分析它可能涉及的传热问题
第六章1．试定性分析下列问题：(1)夏季与冬季顶棚内表面对流换热系数是否一样?(2)夏季与冬季房屋外墙外表面对流换热系数是否相同?(3)普通热水或蒸汽暖气片高些、矮些，对流换热系数是否一样?(4)从传热观点看，为什么暖气片一般都放在窗户的下面?(5)相同流速或者相同的流量情况下，大管和小管(管内或管外)对流换热系数会有什么变化?(6)参观太阳能平板集热器，分析它可能涉及的传热问题?2．垂直管内流体向上或向下流动被加热或被冷却时，目然对流对速度场的影响如何?试作速度场变化的示意图。
3．试推导垂直壁层流自然对流动量微分方程式，设w t <f t 。
4．关于管内流动换热的热进口段长度有几种表达方式，它们各适应干什么条件?(1)从管子入口到热边界层在管中心闭合前的一段长度；(2)当0xθ∂=∂平h const =前的一段长度；(3)/l d =0.05Re Pr ⋅。
5．自然对流是因温度差引起的，为什么t δδ≠(Pr ≮l 时)在t δδ≥≤的区域内流动是什么情况?6．外掠平板紊流局部换热系数沿板长的变化(图5-6)与管内紊流进口段局部换热系数沿管长的变化(图6-2)两者有明显的差别，请作一些分析?7．以薄壁不锈钢管作导体通电加热在管内流动的气体，管子裸露置于室内，试写出在稳态情况下，该管dx dx 长微元段的热平衡关系。
已知钢管电阻为R ，/m Ω；电流为I ,A 。
8．黄铜管式冷凝器内径12.6mm ，管内水流速1.8m/s ，壁温维持80℃，冷却水进出口温度分别为28℃和34℃，管长上/l d >20，请用不同的关联式计算换热系数?9．已知锅炉省煤器管壁平均温度为250℃，水的进出口温度分别为160℃及240℃，平均流速要求为1m/s ，热流通量q=3.84×105W/m 。
，试求所需管内径和长度(提示：先按紊流计算，再校核Re)。
10．一盘管式换热器，蛇形管内径d=12mm ，盘的直径D=180mm(以管中心距离计)，共有四圈盘管。
太阳能塔式发电吸热器采光面聚光能流密度分布的计算方法
太阳能塔式发电吸热器采光面聚光能流密度分布的计算方法太阳能塔式发电系统是一种利用太阳能进行发电的技术，其中吸热器（也称为聚光器）是关键组件之一。
吸热器通过聚光将太阳光线集中到一个小区域，并将光能转化为热能，然后用于产生蒸汽驱动发电机。
计算太阳能塔式发电吸热器采光面上的聚光能流密度分布需要考虑多个因素，如太阳位置、光学特性和吸热器设计等。
以下是一种常见的方法来计算太阳能塔式发电吸热器采光面聚光能流密度分布：1.太阳位置计算：首先需要计算太阳在给定时刻的位置，包括太阳高度角和方位角。
这可以通过使用太阳位置计算公式或太阳轨迹模型来实现。
太阳位置参数的确定对于后续的能量密度计算非常重要。
2.光学特性计算：接下来需要考虑吸热器的光学特性，如镜面反射率和焦距。
这些参数决定了光线在吸热器表面的聚光效果。
通常会使用光线跟踪和反射模拟等方法来计算吸热器的光学特性。
3.聚光能流密度分布计算：根据太阳位置和吸热器的光学特性，可以确定吸热器采光面上的聚光能流密度分布。
这可以通过将太阳光线经过吸热器镜面反射和聚焦后的能量在采光面上进行积分来实现。
可以使用数值方法，如离散化采光面并计算每个离散点上的能量密度，然后将其加总得到整体的能量密度分布。
4.能量转换效率考虑：需要注意的是，聚光能流密度分布仅表示吸热器表面上的能量分布情况，而最终的能量转换效率还受到吸热器内部的工作流体、传热损失等因素的影响。
因此，在实际应用中，需要综合考虑这些因素来评估太阳能塔式发电系统的总体效率。
需要强调的是，计算太阳能塔式发电吸热器采光面聚光能流密度分布是一项复杂的任务，涉及到光学、热学和数值计算等多个领域的知识。
在实际应用中，可能需要借助专业的仿真软件或进行实验来获得更准确的结果。
因此，对于具体的工程设计和分析，建议寻求专业人士的指导和支持，以确保计算结果的准确性和可靠性。
腔式太阳能吸热器热流密度及管道壁温和热损失的模拟计算
Tsat ,ONB
和
4 Tsat lg hl l ilg T sub 1 1 l ilg 2 Tsat lg hl
(9)
Tsat ,ONB q ONB l ilg / 8 Tsat lg
2
(5)
(1) 在单相流动区域，即流体在壁面还没有形成气泡的区域
hTP hlo q Tw T f
hlo Nu lo k l D
(6)
计算全液相下，流体和壁面之间的对流换热系数可以采用 Petukhov-Popov(1963) [4] 和 Gnieliski(1976) [5]关联式： 对于 0. 5 P r 2000 并且 10 4 Re lo 5 10 6
258 267 285 295 301 297 295 283 267 257
182 184 182 168 159 141 119 96 65 43
18 28 46 63 74 92 95 108 110 115 10 11 16 20
166 175 190 195 200 199 194 189 176 166
1 吸热器内太阳能能流密度模拟计算
本文选取蒙特卡罗法来模拟吸热器内的太阳能能流密度分布。蒙特卡罗方法 也称 为随机模拟（Random Simulation）方法，一种典型依据物理过程统计特性或者模仿物理 过程类似模型的数学技术。它的基本思想是：为了求解数学、物理、工程技术以及生产 管理等方面的问题，首先建立一个概率模型或随机过程，使它的参数等于问题的解；然 后通过对模型或过程的观察或抽样试验来计算所求参数的统计特征，最后给出所求解的 近似值，而解的精确度可用估计值的标准误差来表示。用于太阳能热辐射传递中蒙特卡 罗模拟计算的基本思想是：将热辐射的传输过程分解为发射、反射、吸收、散射等一系 列独立的子过程，并建立每个子过程的概率，令每个单元（面元和体元）发射一定量的 光束（能束） ，跟踪、统计每束光束的归宿，即判断是否被介质和界面吸收、或从系统中 逸出，从而得到该单元的辐射能量分配的统计结果。 本文在计算中采用的是光束不携带能量的方法， 概率模拟和温度场的迭代求解计算 是分离的。这种方法可获得很大的模拟量，且计算精度较高。首先利用概率模拟来求辐 射传递因子 RDij ，然后将辐射传递因子代入能量方程中求解温度以及与温度有关的变 量。定义辐射传递因子 RDij ：在辐射传递系统中，单元 i （体元 Vi 或面元 Si ）辐射出去 的能量，经过一次投射以及系统中其他单元的一次或多次反射和散射后被单元 j （体元