太阳能热动力系统吸热/蓄热器能量分析

第17卷第3期航空动力学报Vol 17 No. 32002年7月Journal of Aerospace PowerJuly 2002文章编号:1000-8055(2002)03-0332-04太阳能热动力系统吸热/蓄热器能量分析侯欣宾,袁修干,崔海亭(北京航空航天大学飞行器与应用力学系,北京100083)摘要:空间太阳能热动力发电系统是一种新型的空间电力系统。吸热/蓄热器是热动力发电系统关键部件之吸热/蓄热器采用的蓄热方式是相变蓄热。通过对吸热/蓄热器的能量分析,可以很好的了解吸热器的能量传递,以及相变材料的工作过程。建立了太阳能热动力发电系统吸热器腔体辐射模型,结合换热管的传热模型计算了吸热器的传热过程。得到了吸热器的能量损失、工质吸收能量、PCM的澘热储能和显热储能等重要指标,并且得到了换热管最大温度,工质出口温度等重要结果。计算结果可以用于吸热器的设计关键词:热分析;相变蓄热;太阳能热动力发电;吸热器中图分类号:TK513.5文献标识码: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前言力发电系统主要优点是效率高、比质量小、面积小、寿命长。对于低地轨道运行、电能需求大的航1995年2月17日,世界上第一套空间太阳天器,可以大幅降低运行成本2。能热动力发电系统2kW地面样机在美国NASA吸热/蓄热器是空间太阳能热动力发电系统Lewis研究中心成功实现了2kW电力输出,标四大关键部件之一。其主要功能是吸收太阳能反志着这一重要的空间电力技术进入了一个新的阶大阳能甘传递给循环工质驱动热段。与太阳能光伏系统(PV)相比,太阳能热动中国煤化工系统的阴影期连续正常CNMHG收稿日期:2001-06-21;修订日期基金项目:国家自然科学基金资助项目(59876003)作者简介:侯欣宾(1973-),男,山西定襄人,北京航空航天大学飞行器与应用力学系博士生航空动力学报第17卷运行,采用高温相变材料(PCM)储存部分能量用角系数,ε为各內腔单元辐射率于阴影期工质的需求。壳体损失为:2吸热器结构Abell= C,Q式中:C,为壳体损失与入射窗损失之比。根据试图1表示了一个圆柱腔形吸热器。循环工质验得到。导管上套装着多个分离的PCM容器,高温相变3.2吸热器辐射模型材料封装在容器内。假设吸热腔各换热管热流相同,吸热腔简化为图2所示的辐射计算模型,换热管由24个容器PCM/Working fluidtubes组成。这样吸热腔划分为27个辐射表面。底板Outlet duct入射窗挡板、入射窗分别为一个表面,24个容器环对应24个表面i=0i=l-24Aperture shield图1吸热/蓄热器结构图Fig 1 Heat receiverCanister annulus目前对于吸热器的热分析较多的集中在容器的传热分析上3:4。吸热器整体分析方面,文献[5]介绍了吸热器计算程序 SOLREO-TSD各计算模图2吸热腔辐射模型块,并没有给岀计算的详细模型。文献[6计算了Fig. 2 The radiation model of heat receiver cavity换热管传热。本文考虑了吸热腔辐射模型和换热图2所示辐射模型中入射窗看作为黑体,其管传热模型,对吸热器的能量传递进行了分析,并余部分可看作为漫射灰体。根据漫射灰体表面的且得到了轨道周期内换热管最大温度、工质出囗辐射理论漫射灰体表面有效辐射计算方程为温度、PCM熔化率等主要参数的变化。)>F6)3吸热器传热模型式中:E为表面黑度。方程组(4)可以通过 Gauss3.1吸热腔能量平衡消元法求解。各角系数的计算参考文献[8]根据能量平衡,入射能量等于吸热腔吸收热解得各表面有效辐射后,可以通过下式求解量加入射窗辐射损失和壳体损失,即各表面的净辐射热流。吸热腔吸收能量包括传递给工质的能量和换(7)热管吸收的能量T4一FQ=Qs+Q塭答往拉堵刑换热管吸收能量包括显热储热和PCM潜热中国煤化工储热CNMHG,可以简化为图3所示的山楔坐。」休证⊥质的流速需要,换热管采Qbs=Qen+Q用了中央封堵的结构,工质在环形工质通道中流入射窗辐射损失为:动。PCM单元套装在换热管外,单元之间采用绝Q=σAF-(T-T)(4)热垫片,减小容器间的相互影响提高系统的可靠式中:A为各内腔单元面积;a为辐射常数;F为性第3期侯欣宾等:太阳能热动力系统吸热/蓄热器能量分析换热管的传热计算采用了焓法模型。三维柱工质流量为6.7g/s。坐标下,焓法形式的能量方程为内壁换热系数为400W/m2·K。a(phar d7系统初始温度为800K。at2r2a0 a计算采用显式求解,时间步长取0.025s。(8)每个时间步,腔体辐射计算与换热管计算互温度和焓通过下面的方程耦合为边界条件进行求解h4计算结果固相PCM0≤h≤△H糊相PCM本文从初始条件计算了10个轨道周期。下面各图对应4,5,6,7轨道周期的计算结果h-△Hh>△Hn液相PCM图4为吸热腔的能量平衡。输入能量Qn分为三部分:腔体损失Q灬、工质吸收Q、换热管吸容器及工质壁收Q。吸热腔的能量损失在2~2.5kW之间变(9)化,平均为2.25kW,约为入射能量的15%。其中式中:h为比焓;△Hlm为相变潜热;p为密度;c为日照期的能量损失明显高于阴影期损失。这是由比热容;下标m,,s和w分别表示熔化点、液相、于日照期容器表面的温度高,所以热损失也比较固相和容器壁。大。根据计算可以看出工质吸收能量在阴影期也可以维持7.85kW,充分表现了相变材料的蓄热k=1~24性能。在日照期末则可以达到10kW,是因为换热±+管的温度已经超过了PCM熔化温度。换热管吸收能量在日照期为正,阴影期为负,向工质放热PCM导管封堵区 No flow region图3换热管简化模型Fig 3 Schematic of PCM tube configuration换热管传热采用有限差分法计算。换热管划Orbit分为12×10×24(0,r,z)个网格(如图3所示)。计算忽略了固液相变的密度差,不考虑空穴的影响PCM区忽略容器侧壁的热容,导热系数采用图4吸热器能量平衡PCM和容器侧壁的复合导热系数。Fig 4 Heat receiver energy balance图5表示了换热管的能量平衡。其中Q是3.4计算条件图4计算得到的吸热腔损失、工质吸热以及换热PCM采用80.5LF-19.5CaF2,熔点1040K管储热之和,结果与图4所示的输入能量十分接容器和工质导管材料采用钴基合金 Haynes188近。换热管的储热分为两部分:显热储热Q和潜气体工质采用摩尔质量83.8的HeXe混合气体。材料的物性参数和吸热器几何尺寸参见文献V凵中国煤化工照器的前半段,潜热储CNMHG者热逐渐减小,显热储热[2]。其它计算条件如下增加,说明部分PCM温度开始超过熔化温度,进空间热沉温度取200K。入显热蓄热。在阴影期开始,显热能量减小很快入射能量为15.1kW换热管温度迅速降到接近PCM熔化温度。而澘日照周期66min,阴影期27min热能量逐渐成为主要的热源,一直到阴影期末。通工质入口温度为838K过换热管的能量平衡分析可以看岀潜热储热起到航空动力学报第17卷了较好的作用,但是仍有较大部分旳显热变化,会根换热管不可能实现PCM的完全熔化和凝固。造成工质出口温度的较大变化这一结果与文献[3,4]中对单个容器的热分析结果不同。主要由于换热管各容器对应的边界条件不同,造成部分容器单元在日照期不完全熔化,而部分容器单元在阴影期不完全凝固。只有PCM熔化率的变化范围才可以反应PCM的利用率。本文建立了吸热/蓄热器腔的辐射模型,结合换热管的传热模型,计算了吸热腔的能量平衡和换热管的能量平衡得到了吸热腔能量损失、工质吸收能量、换热管显热储热、换热管潜热储热,以及换热管最大温度、工质出口温度、PCM熔化率图5换热管能量平衡等重要结果。得到如下结论:Fig 5 Fluid tube energy balance(1)PCM起到了较好的蓄热效果,基本可以图6为换热管的最大温度和工质出口温度变保证系统在阴影期的要求化。换热管最大温度变化范围在1040~1130K之2)吸热腔的热损失约为入射能量的15%。间,变化幅度为90K,对于换热管的应力会有不(3)换热管的设计有待进一步改进,以进良的影响。工质出口温度为1040~1105K,在阴步增加PCM的利用率减小工质出囗温度变化,影期基本可以达到PCM的熔化温度1040K,充减小系统质量分显示了PM的蓄热效果。但是在日照期有较参考文献大的波动,不利于系统工作[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图6最大温度和出囗温度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中国煤化工 hangeJ. Solar121:133-14OrbitTHCNMHG计算M1北京:清华大学出版图7PCM熔化率社,1988Fig 7 PCM melt fraction8杨贤荣,马庆芳,原庚新.辐射换热角系数手册[M].北京图7为换热管PCM的熔化率变化。计算得国防工业出版社,1982到的熔化率在0.24~0.68之间变化。说明对于整(责任编辑吴一黄