专利名称：圆柱阵列容积换热器的制作方法
技术领域：
本发明属于太阳能热电站容积换热器装置领域，尤其是一种改善辐射特性和内部 流动过程，从而提高系统综合效率的圆柱阵列容积换热器。
背景技术：
太阳能热电站联合动力装置一般由反射器、聚焦设备、换热器、以及透平发电机组 及跟踪控制系统等组成，其总效率主要取决于太能集热器效率和发电效率。研究并设计相 应的高温高压高容量的太阳能换热器已成为目前太阳能领域的重要研究课题。目前太阳能热电站容积换热器存在的问题是辐射特性和内部流动过程影响了系 统的综合效率。我国第一座太阳能热发电示范电站于2005年在南京市江宁区建成，采用的是塔 式系统，它利用众多的定日镜，将太阳能热辐射反射到高塔顶部的接收器，加热工作介质产 生过热蒸汽或高温高压空气驱动蒸汽轮机或燃气轮机发电机组，变太阳能为电能。其中，太 阳能容积换热器接收太阳辐射并加热工作介质。目前，蜂窝和格栅换热器效率和可靠性方 面存在问题，对太阳能容积换热器的研究还处于初级阶段，缺乏大量的实用数据，但对与此 换热器内部结构类似的扰流柱排的流动及换热，科学家们已经进行了大量研究，这些研究 可作为本发明的技术参考。NASA-Lewis (VanFossen et al.)禾口Arizona State University(Metzger et al.) 等人通过实验研究了在矩形通道中H/D = 0. 5和2. 0四排叉排型扰流柱的换热系数，研究 结果表明，短扰流柱的总换热系数比长扰流柱(l/d = 8)低。柱面换热系数比端壁高35%。 排数从4排增加到8排，平均换热系数稍有增加。从叉排方向向顺排方向转2/3时换热系 数增加9%，阻力损失下降18%。当柱高Ι/d < 2时，平均换热系数不受扰流柱高的影响， Nu = f(Re)；而当Ι/d > 2时，换热系数随着Ι/d的增大而增大，这时，Nu = f(Re, 1/d)。Metzger等人通过实验测量了矩形通道中叉排短扰流柱排(H/D = 2. 5和H/D = 1. 5)的局部换热系数，结果表明，沿流动方向的排平均换热系数先增加，在3-5排达到最大 值，然后逐渐缓慢下降；还发现，沿流向间距大时峰值出现得早(H/D = 2. 5时，出现在第三 排；H/D = 1.5时，出现在第五排)。他们的研究表明，短扰流柱排内换热不如长管排内换 热，通道内布置扰流柱在增强换热的同时也加大了压力损失。Chyu采用奈升华和传热传质比拟的方法测量了扰流柱排列形式对端壁热质交换 的影响。1/(1=1，8/(1 = 2.4^/(1 = 2.08，顺排与叉排在前两排传质系数高，第三排以后开 始周期性变化。在靠近柱的区域传质系数都较高，顺叉排差别不大，但在远离柱的区域，顺 叉排差别很大。平均传质系数顺叉排时分别比光滑通道增加46%和53%。Chyu在1990年研究有铸造圆角的短扰流柱排内的换热时得出随流向扰流柱间 距的增加，前两排扰流柱的平均换热系数增加的更快一些；扰流柱间距减小，各排平均换热 系数都增加，同时流动压力损失也增加，扰流柱存在铸造圆角时仍有这种规律。有铸造圆角 的扰流柱与无圆角相比，换热系数小而压力损失大。柱面与端面换热系数几乎相等。
发明内容
本发明的目的是提供一种改善辐射特性和内部流动过程，从而提高系统综合效率 的圆柱阵列容积换热器。本发明的技术方案是圆柱阵列容积换热器，包括腔体，其特征是在所述腔体内侧 壁上设置有由数个圆柱体组成的圆柱阵列。所述的腔体为正六边形。所述圆柱表面是以拉毛、轧花、切削和沸石技术处理的粗糙表面及空隙。本发明的效果是太阳能热电站圆柱阵列容积换热器，在腔体内侧壁上设置有圆 柱阵列。该换热器良好的换热性能可归结为两点，其一是优异的辐射特性，其二是内部流动 过程的改善。流场中的圆柱具有湍流发生器的功能，而圆柱阵列的适当布置可以达到使湍 流更趋强化的效果。聚焦后的太阳光经过窗口进入换热器，并通过圆柱阵列的反射作用形 成相对较为均勻的能量分布。初步研究表明，在现有技术水平下以圆柱阵列作为换热器的 太阳能热电站其系统综合效率可达到21%。研究表明，随着雷诺数的增大，换热器出口的平均温度递减，而入口、出口及圆柱 的局部换热系数明显增加，换热器的总平均换热系数随着雷诺数的增大表现出明显的增加 趋势；Re = IO4时，随着流向间距的增加，流场出口的平均流速有所增加，Sx/D = 3.0时， 流场阻力损失最小，最大值出现在Sx/D = 1. 5时；换热器的总平均换热系数随着流向间距 的增大而减小。Re = IO4条件下，随着圆柱高度的增加，流场出口的平均流速有所减小；阻 力系数f分别是4. 54，6. 823，8. 45，进而整个通道的总压力损失也逐渐增加；换热器的总 换热量有明显的增大，其总平均换热系数也随着圆柱高度的增大而大大增加。在雷诺数分 别为103、104、105时，研究了辐射的存在对叉排圆柱阵列容积换热器各场分布的影响。辐射 的存在对速度场的影响很小；相同雷诺数条件下，没有辐射存在时的平均阻力系数都大于 有辐射时的，即相同条件下辐射的存在使流场的阻力损失减小；相同雷诺数条件下，较之无 辐射存在，有辐射存在时的局部换热系数要大，且随着雷诺数的增大而减小，辐射换热量占 总换热量的份额也随着雷诺数的增加而减小，在Re = IO3时，辐射换热量占44.71%，Re = 104 28. 78%,Re = 105 8. 45%，说明在雷诺数较小时，辐射换热的参与对整个换热器的换 热起到很大的作用。下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
图1是本发明的结构示意图；图2是图1的水平剖面图；图3是图1中扰流圆柱表面粗糙处理示意图；图4是换热器内部过流面的区域划分示意图。
具体实施例方式图1、图2中，圆柱阵列容积换热器，包括腔体1，在腔体1内侧壁上设置有由数个 圆柱体2组成的圆柱阵列，腔体1为正六边形，圆柱阵列的各圆柱体2之间的纵向间距，、横向间距和圆柱高度分别为纵向间距Dx、横向间距Sy和圆柱高度H。图3中，圆柱体2的表面是以拉毛、轧花、切削和沸石技术处理的粗糙表面及空隙， 其中，图(a)是螺旋纹，图(b)是小尺度缝隙，图(c)是轧花。图4中，换热器内部过流面的区域划分，41是绝热盖板，42是自由端，43是顶端，44 是壁面影响区，45是底部壁面，Tb是圆柱壁面温度，h是顶端距绝热盖板的距离。经聚焦后的太阳光经过窗口进入换热器，并通过圆柱阵列的反射作用使能量分布 趋于均勻，工质从入口流经换热器内部，通过对流换热将能量携带出去。在此过程中，所有 的过流表面，包括换热器内部侧壁均参与复杂的换热过程，各表面吸收太阳辐射能量致使 温度升高，并将能量传递给流过的工质。实际应用中，需要注意以下几个方面的问题1、利用激光束模拟太阳光试验确定最佳辐射换热的圆柱列数和排数。利用氩离子和氪离子激光器模拟太阳光，测量不同几何参数情况下换热器中光的 衰减率、透射率及相应的谱特性，并利用蒙特卡洛方法对辐射换热进行模拟计算，并参照谱 段的差异性对辐射模型进行必要修正，从而更真实地反映容积换热器辐射特性，并据此确 定最佳辐射换热的圆柱列数和排数。2、利用换热器内部温度场和速度场的正交实验，确定圆柱阵列圆柱体之间的纵向 间距Dx，横向间距Sy和圆柱高度H。利用红外热像仪等非接触手段以及染色、氢气泡法和激光诱导荧光等技术分别测 定实验模型内的流场速度分布和温度分布，采用正交实验方法，从较为简单的大间距光滑 圆柱阵列开始逐步向小间距粗糙表面及螺旋圆柱过渡，以便研究相干结构的尺度、强度和 频率的影响因素，探究圆柱绕流理论及多孔介质理论适应性的结构、尺度和速度条件，以确 定圆柱阵列的相关特征尺度纵向间距Dx，横向间距Sy和圆柱高度H。3、基于多区域连续模型的数值模拟，优化容积换热器模型。利用实验室现有的商业计算软件STAR-CD进行不同结构尺度的换热器模拟计算， 嵌入多区域容积换热连续模型，研究换热器内多孔介质-纯流体耦合流动条件，进行包括 宏观流动和微观流动的数值模拟，研究模型内辐射，对流换热特性及辐射对流的耦合机制， 探讨换热器的高效换热机理；通过无量纲参数的比较，确定换热器的最佳结构特征，并据此 优化容积换热器模型。
权利要求
圆柱阵列容积换热器，包括腔体，其特征是在所述腔体内侧壁上设置有由数个圆柱体组成的圆柱阵列。
2.根据权利要求1所述的圆柱阵列容积换热器，其特征是所述的腔体为正六边形。
3.根据权利要求1所述的圆柱阵列容积换热器，其特征是所述圆柱体表面是以拉毛、 轧花、切削和沸石技术处理的粗糙表面及空隙。
全文摘要
一种改善辐射特性和内部流动过程，从而提高系统综合效率的圆柱阵列容积换热器。技术方案是包括腔体，其特征是在所述腔体内侧壁上设置有由数个圆柱体组成的圆柱阵列。所述的腔体为正六边形。所述圆柱表面是以拉毛、轧花、切削和沸石技术处理的粗糙表面及空隙。
文档编号F24J2/46GK101922811SQ201010237888
公开日2010年12月22日 申请日期2010年7月28日 优先权日2010年7月28日
发明者张凌云, 李淑清, 王晓, 董华 申请人:青岛理工大学