3可以向吸热器2内注入一定浓度的颗粒相的气 溶胶，然后关闭出料阀13和进料阀14,通过定日镜场投射到吸热器2腔体内的光线在遇到颗 粒相气溶胶时会发生吸收、辐射和散射，颗粒吸收能量后又均匀的辐射到吸热器2腔体壁 面，通过改变颗粒粒径、浓度和气溶胶中颗粒相的浓度来调节壁面热流密度的分布，进而使 得壁面热流密度均匀化。加入气溶胶后，打开第一进气阀8和第二进气阀10,通过离心风机 11向吸热器2中加压，当压力达到所需值时，关闭第一进气阀8,吸热器2的腔体在运行过程 中，其内温度会升高，通过波纹管5可以维持其中压力的平衡，压力表7可以实时监测吸热器 2内的压力，当压力超出波纹管5的调节能力范围外时，关闭第二进气阀10,打开第一进气阀 8,可以通过安全阀9来维持腔内压力在安全范围内。当需要更换腔内气溶胶时，打开第一进 气阀8和第二进气阀10以及出料阀13,通过离心风机11向吸热器2内注入空气，经过收集Υ型 过滤器12过滤可以收集气溶胶颗粒，然后关闭出料阀13和第二进气阀10,通过气溶胶进口 3 注入需要的新的颗粒数密度的气溶胶。
[0040] 本发明方法验证流程如下：碳黑粒子的粒径范围为6乂1〇4-8乂10^1111，在可见光 和红外辐射范围内折射率变化不大，炭黑粒子的折射特性为η = 3.012-1.301 i，对于太阳波 长0-2um内能量辐射能占总辐射能的94.04%，体积率为f = ΚΓ8。文献《刘林华，余其铮，阮立 明，等.煤粉燃烧产物的辐射特性[J]，动力工程，1996,16(6): 14-24》利用文献《Lee S C， Tien C L.optical constants of soot in hydrocarbon flames[C].18th Symp.(int.)on Combust ion，Combust ion Instuite，Pittsburgh, 1986》给出的碳黑粒子折射率数据，计算 了碳黑粒子的普朗克平均吸收系数。在300-1700°C温度范围内，碳黑粒子的普朗克平均吸 收系数K ap与粒径无关，且随温度的增大而增大，即
[0041 ] Kap=(-0.267(T+273.15)2+2000(T+273.15)-486500)f v (1)
[0042] 当碳颗粒温度在300-1700°C范围内，粒径大于3um时普朗克消光系数、散射系数和 吸收系数计算式如下：
[0043] Kex=(3950000fv)/D (2)
[0044] Kap=(1805000fv)/D (3)
[0045] Ksp=(2145000fv)/D (4)
[0046] 从图2、图3中：Nmcm , i为单元i蒙特卡洛模拟的光束总数;rwcM, i为单元i模拟的光束 数;Ms、Mv分别为系统内总的面单元数目和体单元数目；RDu为辐射传递因子;S为辐射传递 行程。以表面辐射传热为例，为了确定某单元内某根发射光束，首先需要随机的确定三个空 间坐标参数，确定发射点，再加上两个随机选择的空间方向参数Φ和Θ，确定发射方向，这样 就能确定空间的一条直线。在一个封闭系统内，确定光束与某一面单元相交即求直线与平 面相交的解析几何问题。当此光束到达另一个面单元时，随机选择一个吸收、反射，根据该 面的表面辐射特性，判断光束是被面单元吸收、反射。如果光束被壁面反射，则再随机确定 两个方向参数重新确定空间的一条直线，重复上面的过程直到光束被某一面单元吸收为 止。对于吸收、散射性介质的辐射传输。由图3可知，除了上述模拟过程外，还需要确定光束 在介质内可能传输的长度S，以及光束与介质的作用。
[0047] 在概率模拟中研究对象被划分为多个单元(包括面单元和体单元），首先令每个单 元发射一定数目的光束，之后跟踪、统计每束光束的归宿，即判断其是否被介质和界面所吸 收或者是否从系统中逸出，最终得到该单元吸收光束数目的统计结果。在一个辐射传输系 统中任意两个单元i和j之间的福射传递因子RDij的定义为，单元i(面单元Si或体单元Vi)自 身辐射出去的能量经过一次投射或经系统中其它各单元一次或多次反射、吸收和散射后， 最终被单元j(面单元Sj或体单元Vj)所吸收的份额。
[0048] 当设计一个太阳能腔式吸热器时，由于沸腾管的位置是根据内部热流密度的分布 来选取的，因此首先就要考虑吸热器内部的热流密度是如何分布的。同时在对现有吸热器 进行结构和性能的改进时，其内部的热流密度分布是否合理也是一个重要的考虑因素。但 热流密度的分布规律很难通过实验的手段测量获得，这就亟需建立吸热器热性能的计算模 型，采用数值的手段获得太阳能腔式吸热器内部的热流密度分布。以上通过蒙特卡洛光线 追踪发的概率模拟部分已经得到了系统的辐射传递因子，在这之后蒙特卡洛光线追踪发的 热模拟部分就可以进行了。该部分模拟是通过对以辐射传递因子形式表达的能量平衡方程 组进行求解，最终获得吸热器内部的温度场以及热流密度的分布。
[0049] 在一个由1个面单元和Mv个体单元组成的封闭热辐射系统中，对任意一个面单元 Si来说，以辐射传递因子形式表达的能量方程为：
[0050]
[00511同理，对热辐射系统中任意一个体单元Vi的能量方程为：
[0052]
[0053] 上两式中：
[0054] ε一一面元的发射率；
[0055] S--面积/m2;
[0056] σ--黑体辐射常数，5.67\10-8/￥.!11-2.1(-4;
[0057] Q--能量方程的源项/W;
[0058] κ一一介质普朗克吸收系数；
[0059] V--体积/m3。
[0060] 通过上面的方程组的求解可以得到各个面单元和体单元的热流密度。
[0061 ] 实施例
[0062] 在4mX4mX4m的正方体腔体内填充粒径为0.08_50um，颗粒数密度为1 X 107-1 X l〇16/m3的碳粒子(碳粒子折射率为1.93(1-0.53i))混合介质。为了简化计算采用二维蒙特 卡洛计算，图4为简化计算简图，图5为已知的开口处的热流密度分布，图6~9为在腔体内加 入不同粒径不同数密度时，壁面温度分布图。从图6~9可以看出加入气溶胶时壁面中间位 置高温区会随着数密度的增加壁面温度趋于一致。通过气溶胶中颗粒相的吸收、散射和辐 射使得壁面温度均匀度有了明显的提高。
【主权项】
1. 一种太阳能吸热器壁面热流密度均匀化装置，其特征在于，包括吸热器（2)，吸热器 (2)的壁面内侧设有沸腾管，吸热器(2)的太阳光进口处设有石英玻璃窗体（1)，吸热器(2) 的内部填充有气溶胶，吸热器(2)的一侧设有气溶胶进口（3)，另一侧设有气溶胶出口（4)， 吸热器(2)的侧壁上还连接有用于保持吸热器(2)内部压力平衡的压力平衡单元。2. 根据权利要求1所述的一种太阳能吸热器壁面热流密度均匀化装置，其特征在于，气 溶胶进口（3)连接有气溶胶进料管道，气溶胶进料管道上设有进料阀（14)，气溶胶出口（4) 连接有气溶胶出料管道，气溶胶出料管道上设有出料阀（13);气溶胶出口（ 4)和出料阀（13) 之间设有用于收集气溶胶的收集Y型过滤器(12)。3. 根据权利要求1所述的一种太阳能吸热器壁面热流密度均匀化装置，其特征在于，吸 热器(2)顶部的壁面内侧设有波纹管(5)。4. 根据权利要求1所述的一种太阳能吸热器壁面热流密度均匀化装置，其特征在于，所 述的压力平衡单元包括压力平衡管道，吸热器(2)的侧壁上设有进气排气口，压力平衡管道 的一端连接在进气排气口上，另一端连接有离心风机（11 )，离心风机（11)和进气排气口之 间依次设有安全阀（9)、压力表(7)以及用于防止气溶胶泄露的防漏Y型过滤器(6)，安全阀 (9) 和压力表(7)之间设有第一进气阀(8)，离心风机(11)和安全阀(9)之间设有第二进气阀 (10) 〇5. 根据权利要求1所述的一种太阳能吸热器壁面热流密度均匀化装置，其特征在于，吸 热器(2)内部填充的气溶胶的颗粒数密度为1 X 107-1 X 1016/m3,颗粒粒径为0.08-50μπι。6. -种太阳能吸热器壁面热流密度均匀化方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一:在吸热器(2)的太阳光进口处安装石英玻璃窗体(1); 步骤二：向吸热器(2)中填充气溶胶，通过气溶胶中的颗粒相吸收、辐射或散射太阳光 进口处的不均匀太阳能，然后均匀的辐射或反射给吸热器(2)其它的壁面，进而实现壁面热 流密度均匀化。7. 根据权利要求6所述的一种太阳能吸热器壁面热流密度均匀化方法，其特征在于，吸 热器(2)的壁面内侧设有沸腾管，吸热器(2)顶部的壁面内侧还设有波纹管(5)，吸热器(2) 的一侧设有气溶胶进口（3)，另一侧设有气溶胶出口（4)，吸热器(2)的侧壁上还连接有用于 保持吸热器(2)内部压力平衡的压力平衡单元，气溶胶进口（3)连接有气溶胶进料管道，气 溶胶进料管道上设有进料阀（14)，气溶胶出口（4)连接有气溶胶出料管道，气溶胶出料管道 上设有出料阀（13);气溶胶出口（4)和出料阀（13)之间设有用于收集气溶胶的收集Υ型过滤 器(12)。8. 根据权利要求6所述的一种太阳能吸热器壁面热流密度均匀化方法，其特征在于，所 述的压力平衡单元包括压力平衡管道，吸热器(2)的侧壁上设有进气排气口，压力平衡管道 的一端连接在进气排气口上，另一端连接有离心风机（11 )，离心风机（11)和进气排气口之 间依次设有安全阀（9)、压力表(7)以及用于防止气溶胶泄露的防漏Υ型过滤器(6)，安全阀 (9) 和压力表(7)之间设有第一进气阀(8)，离心风机(11)和安全阀(9)之间设有第二进气阀 (10) 〇9. 根据权利要求6所述的一种太阳能吸热器壁面热流密度均匀化方法，其特征在于，吸 热器(2)内部填充的气溶胶的颗粒数密度为1\10 7-1\1016/1113，颗粒粒径为0.08-5(^111，气 溶胶中颗粒相为碳粒子。10.根据权利要求6所述的一种太阳能吸热器壁面热流密度均匀化方法，其特征在于， 吸热器(2)为正方体腔体，石英玻璃窗体(1)的厚度为10_。
【专利摘要】本发明公开了一种太阳能吸热器壁面热流密度均匀化装置及方法，包括吸热器，吸热器的壁面内侧设有沸腾管，吸热器的太阳光进口处设有石英玻璃窗体，吸热器的内部填充有气溶胶，吸热器的一侧设有气溶胶进口，另一侧设有气溶胶出口，吸热器的侧壁上还连接有用于保持吸热器内部压力平衡的压力平衡单元。本发明可以在降低对流热损失的情况下又能使得吸热器壁面热流密度均匀化，提高整个太阳能吸热器的光热转化效率和运行安全性。
【IPC分类】F24J2/34, F24J2/46
【公开号】CN105546852
【申请号】CN201610060469
【发明人】魏进家, 靳亚斌, 方嘉宾, 屠楠
【申请人】西安交通大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2016年1月28日