Dsg太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法

文档序号:6516574阅读:575来源:国知局
Dsg太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法
【专利摘要】本发明公开了DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法,属于太阳能热利用的【技术领域】。本发明建立包括单相区间和两相区DSG太阳能槽式集热器传热和水动力耦合稳态模型;计算DSG集热器管路沿线及出口的工质压力以及工质比焓,判断DSG集热器管路沿线及出口的工质类型;再由工质类型选择单相模型或者两相模型计算集热器管路沿线及出口参数。利用本发明建立的传热和水动力耦合稳态模型求解的DSG集热器管路沿线及出口参数准确性高。
【专利说明】DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法
【技术领域】
[0001]本发明公开了 DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法,属于太阳能热利用的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]直接蒸汽发电(DirectSteamGeneration, DSG)槽式太阳能热发电系统是近年来针对传统导热油工质槽式系统的技术不足而兴起的一项新技术,其基本原理是利用抛物线型槽式聚光器将太阳光聚焦到吸热管上,直接加热吸热管内的工质水,直至产生蒸汽推动汽轮发电机组发电[1_3]。其中,由聚光器与吸热管组成的装置称为DSG槽式太阳能集热器(DSG集热器),是DSG槽式系统的核心部件。
[0003]由于太阳辐射能量分散且抛物线型槽式聚光器的聚光倍数较低,因此DSG槽式系统的集热器具有长度长、分布广的特点,而且由于太阳辐射具有很强的不确定性和不均匀性,因此只有利用非线性分布参数动态模型才能准确地分析DSG集热器的动态特性,为研究其控制策略和方案提供依据。而建立DSG集热器的传热和水动力耦合(Heattransferandhydrodynamiccoupling, HHC)稳态模型则是建立其非线性分布参数动态模型的基础。
[0004]关于DSG集热器,Odeh建立了以管壁温度作为自变量的稳态模型;韦彪基于DSG集热器管内水工质的流型与传热特性,建立了 DSG集热器稳态传热模型;梁征建立了管内流体的一维多相流动与传热模型;Eck建立了循环模式DSG集热器的一维动态数学模型;Ray建立了 DSG集热器的非线性集总参数模型并研究了其动态特性;杨宾建立了管内流体的传热模型和水动力模型。各国专家和学者在研究DSG集热器稳态模型时,对于其传热特性和水动力特性的耦合研究较少,且计算结果与实验数据差别较大。

【发明内容】
·
[0005]本发明所要解决的技术问题是针对上述【背景技术】的不足,提供了 DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法,旨在解决现有DSG集热器模型求得的集热器管路沿线及出口参数准确率低的技术问题。
[0006]本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案:
[0007]DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法,包括如下步骤:
[0008]步骤1-A,建立DSG太阳能槽式集热器传热和水动力耦合稳态模型:
'dll _ Q1
dv D
[_] \dP_ p
— — d
[0010]其中:Η为工质比j:含,y为管长方向,Q2为金属管传递的太阳福射热能,D为工质质量流量,P为工质压力,Pd为摩擦压降;
[0011]步骤1-Β,根据DSG太阳能槽式集热器管段内工质相态确定传热系数α 2,再由传热系数α 2确定金属管传递的太阳辐射热能Q2 ;
[0012]步骤1-C,根据DSG太阳能槽式集热器管段内工质相态确定摩擦压降Pd ;
[0013]步骤1-D,根据不同工质相态下金属管传递的太阳辐射热能Q2、摩擦压降Pd分别得到单相区模型和两相区模型;
[0014]步骤2,利用步骤I所建模型计算DSG集热器管路沿线及出口的工质压力以及工质比焓,判断DSG集热器管路沿线及出口的工质类型,具体包括如下步骤:
[0015]步骤2-1,沿着金属管长方向将DSG集热器平均分为N个管段,N为自然数;
[0016]步骤2-2,根据前一管段出口参数计算当前管段出口工质压力,再在当前管段出口工质压力下计算当前管段出口参数,将当前管段出口工质比焓与当前压力下的饱和水比焓或者饱和汽比焓相比较判定当前管段出口工质类型:
[0017]步骤Α,利用单相区模型计算当前管段出口参数,比较当前管段出口工质比焓和当前压力下饱和水比焓;
[0018]步骤B,在当前管段出口工质比焓大于当前压力下饱和水比焓时,进入步骤C,
[0019]否则,判定当前管段出口工质是水,返回步骤A计算下一管段出口参数,在第N管段出口工质比焓小于第N管段出口压力下饱和水工质比焓时判定DSG集热器出口工质是水;
[0020]步骤C,利用两相区模型计算当前管段出口参数,比较当前管段出口工质比焓和当前压力下饱和汽比焓;
[0021]步骤D,在当前管段出口工质比焓大于当前压力下饱和汽比焓时,进入步骤Ε,
[0022]否则,判定当前管段出口工质是汽水混合物,返回步骤C计算下一管段出口参数,在第N管段出口工质比焓小于第N管段出口压力下饱和汽比焓时判定DSG集热器出口工质是汽水混合物;
[0023]步骤Ε,利用单相区模型计算当前管段至第N管段的出口参数,判定当前管段至第N管段的出口工质是干蒸汽。
[0024]进一步的,所述DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法,步骤2-2中所述的当前管段出口参数利用如下方法求得:
[0025]步骤a,根据前一管段出口参数计算当前管段出口压力初始值;
[0026]步骤b,在当前管段出口压力初始值下,利用无热损条件求得当前管段传递的太阳辐射热能理想值,
[0027]步骤C,根据当前管段传递的太阳辐射热能理想值,利用步骤I所建DSG太阳能槽式集热器传热和水动力耦合稳态模型计算得到当前管段的出口参数、热损以及当前管段传递的太阳辐射热能实际值;
[0028]步骤d,在当前管段传递的太阳辐射热能理想值、实际值之差在单位管长传热量误差范围内时,进入步骤e;否则,以当前管段传递的太阳辐射热能实际值取代理想值,返回步骤c ;
[0029]步骤e,根据步骤c得出的当前管段出口参数得到当前管段出口压力实际值;
[0030]步骤f,在当前管段出口压力初始值、实际值之差在出口压力误差范围内时,输出步骤c所述的当前管段出口参数,并将当前管段出口参数作为下一管段出口压力计算的初始数据;否则,以当前管段出口压力实际值取代当前管段出口压力初始值,返回步骤a。[0031]进一步的,所述DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法中,步骤I-B的具体实施方法如下:
[0032]步骤1-B-1,确定聚光器所收集的太阳辐射能Q1,以聚光器所收集的太阳辐射能为金属管传递的太阳辐射热能的初始值,由金属管传递的太阳辐射热能的初始值确定工质比焓H;
[0033]步骤1-B-2,由工质比焓H判定工质相态;
[0034]步骤1-B-3,根据工质相态计算工质温度T、传热系数α 2,
[0035]对于单相工质:由工质温度T与工质压力P、工质比焓H的关系式确定工质温度Τ, 由表达式《2 = 0.023(Rc)i!"(Pr)'" * 确定传热系数α 2,其中,Re为金属管内工质的雷诺数,


aha
Pr为金属管内工质的普朗特数,k为导热系数,Daki为金属管内径;
[0036]对于两相工质:由工质温度T与工质压力P的关系式确定工质温度T,由表达式a ^h13S-Ii1F1确定传热系数α 2,其中,hB为水的核态沸腾传热系数,Ii1为饱和水传热系数,S,F1分别为限制因子和增强因子;
[0037]步骤1-B-4,由Q2 = Q2 . Ji Dab. i (TrT)确定金属管壁温度Tj ;
[0038]步骤1-B-5,再由表达式 qi = (a+c · Vwind) (TrTa) + ε ab · b · (Tj4-Tsky4)确定集热器的热损qi,由聚光器所收集的太阳辐射能Q1与集热器的热损Q1的差值得到金属管传递的太阳辐射热能Q2,其中=Vwind为风速,Ta为环境温度,Sab为吸热管发射率,Tsky为天空温度,a、b、c分别是对流、辐射和风速因子。
[0039]进一步的,所述DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法中,步骤I-C的【具体实施方式】如下:

义 X 2
[0040]对于单相工质:由表达式(G)l-得到单相工质时的摩擦压降(Pd)lph,



abj
其中,λ为摩擦系数,ω为金属管内工质流速,P为工质密度;
[0041]对于两相工质:由表达式得到两相工质的摩擦压降(Pd)2ph,
其中,(Pd)lph.watCT为工质为水时的摩擦压降,P:为Martinelli-Nelson两相乘子。
[0042]本发明采用上述技术方案,具有以下有益效果:求解的DSG集热器管路沿线及出口参数准确性高,根据求得的管路沿线及出口参数仿真DSG槽式集热器全管段的稳态情况,将其作为初始条件,利用非线性分布参数方法得到DSG槽式集热器的控制模型,提高了控制模型的精度。
【专利附图】

【附图说明】
[0043]图I (a )为DSG集热器纵截面图。
[0044]图I (b)为DSG集热器吸热管横截面图。F为管内截面积;T为工质温度;Η为工质比焓山为工质质量流量;Ρ为工质压力;ω为工质流速;P为工质密度说为聚光器所收集的太阳辐射能,Q2为金属管传递的太阳辐射热能;y为管长方向;r为管壁径向。
[0045]图2为DSG太阳能槽式集热器传热和水动力耦合稳态模型求解的流程图。
[0046]图3为当前管段出口参数计算流程。[0047]图4为DSG集热器空间离散化的示意图。
[0048]图5为DSG集热器出口温度和压力随太阳直射辐射强度变化的曲线。
[0049]图6为太阳直射辐射强度变化时不同状态工质占DSG集热器管长比例的示意图。
[0050]图7为DSG集热器出口温度和压力随工质质量流量变化的曲线。
[0051]图8为工质质量流量变化时不同状态工质占DSG集热器管长比例的示意图。
[0052]图9为DSG集热器出口温度和压力随入口工质温度变换的曲线。
[0053]图10为入口工质温度变化时不同状态工质占DSG集热器管长比例的示意图。
[0054]图11为DSG集热器出口温度和压力随入口工质压力变化的曲线。
[0055]图12为入口工质压力变化时不同状态工质占DSG集热器管长比例的示意图。
【具体实施方式】[0056]下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明:
[0057]如图I所示的DSG集热器的简化物理模型:图I (a)为DSG集热器纵截面图;图I(b)为集热器吸热管横截面图,F为管内截面积;T为工质温度;Η为工质比焓;D为工质质量流量;P为工质压力;ω为工质流速;P为工质密度W1为聚光器所收集的太阳辐射能,Q2为金属管传递的太阳辐射热能;y为管长方向;r为管壁径向。
[0058]DSG集热器的工作过程是:太阳辐射能经聚光器反射后,穿过吸热管的玻璃封管和真空区投射在金属管管壁外表面上,再通过金属管管壁向内传递;工质(水、水蒸气或两相流)从吸热管的一端进入,在金属管内流动并与管壁发生对流换热,随之,其热力参数不断地发生变化。
[0059]为了便于建模并使其适用于非线性分布参数动态模型,特作如下假定:
[0060](I)金属管内径及壁厚沿管长均匀不变;
[0061](2)金属管外太阳辐射对管壁金属以及金属管壁对管内工质均只有径向放热;
[0062](3)金属管内工质在各横断面上的流速、温度等参数均采用其“横断面平均值”表示;
[0063](4)忽略金属管内外壁温差。
[0064](5)忽略DSG集热器的局部压降。
[0065](一)金属管管壁外侧的能量方程
[0066]DSG集热器运行时,太阳辐射能经过聚光器的反射,穿过吸热管的玻璃封管,投射到吸热管的金属管外壁面上。在该过程中,存在光学损失和热力学损失。
[0067]首先,聚光器所收集的太阳辐射能Q1为
[0068]Q1 = IdirectBnoptKia (I),
[0069]式(I)中,Idirat为太阳直射辐射强度;B为聚光器开口宽度;为DSG集热器光学效率;κτ α为入射角修正系数。
[0070]对于LS-2型DSG集热器:
[0071]Κτ a = cos θ +0. 000994 θ -0.00005369 θ 2 (2),
[0072]对于25m的LS-3型DSG集热器和50m的LS-3型DSG集热器:
[0073]Κτ a (25m) = 1-0. 00362 θ -I. 32337 · 10-4 θ 2 (3),
[0074]Κτ α (50m) = 1-0. 00188 θ -I. 49206 · 10-4 θ 2 (4),[0075]对于ET-IOO型DSG集热器:
[0076]Κτ α = cos Θ+5. 251Χ10-4 θ-2· 8596Χ10-5 Θ 2 (5),
[0077]式(2)、(3)、(4)、(5)中,θ为入射光线到聚光器法线的夹角。
[0078]其次,由能量平衡可知,在单位时间内,单位管长金属管传递的太阳辐射热能Q2为:
[0079]Q2 = Q1-Q1 (6),
[0080]式(6)中,q!为DSG集热器热力学损失。
[0081](二)金属管内传热和水动力模型
[0082]( 1 )质量守恒方程和能量守恒方程:
[0083]质量守恒方程:
[0084]q = 0
dy(7a),
[0085]式(7a)中,D为金属管内工质质量流量;y为沿管长方向长度。
[0086]能量守恒方程:
n_d[DI!)
[0087]----j-
dy(7b),
[0088]式(7b)中,H为金属管内工质比焓。
[0089]把式(7a)带入式(7b),整理得
dll _ P,
[0090]=…
Λ υ(8),
[0091](II)动量守恒方程:
[0092]工质在DSG集热器中的沿程压降主要由3部分组成:加速压降、重力压降和摩擦压降。而对于水平放置的DSG集热器,压降主要为摩擦压降,加速压降和重力压降可以忽略不计,
dP _ ?
[0093]7 = ~ i
办(9),
[0094]式(9)中,Pd为单位管长的摩擦压降。
[0095](III)管内传热方程:
[0096]Q2 = α2 . Ji Dab. i (TrT) (10),
[0097]式(10)中,Dab i为金属管内径;Τ」为金属管壁温度;T为金属管内工质温度。
[0098](IV)工质物性参数方程:
[0099]对于单相工质,工质的密度、温度、动力粘度、比热容、导热系数、普朗特数等参数均可由工质比焓和工质压力计算得到,
[0100]对于两相工质,其质量含汽率X可表示为:
H-Hf
[0101]X =--(11),

r
[0102]式(11)中,I*为汽化潜热;H'为当前压力下饱和水的比焓。[0103]两相工质的平均密度P可表示为:
[0104]
【权利要求】
1.DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法,其特征在于,包括如下步骤: 步骤1-A,建立DSG太阳能槽式集热器传热和水动力耦合稳态模型:
2.根据权利要求1所述的DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法,其特征在于,步骤2-2中所述的当前管段出口参数利用如下方法求得: 步骤a,根据前一管段出口参数计算当前管段出口压力初始值; 步骤b,在当前管段出口压力初始值下,利用无热损条件求得当前管段传递的太阳辐射热能理想值,步骤C,根据当前管段传递的太阳辐射热能理想值,利用步骤1所建DSG太阳能槽式集热器传热和水动力耦合稳态模型计算得到当前管段的出口参数、热损以及当前管段传递的太阳辐射热能实际值; 步骤d,在当前管段传递的太阳辐射热能理想值、实际值之差在单位管长传热量误差范围内时,进入步骤e ;否则,以当前管段传递的太阳辐射热能实际值取代理想值,返回步骤c ; 步骤e,根据步骤c得出的当前管段出口参数得到当前管段出口压力实际值; 步骤f,在当前管段出口压力初始值、实际值之差在出口压力误差范围内时,输出步骤c所述的当前管段出口参数,并将当前管段出口参数作为下一管段出口压力计算的初始数据;否则,以当前管段出口压力实际值取代当前管段出口压力初始值,返回步骤a。
3.根据权利要求1或2所述的DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法,其特征在于:步骤1-B的具体实施方法如下: 步骤1-B-1,确定聚光器所收集的太阳辐射能Q1,以聚光器所收集的太阳辐射能为金属管传递的太阳辐射热能的初始值,由金属管传递的太阳辐射热能的初始值确定工质比焓H; 步骤1-B-2,由工质比焓H判定工质相态; 步骤1-B-3,根据工质相态计算工质温度T、传热系数α 2, 对于单相工质:由工质温度T与工质压力P、工质比焓H的关系式确定工质温度Τ,由表达式a2: =0.023(Re)0.8(Pr)0.4k/Dab.i确定传热系数α2,其中,Re为金属管内工质的雷诺数,Pr为金属管内工质的普朗特数,k为导热系数,Dab.i为金属管内径; 对于两相工质:由工质温度T与工质压力P的关系式确定工质温度T,由表达式a2=hBS+h1F1确定传热系数α 2,其中,hB为水的核态沸腾传热系数,h1为饱和水传热系数,S,F1分别为限制因子和增强因子; 步骤1-B-4,由Q2 = α2.Ji Dab.i (Tj-T)确定金属管壁温度Tj ;
步骤 1-B-5,再由表达式 q1 = (a+c.Vwind) (Tj-Ta)+ε ab.b.(Tj4-Tsky4)确定集热器的热损q1;由聚光器所收集的太阳辐射能Q1与集热器的热损Q1的差值得到金属管传递的太阳辐射热能Q2,其中:Vwind为风速,Ta为环境温度,εab为吸热管发射率,Tsky为天空温度,a、b、c分别是对流、辐射和风速因子。
4.根据权利3所述的DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法,其特征在于步骤1-C的【具体实施方式】如下: 对于单相工质:由表达式(Pd)1ph=λ/Dab.j.ρω2/2得到单相工质时的摩擦压降(Pd)lph,其

中,λ为摩擦系数,ω为金属管内工质流速,ρ为工质密度; 对于两相工质:由表达式的(Pd)2ph=(Pd)1ph.water.φ得到两相工质的摩擦压降(Pd)2ph其中,(Pd) lph.water为工质为水时的摩擦压降,φ为Martinelli-Nelson两相乘子。
【文档编号】G06F17/50GK103577637SQ201310509057
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年10月24日 优先权日:2013年10月24日
【发明者】郭苏, 刘德有, 许昌, 王沛 申请人:河海大学
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