基于場協同原理的塔式太陽能熔鹽接收器傳熱性能提升
《Applied Thermal Engineering》：Heat transfer enhancement of tower solar molten-salt receiver based on the field synergy principle
【字體：
大
中
小
】
時間：2026年03月03日
來源：Applied Thermal Engineering 6.9
編輯推薦：
熔鹽作為塔式太陽能聚光器傳熱流體，具有高溫穩定性與低成本優勢。針對非均勻熱流下水平與垂直吸收管傳熱性能差異及優化設計，基于場協同原理設計梯形漸變插件，實驗表明在4kg/s質量流率下插件使平均傳熱系數提升119%，壁面溫度不均勻性降低47%，有效緩解熱應力問題。
楊兆清|王文昭|劉云
中國華北電力大學能源動力與機械工程學院，低碳高效發電技術河北省重點實驗室，保定071003
摘要
熔鹽作為塔式太陽能集熱器中的傳熱流體（HTF），能夠實現較高的工作溫度、優異的熱穩定性以及相對于水/蒸汽和導熱油等傳統流體的較低成本。以往的研究已經探討了腔體形狀、熱流密度和內部插件對熔鹽吸收管流動和傳熱特性的影響。然而，關于塔式太陽能發電系統中非均勻熱流條件下水平和垂直熔鹽吸收管的對流傳熱性能的研究相對較少。本研究首先分析了管子方向對傳熱特性的影響，以提高熔鹽吸收管在非均勻熱流條件下的對流性能。隨后應用場協同原理設計了三種新型的錐形分級插件，這些插件位于協同角度較大的區域，并對其熱液性能進行了評估。本研究的創新之處在于將場協同原理作為設計工具，而非僅僅用于事后分析來增強熔鹽吸收器的性能。結果表明，錐形擋板插件取得了最佳的整體性能。在質量流量為4 Kg·s?1時，其平均傳熱系數提高了約119%，周向壁溫差降低了約47%。盡管由于流動阻力的增加，性能評估指標（PEC）仍低于1，但所提出的插件顯著提升了傳熱效果并改善了壁溫均勻性，這對于緩解實際集熱器中的周向溫差非常有益。
引言
近年來，太陽能塔式技術逐漸成為太陽能熱發電領域的研究熱點。圖1展示了一個典型的塔式太陽能熱發電系統。在該系統中，中央集熱器是收集集中太陽輻射并將其傳遞給傳熱流體的關鍵部件。目前，集熱器大致分為腔體式和外部式兩種類型。腔體式集熱器通常具有較高的熱效率，但熱吸收面積較小，布局要求較為嚴格；而外部式集熱器的熱效率稍低，但提供了較大的熱吸收面積、更靈活的布局以及更高的聚光鏡場土地利用率和更大的發電能力[1]，因此更適合大規模應用。與其他工作介質相比，熔鹽具有寬工作溫度范圍、低壓、低粘度、高可靠性和低成本等優點[2]，使其更適合作為塔式太陽能熱發電系統的工作介質[3]。然而，聚光鏡場反射的太陽輻射具有強烈的非均勻性，這可能導致熔鹽吸收管內部產生過大的熱應力，并在運行過程中影響熔鹽的熱物理性質，從而降低傳熱性能。因此，研究非均勻熱流條件下的熔鹽塔式集熱器具有重要意義。
曾等人[4]和董等人[5]分別采用調制光熱輻射法和實驗方法研究了高熔點熔鹽在管內的傳熱特性，并驗證了一些經典的對流傳熱關聯公式可以描述熔鹽管內的傳熱過程。然而，關于非均勻熱流邊界條件下熔鹽的流動和傳熱性能的研究相對較少，尤其是同時考慮水平和垂直管的情況。例如，張等人[6]使用感應加熱方法模擬了非均勻熱流邊界，并研究了吸收管內線圈功率對熔鹽工作介質加熱效率的影響。結果表明，熔鹽入口溫度的升高會導致加熱效率的下降。常等人[7]對比分析了太陽能吸收管內工作介質的溫度分布和吸收管所承受的熱應力，發現Dittus-Boelter方程適用于計算非均勻熱流條件下的圓管傳熱。邱等人[8]通過數值模擬和實驗相結合的方法研究了多種熔鹽在非均勻熱流條件下的流動和傳熱過程，結果表明數值模擬結果與實驗數據的誤差小于5%。顏建國等人[9]通過模擬方法研究了具有非均勻熱流邊界的熔鹽吸收管內的流動和傳熱情況，并與多種公式進行了對比分析，發現Gnielinski公式更為適用且偏差較小。
另一方面，楊等人[10]、Loni等人[11]、Nahyan等人[12]、Sajid等人[13]研究了熔鹽集熱器的幾何和輻射參數，如腔體形狀和入射熱流分布。當吸收管壁受到強烈的非均勻輻射熱流時，容易產生溫度不均勻和過大的熱應力問題。因此，許多學者通過在吸收管內安裝內部插件和改變吸收管形狀來減少溫度和熱應力的不均勻性。Soltani等人[14]通過實驗和數值模擬相結合的方法優化了一種帶有螺旋擋板的圓柱形腔體集熱器，其傳熱性能提高了65%。鄭等人[15]分析了含有多孔介質的吸收管內熔鹽的流動和傳熱過程，結果表明多孔介質的排列可以提升熔鹽的傳熱性能并減少吸收管的溫度不均勻性。Shatnawi等人[16]通過數值方法研究了帶有不同類型鰭片的吸收管，結果表明鰭片數量越多，最大溫度的降低幅度越大。Tu等人[17]研究了在非均勻熱流邊界條件下帶導向葉片的塔式太陽能吸收器的傳熱性能，結果表明內部插件使得壁溫分布更加均勻，熔鹽吸收管內的峰值溫度更低。
從上述討論中可以看出，盡管對熔鹽吸收管的研究較為廣泛，但仍存在一些研究空白。大多數現有研究集中在均勻熱流條件或傳統增強技術上，而塔式集熱器中非均勻太陽熱流條件下管子方向（水平 vs. 垂直）的影響尚未得到充分關注。此外，吸收管內的內部流場在很大程度上決定了熔鹽的對流傳熱性能。然而，在現有研究中，熔鹽吸收管內傳熱增強插件的設計和布置主要依賴于經驗或半經驗試錯方法，盡管場協同原理已被廣泛用于事后分析以解釋傳熱增強現象，但其作為非均勻熱流條件下內部增強結構設計準則的潛力尚未得到充分探索。
為了解決這些空白，本研究探討了非均勻熱流邊界條件下水平和垂直熔鹽吸收管的傳熱特性，并引入場協同原理來指導高溫熔鹽吸收管中傳熱增強插件的合理結構設計和空間布局。本文首先計算了非均勻熱流條件下光滑水平管內的體積平均場協同角度，然后利用局部場協同角度的分布識別出協同效果較差的區域，并在這些區域設計了三種新型的錐形分級內部插件。最后，進一步分析和比較了裝有不同插件的熔鹽吸收管的流動和對流傳熱性能。本工作的創新之處在于將管子排列分析、非均勻太陽熱流與場協同引導的結構設計相結合。
部分摘錄
物理模型
在塔式太陽能熱發電系統中，外部集熱器吸收集中太陽輻射并將其轉化為熱能。入射的太陽輻射聚焦到吸收管上，熔鹽在此被加熱至高溫后流入熱儲存罐和蒸汽發生器。在蒸汽發生器中，高溫熔鹽將熱量傳遞給水，產生過熱蒸汽，驅動蒸汽輪機進而發電。
模型驗證
為了驗證本研究數值模擬方法的準確性和可靠性，我們在相同邊界條件下將數值結果與實驗數據進行了對比。首先，與Shen [23]的實驗數據進行了比較。如圖3(a)所示，當前數值模型計算的努塞爾數與實驗結果存在輕微偏差。由于本研究未考慮熱耗散，因此存在系統誤差
水平和垂直吸收管中吸收管排列的影響
為了研究管子方向對熔鹽吸收管傳熱性能的影響，模擬了不同質量流量下熔鹽在水平和垂直管內的流動情況。圖5展示了質量流量為2 kg·s?1時，水平和垂直吸收管中z = 0截面處的熔鹽速度矢量場。在水平管中可以觀察到明顯的縱向渦流結構
結論
本研究以塔式太陽能集熱器中的單個吸收管作為參考模型，并采用HFCAL方法施加了非均勻的壁面熱流分布。全面分析了不同管子方向的熔鹽傳熱性能，結果表明熔鹽的場協同效應沿流動方向逐漸減弱。基于這一觀察結果和場協同原理，設計了三種分級內部插件
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文的研究工作。
致謝
本研究得到了北京市自然科學基金（編號：3252031）的支持。
生物通微信公眾號
生物通新浪微博
今日動態 |
人才市場 |
新技術專欄 |
中國科學人 |
云展臺 |
BioHot |
云講堂直播 |
會展中心 |
特價專欄 |
技術快訊 |
免費試用
版權所有 生物通
Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved
聯系信箱：
粵ICP備09063491號
