太阳能热管式吸热蓄热器的分析

、b1．28 NO．1 January 20l1 安 徽 工 业 大 学 学 报(自然科学版 ) J．ofAnhui University ofTechnolo~y(Natural Science 第28卷 第1期 2011年 1月 文章编号：1671．7872(2011)01—0031-03 太阳能热管式吸热蓄热器的炯分析 胡爱凤 (安徽工业大学 冶金与资源学院，安徽 马鞍山243002) 摘要：从热力学的角度炯来分析热管式太阳能吸热蓄热器，结合实例计算热管式太阳能吸热蓄热器热平衡和炯平衡。得出热 管式太阳能吸热蓄热器炯损失的主要原因是传热的不可逆性引起的佣损失。减少炯损失的关键措施是减小冷热源之间的传 热温差、提高冷热源的温度水平。 关键词：太阳能；热管；吸热器；炯 中图分类号：TKI7 文献标识码 ：A doi：10．3969~．issn．1671—7872．2011．01．009 Exergy Analysis of Solar Heat Pipe Receiver HU Ai-feng (School of Metallurgy&Resources，Anhui University of Technolegy，Ma’anshan 243002，China) Abstract：It is analysed exergy of the solar heat pipe receiver at the thermodynamics，the therm al equilibrium and the exergy equilibrium of which are calculated based on the example．The main reason for the exergy loss of the solar heat pipe receiver is irreversible exergy loss of heat tran sfer．The key measures to reduce its exergy loss are reduction temperature difference and raising temperatures of hot and cold source． Key words：solar；heat pipe；receiver；exergy 热管式太阳能吸热蓄热器是一种用于太阳能热动力发电系统中的能量转换装置。当前，对热管式吸热 蓄热器的研究主要是在热分析的试验研究、数值计算、模拟、仿真等方面，并未得到实际应用”。 。对于能量转 换装置来说，转换效率决定着其可行性。热管式太阳能吸热蓄热器的转换效率直接影响到发电系统的效 率。在热工中效率通常用的是热效率和炯效率。热效率是在被消耗能量中有效利用能量所占的比例；炯是 能量中的可用能部分，是某种能量理论上能够可逆转换为功的最大数量，炯效率是被消耗的炯中有效利用炯 的比例[41。热力学第一定律揭示了不同形式的能量在转换时数量上的守恒关系，但没有区分不同形式的能量 在质上的差别。佣的提出弥补了这一缺陷，说明了各种能量在转换时，其质量或品味的变化。鉴于以上的考 虑，从炯的角度分析热管式吸热蓄热器在把太阳能转变为热能的过程中炯的变化，找出影响炯效率的因素， 探讨提高炯效率的措施。 1 热力学分析 由热管式吸热蓄热器的工作原理可知：在空间站处于日照期时，用聚能器截取太阳能(图1)，将其聚集 到吸热蓄热器的圆柱形空腔内，吸收转换成热能 Q。其中一部分热能 Ql传递给循环工质以驱动热机发电； 另一部分热能封装在多个小容器内的相变蓄热材料(PCM)，通过融化而吸收储存起来。在轨道阴影期 ， PCM在相变点附近凝固放热，循环工质同时得到热量Q：。这时蓄热器起到充当热机热源加热循环工质的 作用，使空间站处于阴影期时仍能连续工作 。 收稿日期 ：2010．05 25 基金项目：安徽工业大学青年教师科研资助项目(QZ200902) 作者简介：胡爱凤(1979．)，女，江苏溧水人，讲师，硕士，主要从事热能与动力研究。 32 安 徽 工业 大学 学 报(自然科学版) 2011钽 聚能器内温度为 ，由于光照期太阳能源源不断 地射进来 ，可视其为等温热源。日照期循环工质的进 出口温度分别为 ，T1'。；阴影期内循环工质进出口温 度分别为 ， 。因此整个热管吸热蓄热器系统消耗 的能量具有 的佣为系统总耗热量 Q具有 的热量 炯 ， 即： PCM容器 热管 太阳能 E x ：0／1-下To 1 (1) i ＼ ／ 图 1 热管式太阳能吸热蓄热器工作原理图 日照期工质得到的热量 Ql，由于工质进出口的温 度发生变化，属于变温热源，因此不能简单地套用式(1)来计算热量炯，但对于微小放热过程 6 Ql，仍可套用 式(1)。 dE=iSQl(1-了To] 对整个 日照期吸热 Q ，热量炯为： ： 』( 一等)6Ql 工质吸收热量，在元相变时，焓将增加。它们之间的关系为： 5Ql=dHI= CpdT 总吸热量 Q。与总焓变之间的关系为： Q1=~／-Z1= c ( 一 1) 其中： 为工质的质量，kg；c 为热源的质量定压热容，J／(kg·K)。 工质吸收热量 Q ，温度从 。’升至 时得到的热量炯为： = 6 i(卜≥) ’ 一 n争 一 在阴影期内蓄热器将热量通过热管传递给循环工质，工质温度从 变化到 吸收的热量为Q2。同理 可得，工质得到的热量删为： [卜鑫 乏j 该循环周期的能量平衡方程为：Q=Q1+Q2+ ，其中gs为散热损失。 ‘ 根据能量方程对应写出炯平衡方程式为： E x = Ex +E ． +I c+I s 其中： 是由散热损失 所引起的外部炯损失；，c是由传热的不可逆所引起的内部佣损失。 2 实 例 取1个周期计算，日照期时问66min，阴影期时间为27min。Et照期输入功率为45．37kW，输出功率为29． 33．9kW。工质的质量流量为0．547 6kg／s，聚能器内温度 为2 218 K，环境温度 为298 K。日照期循环工质 的进出VI温度 分别为818，1 021 K；阴影期内循环工质进出1：3温度 ， 分别为818，996K。部分数据参 考文献[6]。根据这些数据计算的热平衡项为：Q=179 665 kJ；Q1=130 391．7 kJ；Q2=46 773-3； =2 500 kJ。 炯平衡项为：Ex=155 526．1 kJ； ，=87 960_3 kJ； =31 356．1 10；Is=2 164．1 kJ；Ic=28 518kJ。 从计算的结果可以看出热管式吸热蓄热器的热损失很小 ，热效率为 98．6％；炯损失较大，炯效率为 80．3％，其中传热佣损失要比散热炯损失大的多，传热炯损失占总炯损失的92．9％，可见热管式吸热蓄热器主 要炯损失由传热引起。这是由于实际过程中传热是在有限温差下进行的传热过程，有温差的传热是不可逆 过程，即使没有热量损失，也会产生删损失。因此单靠提高热管式吸热蓄热器的热效率来提高其佣效率的 第l期 胡爱凤：太阳能热管式吸热蓄热器的炯分析 33 — — — — — _ — — — — — — — _ — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — _ — 一 — — — — — _ — — — — — — — — — — — — — — — — — — — ● — — — ● — _ _ — - — — — — — ’ — — — — - — — — — — _ _ _ — — — — — — — — — _ — — — - — — — — — — — — — — ● — — — — — — — — _ — — — — — — — — _ — — — — — ● — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — ， — — — — — — — _ — — — _ — — — 一 潜力很有限。影响最大的是传热的不可逆拥损失。 以横坐标为Q，纵坐标为 仇=1一 作出图2，当热管式吸热蓄热器传递微小热量 6Q，则 r／c6Q即为传递 微小热量的炯的变化。直线下的总面积 1 2-0．7—1 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示热源炯的变化，曲线下的总面积3．4 5-6．7—0—3表示工 质炯的变化。因此两线之间的面积 1—2．3—4⋯5 6 1(阴影部分)即为传热炯损失。 由图2可见，传热温差增大，两条线之间的距离将 扩大，传热炯损失将增加。要减小传热炯损失，也即减 小阴影部分的面积，必须缩短两条线之间的距离，在实 际操作上就是要减小热源的温度 ，提高工质的吸热温 度。由文献[7]可知，传热温差相同时，传热．J用损失还 与冷热源温度的乘积成反比。即当传热温差不能再减 小时，可以让冷热源的温度水平提高，达到减小传热炯 损失的目的。 3 结 论 (1)影响热管式太阳能吸热蓄热器炯效率的因素： 图2传热过程的仇一Q图 实际传热过程的不可逆性引起的J肼j损失；与传热过程中散热损失相对应的删损失。其中第一个因素为影响 热管式太阳能吸热蓄热器炯效率的主要因素。 (2)提高热管式太阳能吸热蓄热器焖效率的措施有：减小冷热源之间的传热温差；当传热温差不能再减 小时，提高冷热源的温度水平；减小传热过程中散热损失。 参考文献 ： [1]1桂晓宏，袁修干，徐伟强．先进太阳能热动力系统热管吸热器数值模拟[J]．系统仿真学报：2005，17(9)：2247．2250 [2】桂晓宏，袁修干，徐伟强．先进太阳能热动力系统单元热管吸热器仿真分析【J]．宇航学报，2005，26(6)：780．783． [3】桂晓宏 ，袁修干，宋香娥 ，等．太阳能热动力系统单元热管吸热器建模与仿真[J]．中国电机工程学报，2006，26(13) 103一lO7． 【4】沈维道，蒋智敏，童钧耕．工程热力学[M】．北京：高等教育出版社，2001． 【5]5桂晓宏，袁修干．先进太阳能热动力发电系统吸热／蓄热器研究[J】．航空动力学报 ，2003，18(5)：645．649． [6]6徐伟强，崔海亭，袁修干．热管式吸热器单元热管传热的数值模拟分析[J]．太阳能学报，2005，26(3)：338—342． 【7】汤学忠．热能转换与利用[Ml E京 ：冶金工业出版社，2001．