燃烧系统对热管接收器性能的影响分析

1 热管接收器的结构

混合式热管接收器以太阳能为主要能源, 生物质能作为辅助能源, 两者相互结合, 以保证持续稳定的电力输出。混合式热管接收器基本结构如图1所示。

燃烧器由4个预混管道组成, 围绕圆周均匀布置。燃烧方式采用预混无焰燃烧, 即燃料与空气预先混合成均匀的混合气体, 预混气体经过空气预热器加热送至燃烧器, 在燃烧器内进行着火、燃烧。

燃烧器形状为圆柱形, 均匀排列在圆周周围, 火焰呈环形, 燃烧器位于热管与外壁面之间, 置于接收器前部。燃烧器位于稳焰器和热管肋片之间。高温烟气泄露会引起热量损失, 所以在燃烧系统工作时, 要关闭接收器腔体, 封闭面材质选用石英玻璃窗。

为了获得稳定的燃烧室流场, 使燃烧效率提高, 同时尽量减少污染物的生成, 燃烧可以选择采用烟气再循环技 (EGR) 术或燃气再循环技术 (CGR) , 如图2所示[1]。烟气、燃气再循环的原理是将部分烟气或燃气与燃烧需要的空气混合后形成混合气体, 一同进入燃烧室燃烧, 可以降低燃烧温度和氧浓度, 进而达到目的。烟气再循环消耗机械工较多, 因为再循环废气需要两次穿过空气预热器, 造成较大的压力损失。采用燃气再循环技术则不存在这个问题, 因为通过空气预热器的烟气量的降低, 使空气预热器的尺寸减少, 进而减小风机机械能的消耗;另一方面用于循环的燃气只在燃烧室内循环, 不会造成再循环燃气的流量控制、增压等问题[2]。

图2烟气再循环技术和燃气再循环技术对比 (上图EGR循环, 下图为CGR循环)

2 燃烧热负荷与斯特林发动机功率的关系

燃烧系统带动斯特林发动机启动。运行初始阶段, 热管内工质吸收燃烧产生的热量由固态转化为液态。在这个阶段, 蒸发段和冷凝段之间的温差不超过300℃[3]。随着燃烧热负荷的增加, 当热管温度达到500℃时, 热管就会到达等温状态, 内部工质全部转变为液态。因此, 如果混合式热管接收器只是在燃气模式下运行, 当热管内工质温度达到500℃时, 可以认为斯特林发动机开始运行。由试验数据可知, 斯特林发动机由燃气燃烧提供热量时, 燃烧热负荷达到10k W, 热管内部温度趋于稳定, 斯特林发动机开始做功。若太阳能和生物质气共同给斯特林热机提供热量, 热管内工质熔化的问题则不用考虑。燃烧器燃烧热负荷的可调节范围设定为总负荷的10%~100%, 得到燃烧最高热负荷为35k W, 最低热负荷为3.5k W。假定系统为理想系统, 当太阳能热量供应不足时, 生物质气燃烧产生的热量能够保证斯特林热机的热量输入。因此, 可以假定热管内工质温度稳定, 为工质的两相温度700℃。燃烧热负荷与斯特林发动机功率的关系如图3所示。由图可以得出, 当斯特林发动机热量全部来自燃气的燃烧时, 斯特林发动机在热负荷达到3.5k W时启动, 此时可以输出功0.665k W, 发电效率19%, 略高于实验值17%。

3 外部保温材料厚度的确定

热管两侧均有热量损失, 内部是接收器腔体, 外部是燃烧系统。因此, 热管的热量损失主要有两种

(1) 接收器孔口存在对流换热损失;

(2) 通过接收器外壁的热量损失;

热量损失可以通过合理的设计接收器, 并采取一定的保温措施来降低。通过孔口的对流换热损失较小, 可以忽略;而接收器外壁的热量损失较大, 应该成为设计的主要侧重点。可以通过在腔体外壁面敷设绝热保温材料, 使接收器外壁面的对流换热损失降低, 进而达到目的。

选择硅酸铝耐火纤维作为腔体外壁面绝热保温材料, 硅酸铝耐火纤维的热物性如表1。

接收器外侧辐射保温绝热层, 虽然增加了导热热阻, 使接收器的传导热损失降低, 但是同时接收器外壁面的换热面积增加, 对流换热热损失可能会增加, 因此需要求得临界绝缘直径, 使得接收器的热量损失达到最小值, 临界绝缘直径的求解公式为

h—外壁面对流换热系数

K—泡沫导热导率

rcr—临界绝缘直径

由于热管接收器的腔体并不是规整的圆柱形状, 因此公式1不能直接应用, 所以当保温层厚度发生变化时, 需要对不同情况下的热量损失进行模拟分析, 确定在不同保温层厚度下热管接收器的热量损失。热管工作温度稳定, 因此可以假设当保温层不存在的时候, 温度眼热管外壁面均匀分布, 为973K, 假定外界环境温度稳定。当量直径为腔体深度, 200mm。

运用有限元方法进行热管接收器热量损失的模拟, 结合能量守恒方程和传热方程, 由公式 (2) 得到对流换热Nusselt数[4]。

假定接收器和燃烧室内部的空气为理想气体, 通过对不同保温层厚度下热管接收器热量损失的模拟, 分析保温层厚度对热量损失的影响。通过对模拟结果进行分析, 可以得到当保温层厚度增加时, 通过接收器外壁面的热量损失会降低, 使热管内壁面温度升高。保温层厚度为180mm, 热量损失不到原来的17%, 保温层厚度为200mm, 热量损失不到原来的10%;保温层厚度超多200mm, 热管换热器的热量损失随着保温层的厚度没有明显变化。

4 结论

(1) 碟式太斯特林太阳能热发电系统以太阳能为主要能源, 生物质能为辅助能源, 生物质气的燃烧热负荷调节范围为10%~100%。通过模拟分析当热管接收器全部由生物质燃烧提供热量时, 斯特林发动机发电效率为19%。

(2) 对不同保温层厚度下接收器的热量损失进行模拟分析, 得到接收器外壁面最佳保温层厚度为200mm。

摘要：本文给出了一种斯特林机用的混合式热管接收器的结构设计, 分析燃烧功率和保温层厚度对接收器性能的影响, 找出燃烧系统的最佳运行方式。

关键词：热管接收器,燃烧功率,保温层厚度

参考文献

[1] 朱辰元, 薛飞, 汪海贵, 陈国强, 李冰.热气机空气预热器的研制[J].能源技术, 2006, 27 (3) :133-135.

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[4] 李铁.碟式聚光太阳能热发电系统用斯特林发动机的研制[D].北京:中国科学院研究生院, 2011.