本發(fā)明屬于塔式太陽(yáng)能吸熱器并聯(lián)管應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種基于非均勻熱流密度下c型并聯(lián)管的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、二氧化碳在自然界中廣泛存在且原料易獲得，具有無(wú)污染、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。co2臨界點(diǎn)參數(shù)較低(7.38mpa，35℃)，加溫加壓到超臨界狀態(tài)作為傳熱流體，具有流動(dòng)性好、傳熱效率高、壓縮功率小等優(yōu)勢(shì)。這些特性使超臨界二氧化碳(s-co2)適合用于熱力循環(huán)，有望在核能發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、燃煤發(fā)電領(lǐng)域得到應(yīng)用。太陽(yáng)能發(fā)電主要分為光熱發(fā)電和光伏發(fā)電，結(jié)合s-co2布雷頓循環(huán)的塔式太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)是第三代聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電(csp)最具潛力的方法之一。

2、塔式太陽(yáng)能吸熱器主要分為外置式和空腔式兩種，其中空腔式吸熱器結(jié)構(gòu)緊湊、熱損失相對(duì)較小，但其通常處于高度非均勻的太陽(yáng)能流下，導(dǎo)致吸熱器管外壁出現(xiàn)局部超溫、溫度梯度大，各管出口溫度不均勻等問(wèn)題，給系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來(lái)巨大隱患。吸熱器由一系列支管組成的并聯(lián)管組構(gòu)成，并聯(lián)管流動(dòng)布置方式主要分為c型、i型、z型和n型，c型流動(dòng)布置特點(diǎn)是流量分配較其它幾種布置均勻，因此得到廣泛應(yīng)用。但在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，仍存在超溫及出口流體溫度熱偏差的問(wèn)題。目前針對(duì)以上問(wèn)題解決的辦法主要是強(qiáng)化流體的傳熱能力，針對(duì)并聯(lián)管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的研究成果比較少，暫無(wú)相關(guān)專(zhuān)利和論文。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于非均勻熱流密度下c型并聯(lián)管的設(shè)計(jì)方法，可使塔式太陽(yáng)能吸熱器并聯(lián)管在高度非均勻的熱流密度下，降低管外壁最高溫度及使出口流體溫度均勻，提高吸熱器運(yùn)行的安全性。

2、為實(shí)現(xiàn)上述效果，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

3、一種基于非均勻熱流密度下c型并聯(lián)管的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

4、步驟(1)：采集各管管外壁受熱側(cè)平均熱流密度；

5、步驟(2)：采集各管質(zhì)量流量及管外壁吸熱量；

6、步驟(3)：得到各管吸熱量與標(biāo)準(zhǔn)管吸熱量的比值；

7、步驟(4)：將比值開(kāi)算數(shù)平方根得到一個(gè)新的比值；

8、步驟(5)：計(jì)算各管內(nèi)徑的初步理想取值；

9、步驟(6)：基于各管的初始質(zhì)量流量分配提出流量系數(shù)修正系數(shù)；

10、步驟(7)：結(jié)合流量修正系數(shù)得到最終理想內(nèi)徑；

11、步驟(8)：將計(jì)算的理想內(nèi)徑與偏心管結(jié)合，構(gòu)成并聯(lián)管新結(jié)構(gòu)。

12、進(jìn)一步地，所述步驟(1)中，一個(gè)并聯(lián)管組包括十根支管及兩根母管。吸熱器包含多個(gè)并聯(lián)管組，一個(gè)并聯(lián)管組中的各支管管外壁平均熱流密度是針對(duì)10根支管向陽(yáng)側(cè)的，其中每根支管只采集管外壁面積一半的熱流密度均值，另一半為絕熱側(cè)；熱流密度符號(hào)記為qwo，單位為kw/m2。

13、進(jìn)一步地，所述步驟(2)中，各支管管外壁吸熱量為支管平均熱流密度與該支管一側(cè)表面積的乘積，符號(hào)為qn(n＝1,2,3,......,10)，單位為kw，qn＝a·qwo,n(n＝1,2,3,......,10)，a為一根管管外壁面積的一半；質(zhì)量流量分配為所述并聯(lián)管組中母管進(jìn)口總質(zhì)量流量經(jīng)過(guò)分流后流入各支管的質(zhì)量流量，記為gm,n(n＝1,2,3,.......,10)，單位為kg/s。

14、進(jìn)一步地，所述步驟(3)中，令α1:α2:.....:α10＝q1:q2:......:q10，因各管吸熱量呈中心對(duì)稱分布，所以選擇標(biāo)準(zhǔn)管為3號(hào)管或8號(hào)管，令α3,8＝1，其中α1至α10為一個(gè)可變的比值，無(wú)具體含義。

15、進(jìn)一步地，所述步驟(4)中，將新比值記為βn(n＝1,2,3,......,10)，由于質(zhì)量流量與半徑的平方成正比，所以令αn為各支管管外壁吸熱量q1到qn的相對(duì)比值，n為1到10，代表各支管序號(hào)，該比值取值范圍為大于0且小于2。

16、進(jìn)一步地，所述步驟(5)中，各支管初始內(nèi)徑記為di,n(n＝1,2,3,......,10)，記內(nèi)徑的初步理想取值為di,n﹡(n＝1,2,3,......,10)，di,n﹡＝di,n×βn。

17、進(jìn)一步地，所述步驟(6)中，因?yàn)閡型并聯(lián)管有質(zhì)量流量分配不均勻的問(wèn)題，因此需要對(duì)di,n﹡進(jìn)行修正，由步驟(3)得到各管平均質(zhì)量流量為記流量修正系數(shù)為

18、進(jìn)一步地，所述步驟(7)中，記10根支管各管最終理想內(nèi)徑分別為di,n(n＝1,2,3,......,10)，

19、更進(jìn)一步地，所述步驟(8)中，在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，保持支管內(nèi)外徑不變，改變偏心率ec，構(gòu)成偏心結(jié)構(gòu)，在偏心管的基礎(chǔ)上，由步驟(7)變徑方案計(jì)算得到的10根支管的新內(nèi)徑，保持偏心率ec不變，由公式計(jì)算偏心距e的大小，按照計(jì)算得到的新偏心距以及新內(nèi)徑的大小來(lái)構(gòu)成并聯(lián)管新結(jié)構(gòu)。

20、本申請(qǐng)的優(yōu)點(diǎn)在于：

21、1.本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N基于非均勻熱流密度下c型并聯(lián)管的設(shè)計(jì)方法，可提高吸熱器運(yùn)行安全性。吸熱器在非均勻熱流密度下熱梯度、熱偏差較大，流量分配不夠均勻，容易出現(xiàn)熱損失大、超溫爆管等問(wèn)題，對(duì)吸熱器的安全運(yùn)行帶來(lái)一系列隱患。如果能對(duì)吸熱器核心部件的并聯(lián)管進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，就可以提高運(yùn)行的安全性。

22、2.本申請(qǐng)以“熱量-流量”匹配原則為指導(dǎo)，核心在于通過(guò)變徑來(lái)改變并聯(lián)管的流量分配，使得重新分配后的流量與管外的非均勻熱流密度相匹配，實(shí)現(xiàn)出口流體溫度均勻，其次結(jié)合偏心管能大幅降低管外壁的溫度的優(yōu)勢(shì)，新結(jié)構(gòu)兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)。

23、3.并聯(lián)管新結(jié)構(gòu)能減少熱量損失，減小流體匯流時(shí)的傳熱溫度差，并聯(lián)支管周向及軸向溫差的減小能降低金屬管壁的熱應(yīng)力，在金屬疲勞、斷裂、蠕變等問(wèn)題上也有一定預(yù)防作用。

技術(shù)特征：

1.一種基于非均勻熱流密度下c型并聯(lián)管的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非均勻熱流密度下c型并聯(lián)管的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(1)中，一個(gè)并聯(lián)管組包括十根支管及兩根母管，吸熱器包含多個(gè)并聯(lián)管組，一個(gè)并聯(lián)管組中的各支管管外壁平均熱流密度是針對(duì)10根支管向陽(yáng)側(cè)的，其中每根支管只采集管外壁面積一半的熱流密度均值，另一半為絕熱側(cè)；熱流密度符號(hào)記為qwo，單位為kw/m2。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于非均勻熱流密度下c型并聯(lián)管的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(2)中，各支管管外壁吸熱量為支管平均熱流密度與該支管一側(cè)表面積的乘積，符號(hào)為qn(n＝1,2,3,......,10)，單位為kw，qn＝a·qwo,n(n＝1,2,3,......,10)，a為一根管管外壁面積的一半；質(zhì)量流量分配為所述并聯(lián)管組中母管進(jìn)口總質(zhì)量流量經(jīng)過(guò)分流后流入各支管的質(zhì)量流量，記為gm,n(n＝1,2,3,.......,10)，單位為kg/s。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于非均勻熱流密度下c型并聯(lián)管的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(3)中，令α1:α2:.....:α10＝q1:q2:......:q10，因各管吸熱量呈中心對(duì)稱分布，所以選擇標(biāo)準(zhǔn)管為3號(hào)管或8號(hào)管，令α3,8＝1，其中α1至α10為一個(gè)可變的比值，無(wú)具體含義。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于非均勻熱流密度下c型并聯(lián)管的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(4)中，將新比值記為βn(n＝1,2,3,......,10)，由于質(zhì)量流量與半徑的平方成正比，所以令αn為各支管管外壁吸熱量q1到qn的相對(duì)比值，n為1到10，代表各支管序號(hào)，該比值取值范圍為大于0且小于2。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非均勻熱流密度下c型并聯(lián)管的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(5)中，各支管初始內(nèi)徑記為di,n(n＝1,2,3,......,10)，記內(nèi)徑的初步理想取值為di,n﹡(n＝1,2,3,......,10)，di,n﹡＝di,n×βn。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于非均勻熱流密度下c型并聯(lián)管的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(6)中，對(duì)di,n﹡進(jìn)行修正，由步驟(3)得到各管平均質(zhì)量流量為記流量修正系數(shù)為

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于非均勻熱流密度下c型并聯(lián)管的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(7)中，記10根支管各管最終理想內(nèi)徑分別為di,n(n＝1,2,3,......,10)，

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于非均勻熱流密度下c型并聯(lián)管的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(8)中，保持支管內(nèi)外徑不變，改變偏心率ec，構(gòu)成偏心結(jié)構(gòu)，在偏心管的基礎(chǔ)上，由步驟(7)變徑方案計(jì)算得到的10根支管的新內(nèi)徑，保持偏心率ec不變，由公式計(jì)算偏心距e的大小，按照計(jì)算得到的新偏心距以及新內(nèi)徑的大小來(lái)構(gòu)成并聯(lián)管新結(jié)構(gòu)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于塔式太陽(yáng)能吸熱器并聯(lián)管應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種基于非均勻熱流密度下C型并聯(lián)管的設(shè)計(jì)方法，其步驟如下：采集各管管外壁受熱側(cè)平均熱流密度；采集各管質(zhì)量流量及管外壁吸熱量；得到各管吸熱量與標(biāo)準(zhǔn)管吸熱量的比值；將比值開(kāi)算數(shù)平方根得到一個(gè)新的比值；計(jì)算各管內(nèi)徑的初步理想取值；基于各管的初始質(zhì)量流量分配提出流量系數(shù)修正系數(shù)；結(jié)合流量修正系數(shù)得到最終理想內(nèi)徑；將計(jì)算的理想內(nèi)徑與偏心管結(jié)合，構(gòu)成并聯(lián)管新結(jié)構(gòu)。本申請(qǐng)以“熱量?流量”匹配原則為指導(dǎo)，核心在于通過(guò)變徑來(lái)改變并聯(lián)管的流量分配，使得重新分配后的流量與管外的非均勻熱流密度相匹配，實(shí)現(xiàn)出口流體溫度均勻，其次結(jié)合偏心管能大幅降低管外壁的溫度的優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)研發(fā)人員：施偉杰,肖文靜,田軍,徐游波,劉書(shū)舟
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東方電氣集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6