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吸热器为太阳能热发电系统的核心部件之一,强化吸热管传热过程对于提高吸热器效率意义重大。本文对吸热管传热过程及强化途径进行了深入的理论与实验研究。以三元熔融盐为传热工质,研究了不同结构参数的螺旋槽管和横纹管的传热和流阻性能。通过测量吸热管的流量、进出口温度和管外壁温度,计算出管内的对流传热系数α和努塞尔数Nu。模拟了吸热管的压降,并计算出阻力系数f。通过不确定因素分析,对螺旋槽管和横纹管的管内对流传热系数α和管内努塞尔数Nu的误差进行了分析,结果表明:螺旋槽管和横纹管的对流传热系数α的相对误差分别为1.94%和2.04%,努塞尔数Nu的相对误差分别为2.07%和2.35%。
建立了螺旋槽管和横纹管传热与流动的数学模型及控制方程,采用标准k-ε模型和非结构化网格进行数值计算。应用FLUENT软件模拟出螺旋槽管轴向温度分布、速度分布和外壁面温度分布,横纹管的流线图,拟合出努塞尔数Nu与Re数关系曲线、阻力系数厂与Re数关系曲线。实验验证了所模拟的努塞尔数Nu与Re数关系曲线,分析了螺旋槽管和横纹管努塞尔数Nu和阻力系数f随Re数的变化规律。在相同强化传热效果下,横纹管的阻力损失明显比螺旋槽管大,且更适合于高Re数下强化管内传热。
研究了熔盐温度、Re数和传热管结构参数对螺旋槽管和横纹管传热特性的影响规律,结果表明:在相同Re数条件下,螺旋槽管和横纹管的努塞尔数Nu均大于光滑管的努塞尔数Nu,且随着雷诺数Re的增加,其努塞尔数Nu呈线性增加;螺旋槽管与横纹管在其它结构参数相同的情况下,槽越深,强化效果越好;同一根螺旋槽管或横纹管,在相同Re数下,Rr数越小强化传热效果越好。采用多元线性回归的方法对螺旋槽管和横纹管传热实验数据进行回归,得到螺旋槽管和横纹管的传热关联式,为提高吸热器效率及吸热器的工程设计提供理论依据。