中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文编号：113149深径比对太阳能吸热器自然对流热损失的影响肖兰，吴双应，李友荣（重庆大学动力工程学院，重庆400044）(Tel:13657693789,E-mail:shuangyingwu@yahoo.com.cn)摘要：以碟式太阳能热发电系统中高温腔式吸热器为对象，在考虑空气物性随温度变化的前提下，运用三维数值模拟方法探讨了圆柱形腔体深径比对吸热器自然对流热损失的影响。得到了吸热器腔体内部的温度分布和采光口截面的速度分布以及相应的变化曲线图。结果表明，随着深径比的增加，对流区域和空气流速同时降低，二者共同导致自然对流热损失明显降低。同时，吸热器自然对流热损失随深径比增加而下降的幅度因倾角存在差异。同时，本文提出一个包含深径比影响的用于预测太阳能吸热器自然对流热损失的努谢尔特数关系式；与已有的大多数模型一样，本模型预测结果与实验结果的偏差是可以接受的。关键词：太阳能腔式吸热器；自然对流；热损失；深径比；数值模拟TheRoleofCavityAspectRatioonNaturalConvectionHeatLossforSolarReceiverLanXiao,Shuang-YingWu,You-RongLiCollegeofPowerEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044Abstract:A3-Dnumericalinvestigationhasbeenundertakentoexploretheeffectsofthecavityaspectratioonthenaturalconvectionheatlossofacylindricalcavityreceiverforhigh-temperaturesolardishsystem,accountingfortheairpropertyvariationwithtemperature.Temperaturecontoursinsidethecavity,velocitycontoursontheapertureplane,andthecorrespondingvariationfigurehavebeenobtained.Anditisshownthattheexpansionofconvectionzonetogetherwiththeaugmentationofvelocitymagnitudeleadtotheincrementofnaturalconvectionheatlosswithdecreasingcavityaspectratio,i.e.,shallowercavity.Further,thedecreasingrateofnaturalconvectionheatlosswiththecavityaspectratiovarieswiththetiltangle.Moreover,aNusseltnumbercorrelationhasbeenproposedbyincorporatingthecavityaspectratio,anditshowsacceptableagreementwiththeexperimentalresults.Keywords:solarcavityreceiver;naturalconvection;heatloss;cavityaspectratio;numericalinvestigation0前言太阳能腔式吸热器是碟式太阳能热发电系统中实现太阳辐射能向热能转换的关键部件。研究太阳能吸热器的热损失，尤其是自然对流热损失对提高整个系统的热电转换效率具有重要的意义。在上世纪八九十年代，国外学者对方形吸热器的自然对流热损失做了一些初步的实验和理论研究，探讨了吸热器倾角、壁温和采光口开口大小对其自然对流热损失的影响，并提出相应的经验关系式[1-4]。近年来，印度学者提出三种不同结构的球形/半球形接收器，比较性研究表明，半球形吸热器的自然对流热损失最基金项目：国家自然科学基金项目(51076171)；重庆市自然科学基金项目(CSTC,2010BB6062)；中央高校基本科研业务费资助项目(CDJXS10141147)。小，效率最高；同时他们还研究了壁温、表面发射率、倾角以及吸热器的几何形状对自然对流热损失的的影响[5-8]。澳大利亚国立大学的研究人员对圆柱腔吸热器对流热损失进行了大量的实验和数值研究，并先后提出多个用于预测吸热器自然对流热损失的经验关系式，这些关系式的共同特点在于包含了一个反映吸热器倾角和几何特征的综合特征长度[9-13]。由文献可知，现有研究大多针对壁温为100-300℃的太阳能吸热器，很少达到450-650℃，因此Boussinesq假定被广泛应用于数值计算中[6,7]。然而，对于碟式/AMTEC系统和碟式/斯特林系统所要求吸热器的工作温度为900~1300K和>1000K，因此，吸热器内部的空气和外界环境空气的物理性质必然会由于其巨大的温差而发生显著的变化。另一方面，过去大部分研究集中在吸热器倾角和壁温对自然对流热损失的影响，而很少讨论开口大小的影响。然而，吸热器腔体的深径比或高宽比也可能对吸热器的自然对流热损失产生重要影响。因此，本文以高温腔式吸热器为研究对象，在考虑空气物性随温度变化的基础上，采用三维数值模拟方法研究吸热器腔体的深径比...