塔式太阳能热板式吸热器内部支撑结构的热应力分析.pdf

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1、７２化工机械２０１５年塔式太阳能热板式吸热器内部支撑*结构的热应力分析王军辉**凌祥（南京工业大学机械与动力工程学院江苏省过程强化与新能源装备技术重点实验室）摘要基于顺序耦合的有限元计算方法对塔式太阳能热板式吸热器结构的热应力进行模拟，发现内部拉杆和受光板连接处周围出现热应力集中，是影响结构稳定的危险区。当增大拉杆的外径时，危险处的局部热应力只是很小程度的减小；随着拉杆内径的增加，局部热应力也会增加，但是热应力的整体分布变得更加均匀化；当冷凝板的温度增大时，局部热应力明显减小，而且整体热应力的分布更加均匀化。通过热应力分析得到拉杆的外径为２０

2、ｍｍ，内径为１２ｍｍ，整个吸热内部取１６根拉杆时，受光板上的热应力最大值为２３．６１ＭＰａ；３１０ｓ材料８００℃的许用应力为８ＭＰａ，使用时可满足安定性准则。关键词热板式吸热器支撑结构热应力优化数值模拟中图分类号ＴＱ０５０．１文献标识码Ａ文章编号０２５４-６０９４（２０１５）０１-００７２-０６随着工业的发展，能源的需求量急剧上升，开于其在非稳态、不均匀、高能流密度的热载荷下工发太阳能对解决能源危机具有重大意义。与碟式作，因此如何保证吸热器高效稳定地运行已经成和槽式热发电技术相比，塔式太阳能热发电系统为塔式热发电系统的一个关键技术问题。具有较

3、高的聚光倍数，一般可以实现２００～１０００许昌等发现塔式太阳能发电多孔介质空气吸以上的聚焦比，其不仅具有较高的太阳光辐射能热器吸热表面温度变化率与吸热器的最大热应力与热能的转换效率，而且还具有发电成本低廉的成正比，并且得出投入热流密度和空气入口流速优点。通过学者们的大量实践证明，塔式太阳能阶跃后吸热表面固体骨架温度和出口空气温度的［４，５］热板式吸热器在热发电与工业化应用中，不仅具动态变化特性；并且分析了塔式太阳能多孔备了成熟的技术条件，而且发电成本低，具有商业介质吸热器的非稳态传热特性，研究了典型的非［１，２］化应用前景。稳态无量纲温度场和

4、平均颗粒直径、孔隙率、厚度塔式太阳能热发电系统主要由聚光系统、太与入口空气速度对非稳态无量纲温度场的影响。阳能热吸收转化系统和热发电系统３部分组成。王富强等研究了管式吸热器在不均匀热流密度以塔式太阳能热发电主要利用定日镜聚光系统实时及间歇太阳能热流边界条件下的温度场分布和热［６，７］通过转向系统跟踪反射太阳光，这些汇聚的太阳应力场分布，得出在靠近吸热器保温层侧的光主要被表面涂有高效吸收太阳光涂层的吸热器流体流速比靠近吸热器内腔侧的流体流速高，而吸收。吸热器吸收的高热流密度辐射能，通过热靠近保温层侧的流体温度和壁面温度较低；在螺［３］板内部工质

5、相变传递给冷却介质。冷却介质旋管腔式吸热器出口处，最大等效热应力出现在通过管道系统将能量传递至发电系统完成热发吸热器内腔侧的螺旋管内壁面处，切向应力对最电。太阳能吸热器是塔式热发电系统的核心部大等效热应力影响最大。于春亮等研究了在塔式件，负责吸收太阳光并将热辐射能传递给工质，由和碟式太阳能热利用中的螺旋盘管腔式吸热器，*国家自然科学基金资助项目（５１１７６０７１）。**王军辉，男，１９８８年６月生，硕士研究生。江苏省南京市，２１１８１６。第４２卷第１期化工机械７３发现聚集热流的非均匀性导致吸热器内产生温度梯度，从而在管内产生热应力，导致吸热管

6、变形，而当温度梯度足够大时，热应力会导致吸热管破［８］坏，严重影响吸热器的寿命。笔者着重研究热板式吸热器热板结构的热应力，基于热应力的分析对内部支撑结构进行了优化。１塔式太阳能热板式吸热器结构塔式太阳能热板式吸热器是一种新型结构的吸热器。吸热器整体是规格为２５０ｍｍ×２５０ｍｍ×１５ｍｍ的长方体，分为两层，外层为均温热板图２热板式吸热器的工作原理图（板式热管，下文称为热板）结构，由金属板围成２热板的有限元模拟一空腔，外表面涂有吸热涂层，内部充入金属，空笔者主要对板式太阳能吸热器的热板结构进腔内安有一整块烧结而成的金属多孔板状吸液行热应力有限元

7、模拟。首先，建立简化模型，直接芯，同时该结构与受光板和内部支持结构扩散焊建立太阳能吸热器上层热板部分的有限元模型，接在一起，使均温热板具有一定的承压能力。内在模型中吸热器下层的板翅结构作用简化为影响层为熔融盐通道，通道内部装有横排的锯齿翅片冷凝板温度的作用，不对下层板翅结构建模；其（下文称为翅板）用来提高熔融盐的流动传热性次，由于吸液芯的刚度很小，忽略其对受光板的支能。均温热板首先通过扩散焊接加工（防止多孔撑强化作用，并且有限元模拟中焊接处采用绑定结构的堵塞），然后与另一层熔融盐通道一起整约束。对于热应力的模拟采用顺次耦合的方法，体钎焊而成。

8、热板是吸热部分，翅板是传热冷凝先计算出热板结构的温度场；再将温度场导入到部分，笔者主要分析受光板在工作环境下的热应热板结构中按常规应力分析方法进行热应力的模力。热板