直膨式太阳能集热管中R123流动沸腾过程的流量漂移

　　11月30日，在由国家太阳能光热产业技术创新战略联盟和中国可再生能源学会太阳能热发电专委会（筹）联合主办，清华大学建筑学院承办的第八届太阳能热利用科学技术研究生论坛（简称论坛）上，天津大学赵力课题组卢雅妮同学进行了题为《直膨式太阳能集热管中R123流动沸腾过程的流量漂移》的报告，并荣获优秀论文三等奖。她在报告中指出，两相流动不稳定性是太阳能槽式直膨系统工程应用中的主要制约因素之一，流量漂移作为一种较为常见的静态不稳定现象，有重要的研究价值。

　　以下是其报告的主要内容，以供读者参考：

　　目前，太阳能现有研究多集中于较高温区，在中低温区间研究较少。分布式系统往往规模较小、用地有限，适宜在人口稠密的东部地区建设，除了发电还要兼顾用户侧的冷、热需求，故宜发展太阳能分布式供能系统。从经济性的角度要求集热温度不宜过高（300℃以下），从而获得较高的集热效率。 

图：典型的槽式分布式太阳能热发电系统

　　（1）在集热温度相对较低的分布式能源系统中，低沸点有机工质作为动力循环工质会比水表现出更大的性能优势。 

　　（2）抛物槽式集热器成本相对较低、技术较为成熟，，此类系统的结构多为间接加热式。其中槽式直膨系统（即工质直接在集热管内相变成为气体）结构紧凑，在集热温度、设备投资等方面更有优势。 

　　（3）应用有机工质结合槽式直膨系统，在分布式供能层面具有应用潜力。 

　　（1）以有机工质为集热工质的太阳能槽式直膨系统中，存在流动不稳定性等问题。流量漂移作为一种常见的静态不稳定性，有重要的研究价值。

　　（2）流量漂移可以通过压降特性曲线存在的负斜率区来表现。如下图所示： 

　　当流体位于A点时，如果流量发生扰动，流体将偏离原来的工况，在新的流量值B或C运行。 

　　造成危害：如果流量漂移导致流量减小，将会引起管道烧坏，对沸腾通道造成极大危害；如果流量漂移导致流量增大，将会导致设备出口的干度过低，影响后续设备的安全运行。 

图：能量漂移示意图

　　国内外对流量漂移的研究现状整理如表，研究方法分为实验、模拟、公式推导，测试段管道有多种规格，研究内容有压降特性、并联通道的流量分配特性、Ledinegg不稳定性的动态模拟等，可以看出研究对象多为水，有机工质的流量漂移特性研究较少，使用直膨式系统需要对有机工质的流量漂移现象有一定的研究基础，本文将结合压降特性曲线及物性参数对R123的流量漂移现象进行模拟分析，此工作有利于提出平抑或避免流量漂移的方法，使系统安全稳定运行。

　　（1）根据 MATLAB 软件模拟结果，绘制R123的压降特性曲线，压降-质量通量曲线为一条三次曲线，即系统存在流量漂移不稳定性。 

　　（2）在此基础上分析热流密度、入口过冷度和管路长径比对系统流动不稳定性的影响。 

　　（3）探究饱和气液相密度比ρsv/ρsl、饱和气液相粘度比μsv/μsl、汽化潜热r、表面张力σ和曲线极值点间割线斜率|ΔP′∕ΔG|（表示流量漂移发生程度，陡度越大，发生程度越大）之间的关系。 

　　当工质通过沸腾管道，随着质量流量的减小，出口状态可能是液相、两相、气相，为确定管道内相区存在情况，对管路沸腾通道进行分区，以流体的焓等于饱和液体焓（h=hsl，x=0）作为液相区和两相区的分界点，以流体的焓等于饱和气体焓（h=hsv，x=1）作为两相区和气相区的分界点。

 

　　结果表明：（1）R123的压降特性曲线存在负斜率区，在一定质量通量条件下会发生流量漂移；

　　（2）随着热流密度的增大，管路长径比的增大，入口过冷度的降低，压降特性曲线的负斜率区增大，系统越容易发生流量漂移；

　　（3）|ΔP′∕ΔG|与ρsv/ρsl成反比关系，|ΔP′∕ΔG|与μsv/μsl成反比关系，|ΔP′∕ΔG|与r成正比关系，|"ΔP" '⁄"ΔG" |与σ成正比关系。

　　所以我们认为：研究R123流动沸腾过程中的流量漂移现象，可为有机工质在槽式直膨系统的应用提供参考，具有一定的工程指导意义。

　　1、继续研究热量分布对流量漂移的影响。周向热量分布不均匀时，纯工质（混合工质）的流量漂移规律，分析比较其与均匀热量分布的不同点。

　　2、对于组合物性参数的探究。探究组合物性参数对纯工质发生流量漂移的影响，并举一反三到混合工质，提出工质选择准则。

　　3、混合工质流量漂移规律。探究近共沸工质和非共沸工质发生流量漂移的相同点和不同点，及混合工质与其组元的关系。

图：天大赵力课题组实验平台

　　4、在已有实验台的基础上改进，进行相关压降特性实验；进一步验证理论研究，探究流量漂移现象。