非稳态不均匀高能流密度热载荷作用下塔式热板吸热器传热机理与寿命研究

非稳态不均匀高强热流载荷作用下的接受器传热机理与寿命是塔式太阳能热发电技术中的关键问题。本项目针对板翅多孔热板式吸热器，在研制的液态金属热板传热性能试验平台上，模拟塔式聚光太阳能的温度和热流密度场，对液态金属热板冷启动性能、传热特性、极限热流密度进行测试。基于对影响多孔热板冷启动时间的主要因素分析，建立多孔热板冷冻启动的判据方程；通过数值模拟吸热器的光-热-流-固多场耦合行为，获得吸热器热应力场分布，基于塑性和蠕变损伤分析模型，获得吸热器损伤演化规律，从而建立塔式吸热器寿命评价方法。通过研究高强度、变热流边界条件下多孔烧结金属吸液芯变形对传热极限和吸热器表面温度影响，建立预测接收器受热表面出现过热点的方法；通过分析金属流体在跨尺度多孔介质内的流动与传热特性，揭示细微多孔烧结金属吸液芯结构参数、水力参数、传热性能对提高热板极限热流密度的影响机制。本项目研究成果将丰富太阳能热发电技术理论。

非稳态不均匀高强度热流载荷作用下的太阳能吸热器传热机理与寿命预测是塔式太阳能热发电技术中的关键问题。高温热板具有极高的传热性能和良好的等温性能，能够很好地解决现行吸热器受热不均、局部过热等问题。本项目针对高温液态金属热板吸热器，提出了一种新型设计结构，并采用310S不锈钢作为热板吸热器的材料，液态金属钠作为热板吸热器的工质。对热板吸热器制造、充液过程进行了研究，并在此基础上研制了高温液态金属热板传热性能试验平台。在该试验平台上对液态金属热板冷启动性能、传热性能、等温性能进行了测试，研究了热板在非稳态不均匀高强度热流载荷作用下的稳定性能。通过调节输入功率、工作角度、冷却水流量等参数，对影响液态金属热板传热性能的因素进行了研究，得到了最佳工作状态参数。通过数值模拟，构建热板内部液态金属蒸发冷凝相变过程的VOF模型，从计算结果观察到蒸汽腔内液态金属从分子流动向连续流动转变的运动状态，蒸发段和冷凝段的相变现象，并得到了塔式太阳能吸热器受热面的温度场和热流密度场。同时，采用有限元方法研究研究了吸热器的光-热-流-固多场耦合，获得了吸热器热应力场分布，并基于塑性和蠕变损伤分析模型，对受热面和冷凝面塑性和蠕变损伤进行分析，获得了吸热器损伤演化规律，建立了塔式吸热器寿命评价方法。塔石太阳能热板吸热器在800℃的受热条件下，使用寿命大概为2.8年。传热试验结果表明：热板具有优越的均温性能，其放置角度在30°~90°变化时，热板均可正常启动，放置角度为45°时，热板升温速率最快。热流密度的增加加速了热板的启动过程。本项目的研究成果，解决了新型热板吸热器在非稳态不均匀高热流密度作用下，热应力集中导致吸热器烧毁的问题，揭示了塔式太阳能热板吸热器的传热机理，并建立其寿命预测方法，为热板吸热器的设计和发展奠定了理论基础，具有重要的学术价值和广阔的应用前景。本研究的目的在于大力开发利用太阳能，这对降低化石燃料能源消耗及改善环境质量等方面具有重要的社会意义。