基于計算流體動力學的定日鏡清洗車除塵分析*

□ 楊煜兵 □ 張春光 □ 張俊峰 □ 劉嘉瑞 □ 劉佳慧

1.國機傳感科技有限公司 沈陽 110043

2.傳感器國家工程研究中心 沈陽 110043

1 分析背景

塔式光熱電站通過定日鏡聚光系統將太陽輻射能經反射匯聚到吸熱器上,在吸熱器內對熔融鹽等傳熱介質進行加熱,加熱熔化后的熔融鹽通過二次回路系統加熱水和水蒸氣,從而產生高溫高壓的水蒸氣來驅動汽輪發電機組發電。我國的塔式太陽能發電站大多建設在擁有極豐富的太陽能資源的西北地區,但由于西北地區空氣中沙塵較多,而灰塵是影響塔式太陽能發電站定日鏡反射率的決定性因素。積灰會降低定日鏡反射率造成發電量的損失。同時積灰還會造成化學腐蝕作用,影響定日鏡的性能并降低使用壽命。目前解決積灰問題技術有兩種:水射流技術和干式除塵技術。筆者針對某塔式光熱電站定日鏡清洗車的除塵系統,采用計算流體動力學方法對除塵過程進行分析,得到除塵過程的流場信息,為除塵系統的設計和優化運行提供參考。

2 數學模型

筆者采用計算流體動力學方法對定日鏡清洗車除塵系統的除塵過程進行數值計算分析,通過求解連續性方程、動量方程及離散相動力方程,可以獲得除塵系統除塵過程流場的壓力、速度和灰塵體積分數等參數。

2.1 控制方程

連續性方程為:

?ρ/?t+?·(ρV)=0

(1)

動量方程為:

(2)

式中:ρ為流體密度;V為流體速度矢量;f為流體所受的質量力;p為流體壓力;γ為流體運動黏度;?·()、?()為張量運算符號,分別表示對括號內的物理量求散度、梯度;ΔV為流體速度矢量梯度的散度;VV為流體速度矢量雙積;?·(VV)為由流體速度場不均勻性產生的加速度。

2.2 湍流模型

定日鏡清洗車除塵系統在除塵過程中,離心式吸塵器將大量混合著灰塵顆粒的空氣從防護罩內吸出,同時滾刷也在高速旋轉,因此定日鏡清洗車除塵系統防護罩殼內的空氣流動屬于高度紊亂湍流運動。k-ε湍流模型能夠很好地模擬湍流運動過程,因此筆者計算采用k-ε湍流模型。標準的k-ε湍流模型輸運方程中,湍動能k方程為:

ρε-YM+Sk

(3)

耗散率ε方程為:

(4)

式中:μ為流體動力黏度;μt為渦黏因數;σk、σε、C1ε、C2ε、C3ε為由試驗得到的因數;Gk為由平均速度梯度產生的湍動能;Gb為由流體質量產生的湍動能;YM為流體可壓縮性對耗散率的影響;Sk、Sε分別為湍動能k和耗散率ε的有效湍流普朗特數的例數。

3 研究對象幾何模型

筆者研究的定日鏡清洗車除塵系統模型如圖1所示,包含滾刷、集塵罩及防護罩殼。模型出口1與模型出口2是防護罩殼封閉情況下的模型出口,環境空氣可以從這兩個出口進入保護罩。在分析時去掉下部防護罩殼,即模型出口1、下部防護罩殼既可以作為模型出口半封閉狀態,也可以作為壁面邊界封閉狀態。計算流體動力學軟件計算中建立的幾何模型忽略對流場影響較小的模型特征,如保護罩內部的支撐結構件及倒角、臺階等保護罩某些局部小特征。除塵系統采用離心風機進行吸氣,灰塵經過滾刷旋轉順時針或逆時針攪動揚起之后,通過集塵罩吸入到相應的灰塵收集裝置內。

▲圖1 定日鏡清洗車除塵系統模型

4 計算設置

4.1 物理模型

筆者計算采用穩態計算。由于除塵過程的流動處于湍流狀態,因此選擇標準k-ε湍流模型來計算湍流。灰塵采用離散固體顆粒模型模擬,灰塵在計算的初始狀態假定附著于定日鏡表面,灰塵初始厚度設為1 mm,灰塵顆粒平均直徑設為30 μm。滾刷旋轉采用旋轉坐標系方法模擬,滾刷旋轉速度為280 r/min,旋轉方向分為正、逆時針兩種旋轉方向。

4.2 邊界條件

模型入口采用入口速度變化來模擬除塵器吸氣,根據除塵器流量設置入口速度,除塵器流量從794.2 m3/h到3 653.4 m3/h變化,相應的入口速度值從25 m/s到115 m/s變化。出口設為開放式出口,即環境空氣可自由出入。空氣物性參數按溫度15 ℃設置,并認為不可壓縮。

4.3 工況

筆者進行24種工況的計算,防護罩殼封閉和下部防護罩殼去掉半封閉情況下滾刷分別沿順時針和逆時針方向旋轉,入口速度從25 m/s到115 m/s變化。

5 計算結果分析

筆者通過對24種工況的計算,得到不同的除塵器流量對防護罩殼封閉和下部防護罩殼去掉半封閉兩種情況下罩殼內負壓絕對值和灰塵體積分數的影響。

5.1 入口速度對防護罩殼內負壓影響

除塵器入口速度從25 m/s到115 m/s變化,防護罩殼內負壓絕對值變化如圖2所示。

由圖2可見,無論是半封閉還是封閉狀態,滾刷的旋轉方向對除塵罩殼內的負壓絕對值影響很小。隨著模型入口速度的加大,無論是半封閉還是封閉狀態,除塵罩殼內的負壓絕對值都上升。由此可知,加大模型入口的吸氣量,可以增強除塵系統的吸塵能力。同時,在相同入口速度條件下,防護罩殼封閉狀態下的罩殼內負壓絕對值要比半封閉狀態下大。

▲圖2 除塵器入口速度變化時防護罩殼內負壓絕對值變化

5.2 入口速度對防護罩殼內灰塵體積分數影響

除塵器入口速度從25 m/s到115 m/s變化,防護罩殼內灰塵體積分數變化如圖3所示。

▲圖3 除塵器入口速度變化時防護罩殼內灰塵體積分數變化

由圖3可知,在半封閉狀態下,滾刷的旋轉方向對防護罩殼內灰塵體積分數影響不大,而且在滾刷順時針旋轉時比逆時針旋轉防護罩殼內灰塵體積分數有所下降。在封閉狀態下,防護罩殼內灰塵體積分數隨著模型入口速度加大而下降,而且滾刷順時針旋轉時比逆時針旋轉防護罩殼內灰塵體積分數低。

5.3 入口速度矢量分布

半封閉與封閉兩種狀態下的除塵流場速度矢量分布如圖4所示。由圖4可知,滾刷順時針旋轉時,滾刷靠近集塵罩的下方有回流區,罩殼頂部尖角位置有回流區,灰塵易在回流區處集聚,罩殼下部不封閉時,兩處回流區有所減弱。滾刷逆時針旋轉時,罩殼頂部尖角位置有回流區較弱,同時滾刷遠離集塵罩的下方有回流區,罩殼下部不封閉時,兩處回流區有所減弱。

▲圖4 除塵流場速度矢量分布

5.4 灰塵體積分數分布

半封閉與封閉兩種狀態下的灰塵體積分數如圖5所示。由圖5可知,滾刷順時針旋轉時,灰塵分布較為均勻,且罩殼封閉相比罩殼下部不封閉更易將灰塵吸入集塵罩。滾刷逆時針旋轉時,灰塵在滾刷靠近集塵罩一側聚集。

▲圖5 灰塵體積分數分布

6 結論

筆者通過對定日鏡清洗車除塵系統除塵過程進行計算流體動力學分析,得出以下結論:

(1) 半封閉狀態下,滾刷的旋轉方向對防護罩殼內灰塵體積分數影響不大,并且滾刷順時針旋轉比逆時針旋轉防護罩殼內灰塵體積分數低;

(2) 封閉狀態下,防護罩殼內灰塵體積分數隨著入口速度加大而下降,滾刷順時針旋轉比逆時針旋轉防護罩殼內灰塵體積分數低;

(3) 滾刷的旋轉方向對除塵罩殼內的負壓絕對值影響很小;

(4) 隨著模型入口速度的加大,無論是半封閉還是封閉狀態,除塵罩殼內的負壓絕對值都上升。