高温相变蓄热容器传热的隐式求解.pdf

维普资讯 第22卷 第4期 太 阳 能 学 报 Ⅷ 22，No．4 2001年 l0月 ACTA FaNERGI~ESOLAR玛 SINICA Get．20Ol 高温相变蓄热容器传热的隐式求解 侯欣宾，袁修干，杨春信 (北京航空航天大学飞行器与应用力学系，北京 100~3) 摘 要：空间太阳能热动力发电系统是非常有前景的未来空间能源供应系统。关键部件之一是吸热，蓄热器，高温 蓄热容器是其中的基本部件，它的传热性能直接影响到整个热动力系统的性能。采用一种预测～修正的跪式迭代 法对相变蓄热容器进行了三维热分析，并且与显式求解方法在计算时间和计算结果上进行了比较分析，证明这种 方法可以明显提高计算速度，并可以获得较好的结果 关键词：相变蓄热；太阳能热动力发电；热分析 中围分类号：TKSI2 ·4 文献标识码：A 工质以驱动热机发电，其余热能被高温相变材料 0 引 言 (FCM)储存用于航天器发电系统阴影期正常连续运 1995年2月 17日，空间太阳能热动力发电系统 行。图1为一个圆柱腔形吸热器。相变材料封装在 2kW样机在美国NASALe~is研究中心成功的实现 多个小容器内，小容器套装在循环工质管上。 了2kW电力输出，标志着这一对未来空问探索有重 相变蓄热容器的传热性能是吸热器研究中的一 要意义的技术进入了一个新的阶段 。太阳能热动 个关键技术。在整个工作过程 中，FCM要经历 固 力发电系统与 目前主要采用的太阳能光伏 电池阵 态、液态以及固液共存的糊态区，在相变点 PMC温 (PV)与化学蓄电池的组合供电方式相比，主要优点 度不变，无法用 以温度为唯一变量的传热方程表 是质量轻、效率高、迎风面积小、寿命长，这些将大大 示 。对于PcM容器这一多维相变问题，普遍采用 降低航天器整个寿命期内的维护费用 。 固定网格的焓法模型，并采用显式求解焓法的传热 方程 。显示求解编程简单，但是时间步长小，整 个计算量非常大。 本文采用了一种稳式方法求解相变蓄热容器的 换热，并且与显示求解方法在计算结果和计算时问 进行了对比，根据计算，在不影响计算精度的情况 下，显式计算的时间是隐式的2～3倍，证明这种隐 式求解方法是非常适用的。 1 高温相变容器传热计算 1．1 物理模型 图 1 吸热／蓄热器结构图 图2为FCM容器的外形图及计算采用的柱坐 Fig．1 Hemtreceiver 标系统。图3为容器轴向截面图。PCM采用 80．5 吸热 ／蓄热器是空间太阳能热动力发电系统中 LiF一19．5CaR，熔化温度为 1042K；PCM容器和工质 四大关键部件之一。其主要作用是在 日照期吸收太 导管采用 Ha?ures188；气体工质采用 He-Xe混合气 阳能反射器反射的太阳光，一部分热能传递给循环 体。