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槽式太阳能集热技术是目前太阳能热利用中商业化程度最高的利用形式。在太阳能热利用过程中，传热工质的类型对系统的设计、运行和维护都有重要影响。目前在太阳能光热发电行业最常用的导热介质有熔融盐，高温导热油以及水。相比导热油和熔盐集热技术，以水为传热介质的直接蒸汽槽式太阳能集热技术(Direct Steam Generation，以下简称DSG)的突出优点正日益受到重视。
针对该技术的热力过程特性的模拟和实验探究正逐步开展。
Zarza等[1]完成了对5 MW准商业化DSG电站性能进行了分析，并建立了集热过程的水动力稳态供了重要依据。
S．D.Odeh等[2]对DSG集热技术的模型，模拟了集热器内的流型分布和压力损失，结果表明：DSG集热管沿管程的压力损失只有同等的性能模拟，为建立DSG技术太阳能热发电站提边界条件下导热油技术的一半。德国宇航中心M.Eck等[3]模拟了太阳能集热场的性能，利用编程模拟等方式开发了DSG集热技术的研究工具。另外，Feldhoff等人[4]分析了DSG技术的经济性能，结果表明其经济成本相比导热油SEGS电站成本可以下降11%。在DSG电站关键部件改进以及小型示范性电站系统研究上，西班牙和德国的相关研究机构取得了有益的成果[5]，并建立了基于INDITEP和DISS技术的小型示范电站和相关的实验台，为DSG电站的商业化运行提供了重要依据。
由于直接采用水作为传热工质，DSG电站系统运行中涉及复杂的两相流动过程，两相流动的不稳定性使得系统的研究也更加困难。目前对DSG对应相变过程的研究大都采用近似模拟的方法，忽略两相区内分层等现象对流动换热过程的影响，导致模拟结果和实际流动形态有一定的偏离。为避免这一问题，本文研究了典型的槽式DSG热力发电系统的太阳能岛的热力性能，在对两相区内热力特性进行研究的过程中，考虑了分层现象对流动换热过程的影响，模拟结果相对原有结果有一定的修正，能够更好反映流型变化对换热的影响，研究结果为DSG集热场的设计、运行提供了优化方案。
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槽式直接蒸汽热发电(DSG)技术采用水替代最为普遍的导热油作为工作介质，水在给水泵的作用下进入太阳能集热场，吸收投射在集热管上的太阳能依次经过预热、蒸发和过热过程变成高温高压水蒸汽，之后进入动力子系统做功发电。之后，乏汽进入冷凝器、除氧器在被泵入到太阳能集热场进行下一个吸热-发电循环。流程示意如图1所示。
Figure 1. Parabolic trough direct steam generation system
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槽式DSG集热场的所有回路(Loop)，均通过串联的方式，由抛物槽式太阳能集热器模块构成，基于技术原因，系统选择了ET-100型集热器，集热场内跟踪太阳的方式是南北轴走向，ET-100型集热器的性能参数如表1所示，前提是集热管在比较高温的条件下还能够正常工作[6]。
项目 数值 集热器组件长度/m 98.50 抛物槽开口宽度/m 5.76 集热器模块长度/m 12.27 集热器模块数 8 涂层发射率 4.795×10-2＋2.331×T(℃)×10-4 入射角修正因子 cosθ-2.859 621×10-5θ2-5.250 97×10-4θ 玻璃套管外径/m 0.115 玻璃套管内径/m 0.109 金属管外径/m 0.070 金属管内径/m 0.055 峰值光学效率 0.765 Table 1.
Parameter of ET-100 collector -
DSG槽式集热器内的能量传递过程决定了DSG系统的热力性能。下面从DSG系统管内流型入手探究DSG系统的能量传递特征。
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真空式太阳能集热管内的能量转化与传递过程在文献[7]中示出。集热管内传热工质的流动型态对换热特性有重要影响。水在集热管内的流型如图2所示[8]。其中两相区流型较为复杂，归结起来主要有泡沫状流型、阻塞状流型、子弹状流型、波状流型、环状流型和分层流型，如图3所示。两相区的换热性能影响直接蒸汽槽式太阳能技术的效果，因此对两相区的换热过程进行简述。
Figure 2. The flow pattern inside the collector
Figure 3. Gas-liquid multi-phase flow pattern in a horizontal tube
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DSG系统中，为了评估换热管内的流动型式和对流换热系数，引入了弗劳德数(Fr)。当Fr小于0.04时，换热管内的流动型式为层状流，此时其对流换热系数由Shah的方程[9]确定：
((1)) ((2)) ((3)) 式中：h2ph为两相流区域的对流换热系数，单位为W/(m2·K)；hl为传热介质在其流动液态充满全管时的换热系数，单位为W/(m2·K)；x为干度系数；ρl为传热介质分液相密度，ρg为传热介质的分气相密度，单位为kg/m3。
如果Fr>0.04，则换热管内的流动形态为环形流动，则其换热系数由Gungor和Winterton发明的关联式[9]确定。根据其研究成果，此时两相区的对流换热系数可由下式确定：
((4)) 式中：htp代表两相区的对流换热系数，单位为W/(m2·K)；hl为其分液相(饱和水)换热系数，单位为W/(m2·K)；hNB为其核态沸腾时的换热系数，单位为W/(m2·K)；E代表强化因子；S代表限制因子。
分液相(或称其为饱和水)的换热系数由下式确定：
((5)) 式中所有物性参数均为当时压力下的饱和参数或者过冷参数。其中，Rel代表分液相的雷诺数。
对于流动型式为核态沸腾的换热，有大量文献给出了很多的计算方法，其中Cooper给出了较好的计算方法[10]，如下：
((6)) ((7)) ((8)) ((9)) Fr<0.05时，水平管内的两相流动，会出现分层，考虑分层影响时应采用以下计算式。
((10)) ((11)) 若Fr>0.05，
((12)) ((13)) 式中：μg为工质气相动力粘度，而μl为工质的液相动力粘度。ρg为工质气相密度，而ρl为传热工质的液相密度，它们的单位都是kg/m3；Bo为沸腾数；Xtt则为Martinelli数；r代表传热介质在汽化时的潜热，其单位是J/kg；x为我们常说的干度；Pr代表相对压力，而P则代表工作压力，单位都是bar；Pcr代表了临界压力，水则假定为221 bar[8]；M代表了传热介质分子质量，单位是kg/kmol；q为热流通量，其单位是W/m2；其余单相区的换热计算均采用水平管内单向流动的换热计算模型。
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为了简化模拟计算过程，在模拟中我们将整个长度的吸热管(换热管)沿着长度方向划分为若干个单独的微元段，然后针对每一个单独的微元段采用常用工质如热水或导热油等的相关计算模型，基于每一个微元段的进口参数，给定一个微元段管外壁温度，并结合我们熟知的能量守恒定理，通过迭代的方法，最终求出对应的微元段管外壁温度的真实值，进而依次计算出微元段的管内工质所对应的相关出口参数，基于这样的方法，连续计算，直至换热管的出口。在开始计算过程的时候，判断微元管段内的流动型式非常重要，假设微元段里的流动状态处于两相流状态，则接下来就要判断换热管内所出现的流型状态，对应不同的区域和不同的流型，分别采用不同的模型进行相关的计算，直至计算完毕所有的微元段，并输出相应的计算结果，详细的模拟计算过程的流程图如图4所示。
Figure 4. Program chart for DSG thermal plant
2.1 槽式DSG系统主要性能参数
2.2 DSG槽式集热器能量传递与转换模型
2.2.1 DSG槽式集热器内流型
2.2.2 槽式DSG集热两相区内的传热模型
2.3 DSG直接蒸汽太阳能集热器性能模拟
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集热管内部会出现两相流动的情况，因此有必要对两相流动换热过程的相关计算进行归纳。运用Matlab等对槽式集热管内的DSG过程进行模拟，如图5～图6所示。
Figure 5. Heat collecting efficiency along the longitudinal direction
Figure 6. The variation of heat transfer temperature difference along the longitudinal direction
为直观地表示换热过程中装置与工质之间的温度变化关系，利用该程序模拟了沿管长方向工质和金属内壁温度的差异，为集热管的安全运行提供了指导。
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当管内流动速度较慢时，在两相区内就会出现分层现象，分层现象的出现影响了两相区内的对流换热效果，为探究该影响，本文分别模拟了考虑分层和不考虑分层时的DSG槽式集热器沿管长方向对流换热系数的变化，模拟结果如图7所示。由该图可知，分层现象大约出现在两相流区域干度为0.7～0.8之间的位置，分层现象的出现降低了管内工质与金属管管壁之间的对流换热系数，减弱了换热效果。
Figure 7. The variation of heat transfer coefficient along the longitudinal direction
为避免分层现象的出现，一种较为普遍的方式是气液分离，即随着水在集热管内的蒸发，沿管长方向将集热管内产生的蒸汽适时分离，在一定程度上避免了分层现象的出现。适时分离的方法常用的有边蒸发边分离和在一定干度分离的方法。
对两相区采用边蒸发边分离的方法，将两相区内产生的蒸汽及时分离出去，这样预定的两相区内始终处于单相水区。对其换热过程进行模拟，得到如图8所示的结果。由图8可知边蒸发边分离的方式下，两相区内的换热系数有较大幅度的降低，因此不宜采用这种方式。
Figure 8. The variation of heat transfer coefficient along the longitudinal direction
由图8可知，两相区内的换热系数明显高于单相区内的换热系数，这是因为两相区内流动扰动大，换热效果增强。因此为了保持较好的换热效果，应该尽量保证两相区的长度。所以为避免分层现象带来的换热效果的降低，可以在即将出现分层现象的拐点区域内对两相区进行气液分离，一方面可以保持最长的两相区长度，使更多的区域处于较好的换热效果。另一方面，分层流动流型中，管子上部会周期性与蒸汽和水膜交替接触，与蒸汽接触会使管壁温度突然升高，而与水膜接触会使得其温度降低，这种典型的周期性的壁温度变化对换热管金属强度是不利的，在分层现象开始出现的点将两相工质进行分离可以使集热管的安全性升高。
3.1 集热性能沿着管长的变化
3.2 流动分层对换热的影响
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槽式太阳能直接产蒸汽发电系统是太阳能热发电的重要形式，本文开展了一种典型的槽式直接蒸汽循环系统和关键过程的研究。主要结论如下：
1)从典型的槽式直接蒸汽发电系统集热系统构成和工作流程出发，给出了系统的结构组成和主要性能参数。
2)研究槽式直接产蒸汽集热系统的能量传递与转化，通过对系统各热力过程中传热模型和水动力模型的选取，建立了槽式集热两相区内的传热模型，开发了基于Matlab模拟程序，研究了槽式太阳能直接产蒸汽的管路内各处的热物理参数变化特性。
3)通过程序验证分析，得出了最适合的DSG集热场布置方式，即再循环式，再循环装置应安装在干度为0.7～0.8范围所对应的位置。
研究结果为DSG电站的设计和运行提供了基础数据，同时也验证了槽式太阳能直接产蒸汽集热的最佳方式为可再循环式。
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