步进式太阳能真空管集热系统升温性能的研究

【摘要】：与平板太阳能集热器相比,真空管太阳能集热器由于有真空夹层的存在,其热损失极小。相对于以水作为传热工质的集热器,空气集热器不存在冻坏、结垢、腐蚀等问题。但是目前研究焦点多关注于并联型真空管空气集热器,对串联型真空管集热器研究甚少,尤其是关于步进式集热温度和内部阻力更是鲜有报道。与并联型真空管空气集热器相比,步进式真空管太阳能空气集热器能够把空气加热到更高的温度,提高太阳能利用效率,拥有更广阔的应用前景。本文以步进式全玻璃真空管太阳能空气集热器为研究对象,设计并搭建内插式真空管太阳能空气集热器实验平台,对集热器的流动阻力损失、步进式升温规律、集热效率等进行了测量,并对该集热器应用于苦卤蒸发领域进行了实验研究。基于有限体积法,建立集热器内空气流动和传热的三维非稳态数学模型对集热器内部流场、温度场、压力场等进行了研究。采用流-固耦合方法,对比分析不同空气流量下集热器的步进式升温规律,并建立集热器的阻力计算模型,对集热器阻力特性进行分析,结合数值模拟得到的压力场对该空气集热器进行结构优化,确定最佳内插管尺寸。结果表明：空气进入集流管内筒后,大部分直接流入内插管,但还有一部分在内筒端部形成涡流；从内插管尾部流出的空气一部分直接冲到真空管尾部,形成流动滞止现象,造成局部高压,其余大部分转弯进入环形区域；从环形区域流入集流管外筒的空气绝大部分做圆柱扰流运动,基本都从外筒上部流出集热单元。通过数值模拟及理论计算优化后得到最佳内插管尺寸为内径28mm、外径34mm,此时集热器压降最小。当空气流量为12m3/h时,对于集热器流动阻力损失,数值模拟与理论计算结果分别为834Pa和762Pa。相比实验用内插管,若采用优化后的内插管,平均压力损失可降低3%左右。集热器由6个集热单元串联而成,在空气流量12m3/h条件下,平均每个集热单元可将空气温度升高15℃。该集热器可将空气温度加热至100℃以上,集热器的瞬时效率最高可达97%。该集热器应用于苦卤蒸发的效果很好。经过7天可将苦卤由25波美度提高到33.2度。经过2天,可将苦卤由31.5波美度提高到33度。 【关键词】：步进式 太阳能 空气集热器 阻力损失 温度场
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK513.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-26
• 1.1 前言12
• 1.2 太阳能集热器12-18
• 1.2.1 平板太阳能集热器12-15
• 1.2.2 真空管太阳能集热器15-18
• 1.3 太阳能空气集热器18-22
• 1.4 太阳能集热器测试方法简述22-23
• 1.5 本文研究意义及研究内容23-26
• 第2章 集热管热平衡及流动阻力损失理论知识26-34
• 2.1 太阳能真空集热管热平衡26-29
• 2.1.1 真空管热平衡26-27
• 2.1.2 照射到真空集热管的太阳能辐射量27-28
• 2.1.3 真空集热管向外界的散热量28-29
• 2.2 流动阻力损失计算29-34
• 2.2.1 沿程摩擦阻力损失30-31
• 2.2.2 局部阻力损失31-34
• 第3章 步进式真空管太阳能空气集热器实验研究34-48
• 3.1 太阳能空气集热器基本结构34
• 3.2 实验平台及装置参数34-37
• 3.3 集热器步进式升温实验37-39
• 3.4 集热器热效率实验39-41
• 3.5 集热器流动阻力损失实验41-42
• 3.6 强制蒸发苦卤实验42-45
• 3.7 本章小结45-48
• 第4章 步进式真空管太阳能空气集热器数值分析及结构优化48-76
• 4.1 引言48
• 4.2 研究内容及目的48
• 4.3 物理模型和网格48-50
• 4.4 数学模型50-52
• 4.4.1 基本假设50-51
• 4.4.2 流动数学模型51
• 4.4.3 传热数学模型51-52
• 4.4.4 边界条件52
• 4.4.5 求解方法52
• 4.5 结果与分析52-74
• 4.5.1 模型验证52-55
• 4.5.2 插管尺寸结构优化55-69
• 4.5.3 集热器内部流场及温度场模拟预测69-74
• 4.6 本章小结74-76
• 第5章 公路隧道射流通风设计的模拟研究76-88
• 5.1 前言76
• 5.2 研究内容及目的76
• 5.3 物理模型和网格76-78
• 5.4 数学模型及边界条件78-80
• 5.4.1 基本假设78
• 5.4.2 数学模型78-79
• 5.4.3 边界条件79
• 5.4.4 求解步骤79-80
• 5.5 结果与分析80-86
• 5.5.1 隧道内空气的流动情况80-85
• 5.5.2 风机折损系数85-86
• 5.6 本章小结86-88
• 第6章 结论88-90
• 参考文献90-96
• 致谢96-98
• 附录98
• A 作者在攻读学位期间发表的学术论文98
• B 作者在攻读学位期间参加的学术活动98

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