塔式太阳能熔盐吸热器的传热特性研究与设计

【摘要】：随着能源危机日益严重,太阳能成为很有潜力的可再生能源。目前世界各地都积极地投入到聚光太阳能热发电系统的研究中,全球正筹建的聚光太阳能热电站的装机容量有17GW,其中中国有2.5GW。中国太阳能热发电技术尚处于起步阶段,对于外接式管式吸热器研究较少。 本文对塔式太阳能热电站熔盐吸热器进行传热特性和散热损失的研究,并基于熔盐吸热器材料热应力提出了熔盐吸热器的设计方法,并以50MW熔盐吸热器为例,进行尺寸的优化设计。本文主要的工作如下： (1)分析了流体流动传热的基本理论和热力特性仿真平台Fluent的设置,并给出了熔盐吸热器传热工质熔盐物性参数数据和拟合函数。 (2)对非均匀热流密度下的吸热管内侧流体熔盐流动传热特性进行了网格化建模和仿真计算,分析了熔盐和吸热管的传热特性,包括吸热管截面温度分布、内外壁和熔盐的轴向温度分布、平均传热性能和局部传热性能。在吸热管的平均传热性能研究中,通过Fluent数值模拟、Sieder-Tate经验公式、Gnielinski经验公式和文献实验计算的结果比较,Gnielinski经验公式更适合本文研究的非均匀热流密度熔盐吸热器的传热特性。 (3)基于吸热器散热损失计算需要,对吸热器外侧流体空气流动传热特性进行了网格化建模和仿真计算,分析了空气和吸热器间的传热特性,计算了不同吸热器外壁温度、环境温度和风速下的空气和吸热器间的换热系数。 (4)提出了熔盐吸热器的设计方法。该方法是基于吸热器材料热应力,在吸热器形制、高径比、最小壁厚和熔盐流速引起的阻力损失(熔盐泵容许扬程)等综合约束条件下,围绕吸热器热效率最优,给出了熔盐吸热器尺寸设计方法。通过仿真发现,在满足上述约束条件下,吸热管壁厚和熔盐流速对吸热器容许热流密度影响较大,吸热管内径对吸热器容许热流密度影响较小。壁厚和吸热管内径越小、熔盐流速越大的熔盐吸热器的热流密度和热效率越高。而吸热器高径比、最小壁厚和熔盐泵容许扬程限制了吸热管壁厚和熔盐流速。 最后,对50MW吸热器进行优化设计,优化后吸热器热效率为86.8%,容许热流密度为519.5kW/m2,熔盐流速为2.6m/s,吸热器参数为：高度为5.9m,直径为5.2m,总面积为96.2m2,吸热器中吸热管内径为18.5mm,壁厚为1.2mm。 【关键词】：塔式太阳能热电站 熔盐吸热器 传热特性 热应力 热流密度
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ021.3
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 目录9-15
• 1 绪论15-29
• 1.1 课题研究背景和意义15-16
• 1.2 聚光太阳能热发电系统16-19
• 1.2.1 槽式太阳能热发电系统17-18
• 1.2.2 碟式太阳能热发电系统18-19
• 1.2.3 塔式太阳能热发电系统19
• 1.3 吸热器研究现状19-27
• 1.3.1 吸热器传热工质20-21
• 1.3.2 吸热器传热性能研究现状21-25
• 1.3.3 吸热器设计研究现状25-27
• 1.4 课题研究内容和论文安排27-29
• 2 流体流动传热基本理论及Fluent平台29-41
• 2.1 物理模型29-31
• 2.1.1 控制方程29-31
• 2.1.2 湍流模型31
• 2.2 一些设置31-34
• 2.2.1 对流换热计算31-32
• 2.2.2 操作条件设定32
• 2.2.3 单元区域条件设定32-33
• 2.2.4 边界条件设定33
• 2.2.5 控制方程离散化33-34
• 2.2.6 求解方法34
• 2.3 求解器使用方法34-35
• 2.4 UDF35-36
• 2.5 熔盐物性参数拟合36-40
• 2.5.1 熔盐密度36-37
• 2.5.2 熔盐热容37-38
• 2.5.3 熔盐导热系数38-39
• 2.5.4 熔盐动力粘度39
• 2.5.5 熔盐热扩散系数39-40
• 2.6 本章小结40-41
• 3 熔盐吸热器传热特性及散热损失研究41-55
• 3.1 吸热管传热特性的研究42-50
• 3.1.1 吸热管建模与网格划分43
• 3.1.2 熔盐物性参数设置43-44
• 3.1.3 吸热管模型计算方法44-45
• 3.1.4 吸热管传热特性仿真45-50
• 3.2 吸热器散热损失的研究50-54
• 3.2.1 吸热管散热损失计算公式51
• 3.2.2 吸热器建模与网格划分51-52
• 3.2.3 吸热器计算方法52
• 3.2.4 吸热器散热损失仿真52-54
• 3.3 本章小结54-55
• 4 熔盐吸热器设计55-63
• 4.1 吸热器容许热应力55-57
• 4.2 吸热器容许热流密度57-60
• 4.3 吸热器设计60-61
• 4.4 吸热器热效率61
• 4.5 吸热器熔盐泵扬程61-62
• 4.6 吸热管最小壁厚62
• 4.7 本章小结62-63
• 5 熔盐吸热器设计实现和仿真63-75
• 5.1 吸热器热流密度影响因素63-68
• 5.1.1 吸热器材料特性和熔盐分解温度63-65
• 5.1.2 熔盐温度65-66
• 5.1.3 吸热管壁厚66
• 5.1.4 吸热管内径66-67
• 5.1.5 熔盐流速67-68
• 5.1.6 吸热器热流密度影响因素总结68
• 5.2 吸热器平均热流密度68-69
• 5.3 吸热器设计的影响因素69-72
• 5.3.1 不同形制的吸热器69-70
• 5.3.2 不同壁厚的吸热器70
• 5.3.3 不同内径的吸热器70-71
• 5.3.4 不同熔盐流速下的吸热器71-72
• 5.4 50MW吸热器优化设计72-74
• 5.4.1 吸热管内径18.5mm的50MW吸热器优化初步设计72-73
• 5.4.2 不同吸热管内径的50MW吸热器优化初步设计73-74
• 5.5 本章小结74-75
• 6 总结和展望75-77
• 6.1 工作总结75
• 6.2 工作展望75-77
• 参考文献77-83
• 作者简历及在学期间的科研成果83

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