非均匀热流分布下槽式太阳能吸热管的热特性

【摘要】：太阳能集热器是太阳能热利用装置的核心部件，是一种将太阳能转化为热能的装置，其热转换效率会直接影响到整个太阳能系统的效率和经济性。随着太阳辐射时间上的间歇性和空间上的不均匀性，吸热管表面的热流不断变化，这导致太阳能热发电系统在运行过程中，其吸热管表面承受反复的温度变化，从而使管壁产生温度梯度，由此产生的热应力会超过吸热管的屈服强度，导致吸热管弯曲变形，严重时甚至会使集热管外面的玻璃套管破裂，集热效率大大下降，影响整个太阳能系统的安全性。对于中低温的太阳能集热器，由于吸热管表面温度低，换热温差小，所产生的热应力不足以影响吸热管的工作性能。但是对于具有高聚光比的槽式太阳能热发电系统，其集热器工作时仅面向反射镜的一侧受热，而另一侧几乎没有热流，且受热一侧的热流分布也呈现非线性特征。在这种非均匀热流密度条件下，集热管表面温度高达400℃以上，管壁存在较大的换热温差，所产生的热应力不容忽视。 本文以太阳能热利用中的槽式直接蒸汽发生太阳能集热器为研究对象，采用FLUENT和ANSYS软件，对槽式太阳能集热管进行了传热性能，热应力及变形的数值模拟，对减小吸热管壁热应力及弯曲变形的方法进行了理论分析。主要研究内容包括： 建立了槽式太阳能集热管的传热模型，数值模拟得到非均匀热流密度下太阳能吸热管单相区（过冷区与过热区）在不同的热流密度，工质流速及热流密度施加位置影响下吸热管的温度分布。将温度场载荷通过ANSYS WORKBENCH软件附加在吸热管壁上求出吸热管壁的热应力分布，分析了热应力作用下吸热管的弯曲变形特征； 针对太阳能吸热管中两相区进行了简化，忽略管内流体，根据不同的蒸汽干度对吸热管内壁划分区域附加不同的汽相和液相的传热系数，在此基础上研究不同的热流密度、干度及热流密度施加位置条件下吸热管两相区时吸热管壁上热应力的分布情况，并分析热应力引起的吸热管的弯曲变形； 针对非均匀热流密度条件下单相区与两相区的吸热管计算结果做了对比，在相同的条件下，分析了不同区域时吸热管管壁沿轴向、周向及径向的热应力分布及弯曲变形情况； 为了研究减小吸热管壁存在的热应力及弯曲变形的途径，建立了钢-铜复合吸热管及螺旋状吸热管的传热模型，针对不同形式、壁厚及热流密度下的吸热管进行了热应力与变形的数值模拟。 通过本文的研究，为槽式直接蒸汽发生太阳能吸热器结构的优化设计、吸热管热应力的减弱方法提供了数值基础和参考依据。 【关键词】：太阳能集热器 非均匀热流密度 温度梯度 热应力 热变形
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK513.1
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 主要符号表9-10
• 1 绪论10-22
• 1.1 课题背景10
• 1.2 太阳能热发电10-13
• 1.3 槽式太阳能热发电系统13-15
• 1.4 太阳能吸热器热特性的研究现状15-19
• 1.4.1 吸热管换热特性16-17
• 1.4.2 吸热管热应力分析17-19
• 1.5 课题的研究内容和意义19-22
• 1.5.1 课题的研究内容20
• 1.5.2 课题的研究意义20-22
• 2 太阳能吸热管的数值计算模型22-30
• 2.1 物理模型22-23
• 2.2 数学模型23-26
• 2.2.1 模型的流动方程23-24
• 2.2.2 热弹性力学方程24-26
• 2.2.3 等效应力26
• 2.3 吸热管表面热流密度26-27
• 2.4 网格划分27-28
• 2.5 网格无关性检测28-29
• 2.6 模型的验证29
• 2.7 本章小结29-30
• 3 太阳能吸热管过冷区的热特性30-48
• 3.1 吸热管管壁的温度梯度31-35
• 3.1.1 热流密度施加位置的影响32-33
• 3.1.2 流体流速的影响33-34
• 3.1.3 热流密度的影响34-35
• 3.2 管壁热应力及变形35-47
• 3.2.1 热流密度的影响35-40
• 3.2.2 流体流速的影响40-43
• 3.2.3 热流密度施加位置的影响43-47
• 3.3 本章小结47-48
• 4 太阳能吸热管两相区的热特性48-76
• 4.1 模型简化48-49
• 4.2 数学模型49-51
• 4.3 传热系数及干涸角的确定51-53
• 4.4 热应力与变形53-73
• 4.4.1 干度的影响56-62
• 4.4.2 热流密度的影响62-66
• 4.4.3 热流密度施加位置的影响66-69
• 4.4.4 换热系数的影响69-73
• 4.5 本章小结73-76
• 5 太阳能吸热管的热应力与变形76-90
• 5.1 热应力（过冷区、两相区及过热区）76-77
• 5.2 变形（过冷区、两相区及过热区）77-79
• 5.3 不同区域吸热管的热应力及变形的比较79-82
• 5.3.1 吸热管沿轴向的热应力及变形79-80
• 5.3.2 吸热管沿周向的热应力及变形80-81
• 5.3.3 吸热管沿径向的热应力及变形81-82
• 5.4 不同形式太阳能吸热管的比较82-88
• 5.4.1 物理模型82-84
• 5.4.2 热应力及变形84-88
• 5.5 本章小结88-90
• 6 结论与展望90-92
• 6.1 结论90-91
• 6.2 展望91-92
• 致谢92-94
• 参考文献94-100
• 附录100
• A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录100
• B.作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目100

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