步進式太陽能真空管集熱系統(tǒng)升溫性能的研究

【摘要】：與平板太陽能集熱器相比,真空管太陽能集熱器由于有真空夾層的存在,其熱損失極小。相對于以水作為傳熱工質(zhì)的集熱器,空氣集熱器不存在凍壞、結垢、腐蝕等問題。但是目前研究焦點多關注于并聯(lián)型真空管空氣集熱器,對串聯(lián)型真空管集熱器研究甚少,尤其是關于步進式集熱溫度和內(nèi)部阻力更是鮮有報道。與并聯(lián)型真空管空氣集熱器相比,步進式真空管太陽能空氣集熱器能夠把空氣加熱到更高的溫度,提高太陽能利用效率,擁有更廣闊的應用前景。本文以步進式全玻璃真空管太陽能空氣集熱器為研究對象,設計并搭建內(nèi)插式真空管太陽能空氣集熱器實驗平臺,對集熱器的流動阻力損失、步進式升溫規(guī)律、集熱效率等進行了測量,并對該集熱器應用于苦鹵蒸發(fā)領域進行了實驗研究?；谟邢摅w積法,建立集熱器內(nèi)空氣流動和傳熱的三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型對集熱器內(nèi)部流場、溫度場、壓力場等進行了研究。采用流-固耦合方法,對比分析不同空氣流量下集熱器的步進式升溫規(guī)律,并建立集熱器的阻力計算模型,對集熱器阻力特性進行分析,結合數(shù)值模擬得到的壓力場對該空氣集熱器進行結構優(yōu)化,確定最佳內(nèi)插管尺寸。結果表明：空氣進入集流管內(nèi)筒后,大部分直接流入內(nèi)插管,但還有一部分在內(nèi)筒端部形成渦流；從內(nèi)插管尾部流出的空氣一部分直接沖到真空管尾部,形成流動滯止現(xiàn)象,造成局部高壓,其余大部分轉(zhuǎn)彎進入環(huán)形區(qū)域；從環(huán)形區(qū)域流入集流管外筒的空氣絕大部分做圓柱擾流運動,基本都從外筒上部流出集熱單元。通過數(shù)值模擬及理論計算優(yōu)化后得到最佳內(nèi)插管尺寸為內(nèi)徑28mm、外徑34mm,此時集熱器壓降最小。當空氣流量為12m3/h時,對于集熱器流動阻力損失,數(shù)值模擬與理論計算結果分別為834Pa和762Pa。相比實驗用內(nèi)插管,若采用優(yōu)化后的內(nèi)插管,平均壓力損失可降低3%左右。集熱器由6個集熱單元串聯(lián)而成,在空氣流量12m3/h條件下,平均每個集熱單元可將空氣溫度升高15℃。該集熱器可將空氣溫度加熱至100℃以上,集熱器的瞬時效率最高可達97%。該集熱器應用于苦鹵蒸發(fā)的效果很好。經(jīng)過7天可將苦鹵由25波美度提高到33.2度。經(jīng)過2天,可將苦鹵由31.5波美度提高到33度。 【關鍵詞】：步進式 太陽能 空氣集熱器 阻力損失 溫度場
【學位授予單位】：東北大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TK513.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-26
• 1.1 前言12
• 1.2 太陽能集熱器12-18
• 1.2.1 平板太陽能集熱器12-15
• 1.2.2 真空管太陽能集熱器15-18
• 1.3 太陽能空氣集熱器18-22
• 1.4 太陽能集熱器測試方法簡述22-23
• 1.5 本文研究意義及研究內(nèi)容23-26
• 第2章 集熱管熱平衡及流動阻力損失理論知識26-34
• 2.1 太陽能真空集熱管熱平衡26-29
• 2.1.1 真空管熱平衡26-27
• 2.1.2 照射到真空集熱管的太陽能輻射量27-28
• 2.1.3 真空集熱管向外界的散熱量28-29
• 2.2 流動阻力損失計算29-34
• 2.2.1 沿程摩擦阻力損失30-31
• 2.2.2 局部阻力損失31-34
• 第3章 步進式真空管太陽能空氣集熱器實驗研究34-48
• 3.1 太陽能空氣集熱器基本結構34
• 3.2 實驗平臺及裝置參數(shù)34-37
• 3.3 集熱器步進式升溫實驗37-39
• 3.4 集熱器熱效率實驗39-41
• 3.5 集熱器流動阻力損失實驗41-42
• 3.6 強制蒸發(fā)苦鹵實驗42-45
• 3.7 本章小結45-48
• 第4章 步進式真空管太陽能空氣集熱器數(shù)值分析及結構優(yōu)化48-76
• 4.1 引言48
• 4.2 研究內(nèi)容及目的48
• 4.3 物理模型和網(wǎng)格48-50
• 4.4 數(shù)學模型50-52
• 4.4.1 基本假設50-51
• 4.4.2 流動數(shù)學模型51
• 4.4.3 傳熱數(shù)學模型51-52
• 4.4.4 邊界條件52
• 4.4.5 求解方法52
• 4.5 結果與分析52-74
• 4.5.1 模型驗證52-55
• 4.5.2 插管尺寸結構優(yōu)化55-69
• 4.5.3 集熱器內(nèi)部流場及溫度場模擬預測69-74
• 4.6 本章小結74-76
• 第5章 公路隧道射流通風設計的模擬研究76-88
• 5.1 前言76
• 5.2 研究內(nèi)容及目的76
• 5.3 物理模型和網(wǎng)格76-78
• 5.4 數(shù)學模型及邊界條件78-80
• 5.4.1 基本假設78
• 5.4.2 數(shù)學模型78-79
• 5.4.3 邊界條件79
• 5.4.4 求解步驟79-80
• 5.5 結果與分析80-86
• 5.5.1 隧道內(nèi)空氣的流動情況80-85
• 5.5.2 風機折損系數(shù)85-86
• 5.6 本章小結86-88
• 第6章 結論88-90
• 參考文獻90-96
• 致謝96-98
• 附錄98
• A 作者在攻讀學位期間發(fā)表的學術論文98
• B 作者在攻讀學位期間參加的學術活動98

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