平板型雙流道太陽能空氣集熱器熱性能研究

【摘要】：太陽能空氣集熱器是太陽能熱利用的主要裝置之一,以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本適中、維護(hù)方便、沒有防凍問題等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于農(nóng)副產(chǎn)品干燥、建筑供暖、海水淡化等領(lǐng)域。本文結(jié)合太陽能空氣集熱器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,以市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛的液體介質(zhì)平板型太陽能集熱器為基體,在其長(zhǎng)度方向上以對(duì)角線加工形成空氣雙流道,提出一種平板型雙流道太陽能空氣集熱器。為測(cè)試其熱性能,本文搭建空氣集熱器實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)果表明:(1)在太陽輻射強(qiáng)度及環(huán)境溫度平均值分別為535.2W/m2和22.2℃、空氣質(zhì)量流量為0.024kg/s時(shí),基于采光面積的集熱效率平均值與最大值分別為51.29%和53.93%,空氣最大溫升與最大溫差分別為60.4℃和40.6℃,熱遷移因子為0.55(2)獲得了熱遷移因子與效率的線性關(guān)系。本文建立平板型雙流道太陽能空氣集熱器的數(shù)學(xué)模型,理論分析空氣在集熱器內(nèi)部的換熱過程,推導(dǎo)出空氣出口溫度的數(shù)學(xué)表達(dá)式,理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最大相對(duì)誤差為4.9%。并且理論研究空氣質(zhì)量流量、空氣流道結(jié)構(gòu)對(duì)集熱性能的影響,研究結(jié)果顯示:(1)空氣質(zhì)量流量對(duì)集熱性能有著顯著的影響,但其流量值應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi),以保證較好的集熱性能(2)當(dāng)空氣流道高度與總高度比例系數(shù)為0.5時(shí),集熱器可獲得最大集熱效率與最佳熱性能。同時(shí),本文利用Gambit軟件得到空氣集熱器三維模型,使用Fluent軟件模擬其熱性能,對(duì)比模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果以驗(yàn)證此數(shù)值模擬方法的正確性,結(jié)果表明:空氣出口溫度的相對(duì)誤差最大值為8.9%,且模擬和實(shí)驗(yàn)值的變化規(guī)律顯示出較好的一致性。當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度和進(jìn)口溫度值分別為745.3W/m2、21.3℃和25.8℃時(shí),對(duì)角線式空氣流道使吸熱板溫度呈現(xiàn)分布不均勻現(xiàn)象,在其表面左下方和右上方產(chǎn)生局部高溫(最高溫度值為398K)和流動(dòng)死區(qū)。為減少熱損失以及改善吸熱板溫度分布狀況,提出一種優(yōu)化方案,對(duì)優(yōu)化后的模擬進(jìn)行模擬研究,結(jié)果顯示:優(yōu)化后模型的吸熱板最高溫度僅為349K,空氣出口高達(dá)62.0℃,可解決吸熱板與空氣換熱不充分問題,減少熱損失,提高集熱效率。最后,利用Fluent軟件數(shù)值模擬不同參數(shù)對(duì)平板型雙流道太陽能空氣集熱器熱性能的影響,得到不同參數(shù)對(duì)其性能影響的關(guān)系曲線,結(jié)果表明:(1)太陽輻射強(qiáng)度對(duì)空氣出口溫度影響顯著,而對(duì)集熱效率影響較小(2)隨著空氣質(zhì)量流量增加,空氣出口溫度不斷降低,而集熱效率則不斷增加,同時(shí),當(dāng)空氣質(zhì)量流量超過0.04kg/s后,并未有效提升集熱器熱性能,且增加了電能的消耗(3)隨著進(jìn)口溫度的不斷增加,空氣出口溫度變化呈線性升高,而集熱效率呈線性減少趨勢(shì)(4)空氣出口溫度與集熱效率都隨著環(huán)境溫度的升高而呈線性增加,但環(huán)境溫度對(duì)集熱器性能的影響并不顯著(5)隨著吸熱板厚度的增加,空氣出口溫度與集熱效率均出現(xiàn)先增加后趨于平穩(wěn)的變化規(guī)律,當(dāng)吸熱板厚度超過0.35mm之后對(duì)于集熱器性能提高沒有實(shí)際意義。本文采用實(shí)驗(yàn)、理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究自行設(shè)計(jì)的平板型雙流道太陽能空氣集熱器的熱性能,為今后太陽能空氣集熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、理論分析以及數(shù)值分析提供參考依據(jù)。 【關(guān)鍵詞】：雙流道空氣集熱器 熱性能 實(shí)驗(yàn)研究 理論分析 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TK513.1
【目錄】：

• 摘要7-9
• Abstract9-13
• 第1章 緒論13-19
• 1.1 研究背景及意義13
• 1.2 太陽能空氣集熱器簡(jiǎn)介13-14
• 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-17
• 1.3.1 理論分析與數(shù)值模擬14-15
• 1.3.2 新型空氣集熱器設(shè)計(jì)與研究15-16
• 1.3.3 空氣集熱器應(yīng)用研究現(xiàn)狀16-17
• 1.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀對(duì)本課題的啟示17-18
• 1.5 本文研究?jī)?nèi)容18-19
• 第2章 平板型雙流道太陽能空氣集熱器熱性能實(shí)驗(yàn)19-28
• 2.1 空氣集熱器結(jié)構(gòu)19
• 2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)19-20
• 2.3 空氣集熱器熱性能測(cè)試方法20-21
• 2.4 空氣集熱器熱性能評(píng)價(jià)方法21-23
• 2.4.1 集熱效率21
• 2.4.2 集熱器總熱損系數(shù)21-22
• 2.4.3 熱遷移因子22
• 2.4.4 歸一化溫差22
• 2.4.5 換熱效能22-23
• 2.5 誤差分析23-24
• 2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析24-27
• 2.7 本章小結(jié)27-28
• 第3章 平板型雙流道太陽能空氣集熱器理論研究28-34
• 3.1 數(shù)學(xué)模型28-29
• 3.1.1 模型假設(shè)28
• 3.1.2 空氣上、下流道流速28-29
• 3.1.3 空氣對(duì)流換熱系數(shù)29
• 3.1.4 空氣出口溫度29
• 3.2 模型驗(yàn)證與理論分析29-32
• 3.2.1 理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證29-30
• 3.2.2 空氣質(zhì)量流量對(duì)集熱器熱性能的影響30-31
• 3.2.3 空氣流道結(jié)構(gòu)對(duì)集熱器熱性能的影響31-32
• 3.3 本章小結(jié)32-34
• 第4章 平板型雙流道太陽能空氣集熱器模擬研究34-48
• 4.1 Gambit軟件與Fluent軟件簡(jiǎn)介34-36
• 4.1.1 Gambit軟件簡(jiǎn)介34-35
• 4.1.2 Fluent軟件簡(jiǎn)介35-36
• 4.2 數(shù)學(xué)模型36-38
• 4.2.1 基本方程組36-37
• 4.2.2 能量平衡方程37-38
• 4.3 計(jì)算模型38-40
• 4.3.1 基本假設(shè)38-39
• 4.3.2 建模及網(wǎng)格劃分39
• 4.3.3 邊界條件及物性參數(shù)39-40
• 4.4 求解方法40
• 4.5 模擬結(jié)果驗(yàn)證與分析40-42
• 4.5.1 數(shù)值模擬正確性驗(yàn)證40-41
• 4.5.2 模擬結(jié)果分析41-42
• 4.6 優(yōu)化方案42-43
• 4.7 不同參數(shù)對(duì)空氣集熱器性能的影響43-47
• 4.7.1 輻射強(qiáng)度對(duì)集熱器性能的影響43-44
• 4.7.2 空氣質(zhì)量流量對(duì)集熱器性能的影響44-45
• 4.7.3 空氣進(jìn)口溫度對(duì)性能的影響45
• 4.7.4 環(huán)境溫度對(duì)集熱器性能的影響45-46
• 4.7.5 吸熱板厚度對(duì)集熱器性能的影響46-47
• 4.8 本章小結(jié)47-48
• 第5章 結(jié)論與展望48-50
• 5.1 結(jié)論48-49
• 5.2 展望49-50
• 參考文獻(xiàn)50-59
• 致謝59-60
• 附錄A 攻讀學(xué)位期間取得的成果（論文、專利、獎(jiǎng)勵(lì)）60

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