立式太陽能熱氣流電站蓄熱層的結(jié)構(gòu)設(shè)計及蓄放熱性能研究

【摘要】：主要針對立式集熱板太陽能熱氣流電站的蓄熱層進行理論研究。通過考慮系統(tǒng)實際運行環(huán)境與相變蓄熱材料的選取原則,選擇石蠟中的正十八烷作為蓄熱層的填充材料?；诮Y(jié)構(gòu)力學中的超靜定問題和彈性力學中的矩形薄板小撓度彎曲理論,對所設(shè)計的矩形立式蓄熱裝置進行了強度校核,結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)的底板實際所受應力在許用應力范圍內(nèi),而底部側(cè)板的應力超出許用應力。為了增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并且提高導熱效率,采用在箱體內(nèi)部添加金屬隔板的方式。經(jīng)過計算,在最大許用應力下,內(nèi)部隔板間距至少維持在0.29m才能使裝置滿足受力條件。比較分析了研究相變材料常用的溫度法模型和焓法模型,在建立數(shù)學模型時考慮了石蠟固液相變時產(chǎn)生的微自然對流的流動及傳熱過程,利用數(shù)值計算的方法對石蠟相變過程時溫度變化規(guī)律和溫度場進行了計算,并與實驗結(jié)果進行比較,驗證了數(shù)值計算方法的正確性,因此可以利用數(shù)值計算的方法來獲得石蠟相變過程的溫度變化規(guī)律。以傳熱學和流體力學理論為基礎(chǔ),建立了相變蓄熱裝置的物理模型和數(shù)學模型,采用CFD數(shù)值計算軟件對該蓄熱裝置的蓄／放熱過程進行了數(shù)值模擬研究,獲得了相變過程中的溫度場以及相界面的移動規(guī)律。結(jié)果表明：在自然對流的作用下,石蠟的相變速率能夠顯著提高,且其自然對流對熔化的強化效果比凝固過程明顯,同時石蠟在熔化過程中相界面出現(xiàn)明顯的傾斜現(xiàn)象,這是由于高溫液態(tài)石蠟流動并在上部聚集引起的。分析了銅質(zhì)隔板間距為0.5m、0.25m、0.17m、0.125m時,蓄熱裝置內(nèi)部的相變過程,結(jié)果表明：熔化過程時,相變時間隨著隔板數(shù)量的增加而減小,但減小趨勢近似拋物線式,說明自然對流對蓄熱器蓄熱能力的影響,除了與重力有關(guān)之外,還與在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中是否能形成足夠規(guī)模的自然對流空間有關(guān)系,銅質(zhì)隔板周圍的等溫線均由于自然對流的作用出現(xiàn)傾斜,銅質(zhì)隔板下方石蠟熔化效果明顯優(yōu)于上方石蠟；凝固過程時,相變時間隨隔板數(shù)量增加呈線性減小,等溫線沿銅質(zhì)隔板近似呈對稱分布。綜合考慮換熱速率和石蠟的蓄熱量,確定了蓄熱裝置中隔板數(shù)量的最佳值。 【關(guān)鍵詞】：相變蓄熱 強度校核 自然對流 石蠟 太陽能
【學位授予單位】：青島科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM615;TK513.5
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 符號說明10-11
• 1 緒論11-22
• 1.1 能源與環(huán)境現(xiàn)狀11-12
• 1.2 太陽能的利用12-14
• 1.2.1 我國太陽能分布情況12-13
• 1.2.2 太陽能的利用方式13-14
• 1.2.2.1 太陽能光熱利用13-14
• 1.2.2.2 太陽能光電利用14
• 1.3 太陽能熱氣流發(fā)電技術(shù)14-18
• 1.3.1 國外太陽能熱氣流發(fā)電技術(shù)的研究進展15-16
• 1.3.2 我國太陽能熱氣流發(fā)電技術(shù)的研究進展16-17
• 1.3.3 立式集熱板太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)17
• 1.3.4 熱氣流發(fā)電系統(tǒng)蓄熱層研究17-18
• 1.4 相變材料及相變材料的強化傳熱18-21
• 1.4.1 相變蓄熱材料的應用18-19
• 1.4.2 相變蓄熱材料的分類19
• 1.4.3 相變蓄熱領(lǐng)域的強化傳熱19-21
• 1.5 課題的提出21-22
• 2 蓄熱裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計22-36
• 2.1 相變材料的選取22-24
• 2.1.1 相變蓄熱材料的選取原則22
• 2.1.2 石蠟類相變材料22-24
• 2.2 蓄熱裝置選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計24-35
• 2.2.1 蓄熱裝置的結(jié)構(gòu)分類24-25
• 2.2.2 蓄熱裝置的材料要求與選取25-26
• 2.2.3 本課題蓄熱裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計26-35
• 2.2.3.1 結(jié)構(gòu)尺寸的確定26-28
• 2.2.3.2 箱體底板應力分析28-30
• 2.2.3.3 箱體側(cè)板應力分析30-33
• 2.2.3.4 箱體結(jié)構(gòu)的改進33-35
• 2.3 本章小結(jié)35-36
• 3 數(shù)值模擬方法的驗證36-45
• 3.1 相變導熱問題及其解法36-38
• 3.1.1 相變導熱問題的傳熱模型36-38
• 3.1.2 相變導熱問題的解法38
• 3.2 FLUENT軟件中的Solidification/Melting模型38-40
• 3.3 數(shù)值模擬方法的驗證40-44
• 3.4 本章小結(jié)44-45
• 4 蓄熱裝置的蓄放熱性能研究45-65
• 4.1 自然對流對石蠟相變過程的影響45-51
• 4.1.1 物理模型45-46
• 4.1.2 數(shù)學模型46-48
• 4.1.2.1 忽略液態(tài)自然對流的數(shù)學描述46-47
• 4.1.2.2 考慮液態(tài)自然對流的數(shù)學描述47-48
• 4.1.3 數(shù)值模擬結(jié)果48-51
• 4.1.3.1 忽略液相自然對流的相變過程模擬48-49
• 4.1.3.2 考慮液相自然對流的相變過程模擬49-51
• 4.2 金屬隔板對石蠟相變過程的影響51-63
• 4.2.1 導熱理論模型的建立52-56
• 4.2.1.1 導熱計算公式的推導52-53
• 4.2.1.2 串并聯(lián)系統(tǒng)導熱系數(shù)的推導53-55
• 4.2.1.3 模型的建立55-56
• 4.2.2 熔化過程結(jié)果與分析56-59
• 4.2.3 凝固過程結(jié)果與分析59-61
• 4.2.4 最佳隔板數(shù)量的選取61-63
• 4.3 本章小結(jié)63-65
• 5 總結(jié)與展望65-68
• 5.1 總結(jié)65-66
• 5.2 創(chuàng)新點66
• 5.3 展望66-68
• 參考文獻68-72
• 致謝72-73
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術(shù)論文73
• 攻讀碩士學位期間參與的相關(guān)科研項目73-74

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