太陽能腔式盤管空氣接收器的試驗研究和數(shù)值模擬

【摘要】：太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要包括聚光器、接收器和熱功轉(zhuǎn)換單元等幾個部分,其中聚光器和接收器又統(tǒng)稱為集熱器。接收器是用來接收來自聚光器的高熱流密度的太陽輻射并將其轉(zhuǎn)化為熱能,產(chǎn)出高溫工質(zhì)的關(guān)鍵部件。接收器的熱力性能直接影響到整個系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟(jì)性。研究接收器內(nèi)部能流分布以及熱損失特性對集熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化有重要的理論和應(yīng)用價值。 本文針對下聚光腔式盤管空氣接收器,研究了不同空氣流量(1～5m3/h)和不同流向(順流和逆流)對接收器熱力性能的影響,分析了空氣在接收器內(nèi)的加熱過程和溫度分布。試驗結(jié)果表明,在平均入口光強(qiáng)為120kW/m2時,逆流和順流的最高空氣出口溫度分別能達(dá)到662℃和593℃,熱效率最高可達(dá)53.6%?？諝饬髁康拇笮Τ隹跍囟群蜔嵝视绊戄^大,相同流量下,逆流優(yōu)于順流?？諝庠诮邮掌鲀?nèi)的溫度先上升后下降,流量越大,尾部溫降越小。 建立腔式盤管空氣接收器光熱耦合模型,針對接收器內(nèi)壁表面熱流分布不均勻的情況,建立基于蒙特卡洛法的光學(xué)追跡模型獲得管壁光強(qiáng)分布,并將其作為熱邊界條件導(dǎo)入到FLUENT三維傳熱模型,得到不同工況下的接收器熱效率和空氣溫度變化規(guī)律。光熱耦合模型模擬結(jié)果表明接收器內(nèi)壁面輻射能流呈雙峰分布,接收器內(nèi)空氣加熱過程及分布規(guī)律與試驗結(jié)果相吻合良好,出口溫度誤差低于8%?；诠鉄狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)一步分析分析接收器各部分的熱損失情況,結(jié)果表明：接收器外壁對外輻射熱損失所占比例最大,其次為接收器外壁對外對流熱損失,并進(jìn)一步提出接收器優(yōu)化的措施與效果。 采用光熱耦合模型分析不同接收器結(jié)構(gòu)對熱力性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)入口平均光強(qiáng)增加到200kW/m2和300kW/m2時,流量為5m3/h時的接收器出口溫度分別能達(dá)到706℃和818℃,但熱效率降低至～20%。盤管管徑減少到4mm時,流量為5m3/h時的接收器出口溫度能達(dá)到670℃,熱效率可達(dá)64.1%,但壓降損失從6mm時的5.37kPa上升至56.52kPa。進(jìn)一步減少盤管圈數(shù)能改變盤管壁面光強(qiáng)分布使其更有利于管內(nèi)空氣溫升,當(dāng)圈數(shù)減少為12圈時,出口空氣溫度最高為572℃(5m3/h),壓降也進(jìn)一步降低為4.62kPa。進(jìn)一步減少圈數(shù)時,由于進(jìn)口總光強(qiáng)的降低及管內(nèi)加熱時間的減少則會導(dǎo)致出口溫度的降低。設(shè)計腔式盤管接收器時應(yīng)根據(jù)出口溫度要求選定入口光強(qiáng)和流量大小,壁面光強(qiáng)分布可通過管徑和圈數(shù)的調(diào)整使其達(dá)到最優(yōu)分布效果。 【關(guān)鍵詞】：太陽能 盤管 接收器 高溫空氣 能流分布 溫度場
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM615;TK513
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目錄8-11
• 圖目錄11-13
• 表目錄13-14
• 第一章 緒論14-26
• 1.1 前言14-15
• 1.2 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)15-19
• 1.3 太陽能接收器研究現(xiàn)狀19-21
• 1.3.1 容積式接收器19
• 1.3.2 顆粒式接收器19-20
• 1.3.3 腔體式接收器20-21
• 1.4 空氣接收器21-24
• 1.5 本文研究內(nèi)容24-26
• 第二章 腔式盤管接收器特性試驗與分析26-36
• 2.1 接收器結(jié)構(gòu)26-27
• 2.2 試驗裝置27-28
• 2.3 試驗研究28-34
• 2.3.1 試驗過程與方法28-30
• 2.3.2 逆流試驗結(jié)果與討論30-32
• 2.3.3 順流試驗結(jié)果與討論32-34
• 2.3.4 玻璃光孔影響34
• 2.4 本章小結(jié)34-36
• 第三章 腔式盤管接收器光熱耦合模型與驗證36-59
• 3.1 前言36
• 3.2 入口總能量測算36-42
• 3.2.1 測量系統(tǒng)簡介36-39
• 3.2.2 朗伯板位置坐標(biāo)標(biāo)定39-40
• 3.2.3 測試結(jié)果處理與分析40-42
• 3.3 腔內(nèi)盤管相對能流分布模擬與實際能流分布42-45
• 3.3.1 ASAP模型建立42-44
• 3.3.2 ASAP光學(xué)追跡結(jié)果及分析44-45
• 3.4 數(shù)值計算理論基礎(chǔ)45-50
• 3.4.1 基本假設(shè)及控制方程45-47
• 3.4.2 FLUENT簡介47-48
• 3.4.3 FLUENT中輻射模型48-50
• 3.5 Fluent耦合傳熱計算50-55
• 3.5.1 數(shù)值模型建立及網(wǎng)格劃分50-51
• 3.5.2 Fluent模型假設(shè)及邊界條件設(shè)置51-53
• 3.5.3 模型材料性質(zhì)設(shè)置53-55
• 3.6 模型驗證與分析55-57
• 3.6.1 逆流結(jié)果對比分析55-56
• 3.6.2 順流結(jié)果對比分析56-57
• 3.7 本章小結(jié)57-59
• 第四章 模擬結(jié)果分析與預(yù)測59-75
• 4.1 盤管壁面與腔內(nèi)溫度分布59-60
• 4.2 熱平衡分析60-66
• 4.2.1 整體熱平衡60-61
• 4.2.2 石英玻璃熱損失61-62
• 4.2.3 接收器殼層外表面熱損失62-63
• 4.2.4 腔體內(nèi)表面熱損失63-66
• 4.2.5 玻璃光孔反射熱損失及有效利用熱66
• 4.3 熱損失分析66-68
• 4.3.1 逆流熱損失分析與討論67
• 4.3.2 順流與逆流熱損失對比67-68
• 4.4 模型預(yù)測68-74
• 4.4.1 入口光強(qiáng)影響規(guī)律68-69
• 4.4.2 盤管管徑影響規(guī)律69-71
• 4.4.3 盤管圈數(shù)影響規(guī)律71-74
• 4.5 本章小結(jié)74-75
• 第五章 總結(jié)與展望75-77
• 5.1 研究結(jié)論75-76
• 5.2 本文主要創(chuàng)新點(diǎn)76
• 5.3 展望76-77
• 參考文獻(xiàn)77-80
• 附錄80-81
• 致謝81

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