平板太陽能集熱器抗凍方法研究

【摘要】：太陽能熱水系統(tǒng)是太陽能熱利用行業(yè)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛、效益最顯著的實(shí)用技術(shù)產(chǎn)品。常用的平板太陽能集熱器具有承壓能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高、與建筑物結(jié)合良好的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),具有廣闊的發(fā)展前景。 隨著全球的氣候多變,在溫?zé)釒У貐^(qū)也常會(huì)發(fā)生極端天氣。由于一般的平板型太陽能集熱器不具有抗凍功能,一遇極端低溫天氣,就可能凍壞。而太陽能吸熱板芯是平板型太陽能集熱器的核心部件,對(duì)它進(jìn)行研究是非常必要的。 在綜合對(duì)比了各種抗凍方法后,認(rèn)為利用平板型集熱器的管型結(jié)構(gòu)能較好地解決平板集熱器凍結(jié)問題。其具有結(jié)構(gòu)簡單、受力較好、性價(jià)比高等特點(diǎn)。 凍結(jié)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),管子在完全凍結(jié)時(shí)會(huì)發(fā)生脹裂,且主要是由周向應(yīng)力造成的。針對(duì)圓管內(nèi)水完全結(jié)冰時(shí)的情況,并通過一定的假設(shè),推導(dǎo)出管子內(nèi)水結(jié)冰的膨脹力計(jì)算公式,可用于圓管內(nèi)水完全結(jié)冰時(shí)脹力的計(jì)算,其算式如下： ANSYS分析結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相符。 對(duì)橢圓管、扁管、菱形管和8字管的截面結(jié)冰順序進(jìn)行了ANSYS分析,得出了管內(nèi)水結(jié)冰在徑向上沿管壁到中心的順序凍結(jié)特征。根據(jù)凍結(jié)特征,在管型及材料研究中把結(jié)冰力模擬為內(nèi)壓,簡化了分析過程。 對(duì)目前常用的平板型集熱器流道材料0Cr18Ni9、T2、5A05制造的異型管承壓能力和變形能力進(jìn)行了分析比較,得出最佳異型管制作材料為5A05。 對(duì)橢圓管、扁管、菱形管和8字管不同管型進(jìn)行了承壓能力和彈塑性變形能力的ANSYS分析,得出各種管型的最佳形狀,并分別對(duì)其進(jìn)行了凍結(jié)模擬。結(jié)果表明,橢圓管具有較好的承壓和受壓變形的能力。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了厚度對(duì)抗凍能力的影響。結(jié)合以上結(jié)果,找出了平板型太陽能集熱器異型管的較優(yōu)抗凍結(jié)構(gòu)、材料及厚度。 【關(guān)鍵詞】：太陽能熱水器 平板集熱器 抗凍設(shè)計(jì) 異型管 結(jié)構(gòu)優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：TK513
【目錄】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 主要符號(hào)說明9-10
• 第一章 緒論10-22
• 1.1 概述10-11
• 1.2 平板型太陽集熱器簡介11-17
• 1.2.1 平板型集熱器的基本結(jié)構(gòu)11-16
• 1.2.2 平板太陽能集熱器工作原理16
• 1.2.3 平板太陽能集熱器特點(diǎn)16-17
• 1.3 平板太陽能集熱器防凍研究現(xiàn)狀17-20
• 1.3.1 水的凍結(jié)機(jī)理17-18
• 1.3.2 順序凍結(jié)理論18
• 1.3.3 傳熱工質(zhì)(雙回路系統(tǒng))18-19
• 1.3.4 外加控制器19
• 1.3.5. 集熱器結(jié)構(gòu)抗凍19-20
• 1.4 研究的主要內(nèi)容和意義20-22
• 1.4.1 研究的主要內(nèi)容20-21
• 1.4.2 研究的主要意義21-22
• 第二章 圓管凍結(jié)時(shí)應(yīng)力研究22-32
• 2.1 概述22-23
• 2.1.1 圓管凍結(jié)試驗(yàn)22
• 2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析22-23
• 2.2 圓管凍結(jié)時(shí)內(nèi)力計(jì)算23-26
• 2.2.1 對(duì)管子的分析23-25
• 2.2.2 水自由結(jié)冰分析25
• 2.2.3 管內(nèi)水受限結(jié)冰分析25-26
• 2.2.4 結(jié)論26
• 2.3 計(jì)算結(jié)果分析26-27
• 2.4 圓管凍結(jié)時(shí)計(jì)算結(jié)果的有限元分析驗(yàn)證27-32
• 2.4.1 有限元數(shù)值分析方法簡介27-28
• 2.4.2 ANSYS驗(yàn)證分析28-30
• 2.4.3 結(jié)果討論30-32
• 第三章 異型管凍結(jié)研究32-44
• 3.1 異型截面凍結(jié)順序ANSYS研究32-40
• 3.1.1 材料參數(shù)及問題描述32
• 3.1.2 問題分析32-33
• 3.1.3 ANSYS分析結(jié)果及討論33-40
• 3.2 異型管凍結(jié)有限元分析40-42
• 3.2.1 材料特性和單元類型的選取40
• 3.2.2 異型管凍結(jié)有限元分析結(jié)果40-42
• 3.3 結(jié)論42-44
• 第四章 平板型集熱器異型管結(jié)構(gòu)優(yōu)化44-66
• 4.1 材料選擇44-46
• 4.1.1 材料的彈性變形ANSYS分析44-45
• 4.1.2 ANSYS分析結(jié)果45-46
• 4.2 集管結(jié)構(gòu)優(yōu)化——橢圓管46-54
• 4.2.1 橢圓管幾何結(jié)構(gòu)46-47
• 4.2.2 應(yīng)力分析47-51
• 4.2.3 抗凍分析51-54
• 4.3 集管結(jié)構(gòu)優(yōu)化——扁管54-57
• 4.3.1 扁管幾何結(jié)構(gòu)54
• 4.3.2 應(yīng)力分析54-57
• 4.4 集管結(jié)構(gòu)優(yōu)化——菱形管57-60
• 4.5 集管結(jié)構(gòu)優(yōu)化——8字管60-61
• 4.6 厚度對(duì)管子性能的影響61-65
• 4.6.1 管子厚度對(duì)鋁橢圓管性能的影響61-63
• 4.6.2 管子厚度對(duì)銅橢圓管性能的影響63-65
• 4.7 討論65-66
• 第五章 結(jié)論與展望66-68
• 5.1 結(jié)論66-67
• 5.2 不足與展望67-68
• 致謝68-69
• 參考文獻(xiàn)69-74
• 附錄A:攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表論文目錄74-75
• 附錄B:ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言(APDL)部分代碼75-76

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