以纳米流体为工质的自然循环太阳能集热系统研究

【摘要】：纳米流体与太阳能热发电是当前研究的热点之一,本文将太阳能槽式集热器与热管技术结合,以水和纳米流体做为换热工质,设计、搭建了以纳米流体为工质的自然循环太阳能集热系统。系统设计功率为50KW,采用热管技术产生0.5-0.8MPa的饱和蒸汽。 为了获得稳定、高效的换热工质,对纳米流体的稳定性和换热特性进行了研究。本文采用布朗动力学模拟的方法,对影响稳定性的因素进行了分析,模拟考虑了颗粒的聚合和沉淀之间相互作用对稳定性的影响,着重分析了纳米颗粒直径、颗粒体积分数、zeta电位对稳定性的影响,利用颗粒体积分数空间分布的脉动强度和脉动平整度表征了颗粒群的分布和颗粒聚合的程度,定量评价了颗粒的聚合效应。 纳米流体自然对流换热特性的研究分别采混合模型和欧拉-拉格朗日方法,模拟采用不可压缩的Navier-Stokes方程进行求解,纳米颗粒受力主要考虑阻力、重力、布朗力、热泳力等在微观尺度及实验中证实起主要作用的力,采用拉格朗日方法跟踪实际颗粒的运动轨迹,采用双向耦合方面考虑了纳米颗粒与流体之间动量耦合以及能量的耦合,做到了微观层次上反映纳米颗粒与流体之间的相互作用。 在廊坊中科院实验基地建立了自然循环太阳能集热系统,系统采用槽式线聚焦,东西方向单轴跟踪,镜面采用FLABEG反射镜面,集热器为自主设计的同轴套管式集热管,利用热管技术将热量传输给蒸发器,通过控制蒸发器压力,得到符合规定参数的蒸汽。对太阳能集热系统的启动进行实验研究和理论分析,通过实验,系统可以稳定产生蒸汽,在0.5MPa时以水为换热工质,测得系统效率为35.04%。对于纳米流体应用于太阳能集热系统进行了初步研究,实测得可以强化换热7%。对影响太阳能集热系统效率的影响因素进行了分析,在本系统中,影响系统效率最大的是由于太阳入射角及集热器边缘损失及系统回路的散热损失。 【关键词】：太阳能热利用 热管 纳米流体 数值模拟
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK513
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 主要符号表10-13
• 第1章 绪论13-35
• 1.1 研究背景13
• 1.2 太阳能热电及热利用技术发展13-15
• 1.3 槽式太阳能热发电系统15-16
• 1.4 槽式太阳能热发电系统核心技术和部件以及目前发展趋势16-21
• 1.5 槽式太阳能技术的实验和理论进展21-25
• 1.6 热管在太阳能集热系统中的应用25-26
• 1.7 纳米流体强化换热特性及在太阳能中应用研究现状26-33
• 1.8 本文的研究内容及创新点33-35
• 第2章 纳米流体稳定性分析35-47
• 2.1 稳定性分析数值模型35-38
• 2.2 稳定性计算结果38-46
• 2.3 本章小结46-47
• 第3章 纳米流体方腔自然对流换热数值模拟47-70
• 3.1 混合模型数学模型47-50
• 3.2 数值分析50-57
• 3.3 DPM数学模型57-60
• 3.4 数值分析60-68
• 3.5 本章小结68-70
• 第4章 50kW自然循环太阳能集热系统70-89
• 4.1 太阳能集热系统总体设计70-72
• 4.2 自然循环集热系统主要核心结构72-84
• 4.3 数据采集系统和测量方案84-88
• 4.4 本章小结88-89
• 第5章 自然循环太阳能集热系统实验及效率分析89-121
• 5.1 太阳能集热器自然循环特点89-97
• 5.2 不同工况条件下自然循环系统工作特性97-103
• 5.3 影响系统集热效率因素103-113
• 5.4 纳米流体在自然循环太阳能集热系统中的换热特性实验探索113-120
• 5.5 本章小结120-121
• 第6章 全文总结与展望121-123
• 6.1 本文的创新点121-122
• 6.2 展望122-123
• 参考文献123-134
• 作者简历134

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