太阳能真空集热管的强化传热技术研究

【摘要】：槽式太阳能集热器是目前应用最为广泛的太阳能中高温热利用设备，在工业和日常生活中都拥有广阔的应用前景，但槽式太阳能集热器存在着传热系数较低、设备占地面积大和真空集热管内易结垢等问题。本文利用内插物强化传热技术改进真空集热管，选取扭带、组合转子和绕花丝三种代表性的内插物对真空集热管进行强化传热。扭带和组合转子通过使管内产生非衰减的旋流和扰流，达到提高换热性能的目的，并且有一定的防垢和除垢作用。绕花丝通过弥散效应，提高流体混合程度，进而增大边界层区域的温度梯度达到强化传热的目的。 本文通过数值模拟和实验相结合的方法对三种内插物对真空集热管的强化传热效果进行了研究。主要的内容有： (1)采用FLUENT软件对内置扭带和转子的真空集热管进行了数值模拟，利用DNS法对加入扭带和组合转子后太阳能真空集热管的速度场、压力场和温度场进行了数值计算，得到了内管出口处的速度分布、压力分布和温度分布。将结果与普通真空集热管的分布情况进行了对比，发现加入内插物后强化传热效果十分明显，同时也引起了管内阻力系数的增大，其中内插组合转子的强化传热效果要大大优于内插扭带。 (2)搭建了实验台对绕花丝和组合转子装置在实际应用中的效果进行测试，结果表明加入内插物后管内传热介质的出口温度有了较大幅度的提高，同时也引起了功耗的增加。绕花丝与组合转子装置相比强化传热效果相近，但功耗要小于组合转子，从经济性上考虑绕花丝内置物的综合效果更好。 通过以上研究为内插物强化传热技术在太阳能真空集热管上的应用以及内插物种类的选择提供了理论基础。 【关键词】：太阳能真空集热管 内插物 流场 强化传热 数值模拟
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK513.1;TK124
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 符号说明11-12
• 1 绪论12-24
• 1.1 太阳能利用背景介绍12-14
• 1.2 国内外研究动态14-18
• 1.2.1 槽式太阳能集热器的发展14
• 1.2.2 槽式太阳能集热器结构及工作过程14-15
• 1.2.3 强化传热技术的发展15-18
• 1.3 强化传热的数值模拟18-20
• 1.3.1 数值模拟研究方法18-19
• 1.3.2 CFD 软件及应用19-20
• 1.4 强化传热评价标准20-22
• 1.5 研究的目的及意义22-23
• 1.6 研究目标与内容23-24
• 1.6.1 研究目标23
• 1.6.2 研究内容23-24
• 2 相关理论基础24-40
• 2.1 强化传热的理论研究24
• 2.2 数值模拟的基本理论和方法24-25
• 2.3 控制方程25-28
• 2.3.1 能量守恒方程25-26
• 2.3.2 动量守恒方程26-27
• 2.3.3 质量守恒方程27-28
• 2.4 湍流模型在数值模拟当中的应用28-30
• 2.4.1 湍流模型的种类28-30
• 2.4.2 湍流数值模拟方法30
• 2.5 对流强化传热机理分析30-32
• 2.6 内插物的种类及其性能32-38
• 2.6.1 扭带32-34
• 2.6.2 组合转子34-36
• 2.6.3 绕花丝内插物36-38
• 2.7 管内插入物对比38-40
• 3 太阳能真空集热管内插物强化传热数值模拟研究40-53
• 3.1 数值计算40-41
• 3.2 SIMPLE 算法41-43
• 3.2.1 SIMPLE 算法的应用41-42
• 3.2.2 SIMPLE 算法的假设和具体步骤42-43
• 3.3 网格划分43
• 3.4 物理模型的建立及求解43-50
• 3.4.1 物理模型的建立44
• 3.4.2 划分网格44-45
• 3.4.3 边界条件设置45-46
• 3.4.4 计算结果46-50
• 3.5 数据计算50-51
• 3.6 结果分析51-53
• 4 太阳能真空集热管内插物强化传热实验研究53-58
• 4.1 实验系统53-55
• 4.1.1 内插物强化传热实验装置53-54
• 4.1.2 实验过程54-55
• 4.2 实验结果55-58
• 5 总结与展望58-60
• 5.1 总结58
• 5.2 创新点58-59
• 5.3 研究展望59-60
• 参考文献60-64
• 致谢64-65
• 攻读学位期间发表的科研成果65-66

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