太阳能高温集热器热性能的研究

【摘要】：本文首先总结了国内、外各种太阳能高温集热器的热性能研究发展现状和最新研究动态，并对全玻璃真空管太阳能集热器、平板型太阳能集热器和槽式太阳能集热器等太阳能集热器蒸汽生产方式及特点分别进行了讨论。在此基础上，设计了一款太阳能集热管：直通金属管—双层玻璃真空套管式集热管。其主要结构是由一根直型金属管和一根环形的玻璃真空管组成，其中，环形的玻璃真空管外壁采用弧形设计，相当于对外壁加了一个膨胀节，当玻璃真空管内、外壁温差较大时，可以避免因管壁热胀冷缩而引起的玻璃管破裂，金属直管表面涂有太阳光的吸收涂层，二者同轴装配。在阅读大量文献资料的基础上，对槽式聚光器进行了优化，最终确定聚光器的材料、尺寸及几何聚光比等参数。 在完成了集热管设计的基础上，建立了直通金属管—双层玻璃真空套管式集热管中金属直管的数理模型。分别选用了多种不同直径的金属直管（根据GB13296-2007），统一选取管长为2000mm。然后，确定计算区域，建立二维模型，划分网格，确定边界条件、选择合适的湍流模型以及其他求解参数，利用Fluent软件进行数值模拟试验，通过对不同金属直管直径、太阳辐射等工作参数下金属直管流道内的流体流动与换热的数值模拟，对模拟试验结果进行分析，得出各参数对金属直管集热性能的影响规律。集热管的集热效率随着管内流速的增加而增大，但是流速增加，出口端温度则会降低，而随着金属直管管径的变化，集热效率和出口端温度也会发生变化，为了使出口端温度和集热效率都能达到很好的结果。要将各参数联合分析，进行优化组合。 结果表明，选用反射率为0.84的扎花铝（表面无氧化）作为聚光器的基材，聚光器的开口宽3600mm,接收半张角为30°，聚光效果较好，在太阳能辐射强度为700W/㎡时，金属直管选用Φ32×3.5mm型号的不锈钢管，进口端水流速为0.1m/s时，金属直管出口端的流体平均温度为420K，温度能够达到设计要求，且此时传热效果较好，集热管的集热效率为80.58%。并且得出，金属直管出口端的温度随着太阳能辐射强度的增加还会有所提升。 【关键词】：太阳能热利用 太阳能集热器 金属直管—双层玻璃真空管式集热管 集热器效率
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK513.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 研究背景及意义11-13
• 1.2 国内外研究现状及存在的问题13-21
• 1.2.1 太阳能聚光系统的研究现状13-18
• 1.2.1.1 塔式太阳能聚光系统13-15
• 1.2.1.2 碟式太阳能聚光系统15-16
• 1.2.1.3 槽式太阳能聚光系统16-18
• 1.2.2 槽式太阳能集热管的研究现状18-21
• 1.2.2.1 U 型真空玻璃管集热管18
• 1.2.2.2 热管式真空集热管18-19
• 1.2.2.3 直通式金属—玻璃真空集热管19-21
• 1.3 热管技术在太阳能技术中的应用21-22
• 1.4 本章小结22-23
• 第二章 直通式金属—双层玻璃真空套管式集热管太阳能高温集热器的结构设计23-37
• 2.1 概述23-27
• 2.1.1 聚光器24-26
• 2.1.1.1 反射材料24-26
• 2.1.1.2 基材26
• 2.1.1.3 保护膜26
• 2.1.2 集热管26-27
• 2.2 槽式聚光器的总体结构设计27-32
• 2.2.1 聚光器的数学分析29-30
• 2.2.2 聚光器的聚光比30-32
• 2.3 直通金属管—双层玻璃真空套管式集热管的结构设计32-36
• 2.3.1 直通金属管—双层玻璃真空套管式集热管设计32-36
• 2.4 本章小结36-37
• 第三章 集热管的传热分析及控制方程的建立37-51
• 3.1 直通金属管—双层玻璃真空套管式集热管传热理论模型37-46
• 3.1.1 模型建立的条件假设38
• 3.1.2 金属直管径向热传导的理论分析38-46
• 3.1.2.1 以真空玻璃管外壁为对象的传热过程40-42
• 3.1.2.2 以真空玻璃管内管为对象的传热过程42-44
• 3.1.2.3 以金属直管为对象的传热44-46
• 3.2 集热管内数理模型的建立46-50
• 3.2.1 集热管内传热数值模拟方法的研究47-48
• 3.2.2 湍流传热的数值解法48-49
• 3.2.3 几种常见的数值模拟方法49-50
• 3.2.3.1 直接模拟（direct numerical simulation, DNS）49
• 3.2.3.2 大涡模拟（large eddy simulation, LES）49-50
• 3.2.3.3 应用 Reynolds 时均方程（Reynolds-averaging equations）的模拟方法50
• 3.3 本章小结50-51
• 第四章 集热管内传热特性的数值模拟求解51-58
• 4.1 有限容积法及其分析软件51-53
• 4.1.1 有限容积法（Finite Volume Method, FVM）51-52
• 4.1.2 有限容积法分析软件 FLUENT 介绍52-53
• 4.2 模型边界条件设置53-55
• 4.2.1 速度进口边界条件的设置53-54
• 4.2.2 自由流出边界条件54
• 4.2.3 固壁边界条件54
• 4.2.4 对称边界条件54-55
• 4.3 网格划分和求解设置55-57
• 4.3.1 网格划分55-56
• 4.3.2 fluent 求解设置56-57
• 4.4 本章小结57-58
• 第五章：集热管内传热数值模拟与理论计算的结果分析58-81
• 5.1 模拟结果分析58-76
• 5.1.1 进口端水流速度的影响63-67
• 5.1.2 金属管直径对集热效果的影响67-71
• 5.1.3 金属直管内阻力特性的分析71-72
• 5.1.4 太阳辐射强度对集热效果的影响72-76
• 5.2 理论计算76-80
• 5.2.1 出口温度结果分析76-79
• 5.2.2 集热器集热效率79-80
• 5.3 本章小结80-81
• 结论与展望81-83
• 参考文献83-87
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果87-88
• 致谢88-89
• 附件89

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