多叶螺旋线圈强化平板太阳能集热器管内对流换热研究

【摘要】：据统计，我国建筑用能占全社会能源消费量比例接近30%。在建筑能耗中，供热采暖用能约占45%，近年来太阳能集中供热成为供热采暖重要研究对象，集热器是整个太阳能供热系统最重要的部分，而大规模太阳能集热系统均采用平板型太阳能集热器作为采集热量的设备，但是目前平板型太阳能集热器效率仍有待提高。 本文针对平板型太阳能集热器流道安置多叶螺旋线圈强化管道换热进行实验研究和数值模拟。多叶螺旋线圈为自创型内插扰流元件，形式分为双叶螺旋线圈和三叶螺旋线圈。多叶螺旋线圈用直径为0.4mm铜丝绕制而成。将该新型内插扰流元件置于平板型太阳能集热器的流道内，以强化流道管壁与工作介质之间换热。在定热流条件下，进行了空管、螺旋线圈管、扭带管、双叶螺旋线圈管和三叶螺旋线圈管的换热性能研究；在常温下进行了阻力试验。试验结果表明，与空管相比双叶螺旋线圈管Nu数增加了68.4%～200.7%，阻力系数增加238.7%～794.6%；三叶螺旋线圈Nu数增加106.1%～272%，阻力系数增加470.8%～906.8%。通过回归分析给出了f和Nu与影响因素计算式。通过强化换热总评价公式PEC分析，得到多叶螺旋线圈PEC值均大于1，且大于扭带及螺旋线圈PEC值。采用场协同理论分析多叶螺旋线圈强化换热机理，得到多叶螺旋线圈对流换热场协同数Fc较空管有大幅提升，说明多叶螺旋线圈管道中速度场和温度场有较好的协同性。 以Fluent为工具进行数值模拟，得到多叶螺旋线圈管道速度场分布和温度场分布，并与空管模拟结果进行对比，分析得到安置多叶螺旋线圈管道的速度场和温度场均有明显变化，且三叶螺旋线圈管道速度场和温度场优于双叶螺旋线圈管道。研究发现速度矢量和温度梯度矢量之间的夹角减小，同样说明多叶螺旋线圈管道速度场和温度场具有良好的协同性。多叶螺旋线圈能够增大管道流体流速且对流体流动产生扰动；破坏流体边界层，促进核心流体和边界流体混合，使得管内流体温度分布均匀。从而达到强化换热效果。 本文通过实验验证、数值模拟及场协同理论分析得到双叶螺旋线圈管道和三叶螺旋线圈管道换热均优于空管、螺旋线圈管及扭带管；其中，三叶螺旋线圈管道比双叶螺旋线圈的换热效果更佳。上述分析可以证明多叶螺旋线圈可以强化平板型太阳能集热器流道与工质间的对流换热，从而提高平板型太阳能集热器集热效率。 【关键词】：平板太阳能集热器 双叶螺旋线圈 三叶螺旋线圈 强化换热
【学位授予单位】：内蒙古科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU832.17
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-21
• 1.1 概述9-13
• 1.2 课题研究内容和意义13
• 1.2.1 课题的研究内容13
• 1.2.2 课题研究意义13
• 1.3 研究现状13-21
• 1.3.1 实验研究14-17
• 1.3.2 数值模拟17-21
• 2 理论基础21-24
• 2.1 流动边界层理论21-22
• 2.1.1 边界层简介21
• 2.1.2 边界层理论基本论点21-22
• 2.1.3 边界层理论与对流换热22
• 2.2 流体对流换热的场协同理论22-23
• 2.3 管内插入扰流元件的强化分析23
• 2.4 本章总结23-24
• 3 实验研究24-48
• 3.1 实验目的及原理24-28
• 3.1.1 实验目的24
• 3.1.2 实验原理24-28
• 3.2 试验台搭建28-32
• 3.2.1 内插元件介绍28-30
• 3.2.2 实验系统30-32
• 3.2.3 实验步骤32
• 3.3 实验数据处理32-36
• 3.3.1 数据处理内容32-33
• 3.3.2 实验定性分析33-34
• 3.3.3 数据处理步骤34-36
• 3.4 实验结果分析36-46
• 3.4.1 空管结果分析36-40
• 3.4.2 对比分析40-46
• 3.5 本章总结46-48
• 4 数值模拟48-61
• 4.1 物理模型48
• 4.2 数学模型和数值计算方法48-52
• 4.2.1 基本控制方程48-51
• 4.2.2 网格划分51
• 4.2.3 边界条件51-52
• 4.3 数值模拟结果分析52-59
• 4.3.1 速度分布对比52-57
• 4.3.2 温度分布对比57-59
• 4.4 本章总结59-61
• 结论61-63
• 参考文献63-67
• 在学研究成果67-68
• 致谢68

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