太阳能烟囱强化海水蒸发过程的实验与理论研究

【摘要】：太阳能烟囱发电技术和太阳能海水淡化技术是可再生能源领域中两个研究热点,由于其在技术或经济上的不可行性,结合这两项技术提出了太阳能烟囱综合利用海水系统。利用太阳能烟囱强化海水蒸发,在烟囱基部形成强大的饱和湿润气流,通过冷凝途径获取气流中的水分,冷凝余热或冷凝淡水用于风力或水力发电,实现发电、海水淡化等于一体的经济可行性系统。 本文针对太阳能烟囱强化海水蒸发过程进行了实验和理论研究。首先通过洞道干燥实验,研究了气流的温度、速度及多孔材料在独立情况下对蒸发的影响。在此基础上搭建了两套小型实验装置,研究了系统内气流的温升和湿含量。由于小型系统水体的蓄热能力差,不能昼夜工作,因此组建了中型实验装置,对系统在阴、晴天的气流温升、湿含量及蓄热水体的温度变化进行了实验研究。为深入了解系统的传热机制,进行了系统的传热过程分析。同时为进一步了解系统微观的传热、传质的规律,从而寻求系统的放大理论依据,通过商用软件Fluent进行了数值模拟。 洞道实验结果表明:温度是影响蒸发的重要因素,温升越大,蒸发越快;气流速度在一定范围对蒸发有益;多孔材料对蒸发具有很强的促进作用,但同时也随着多孔材料的材质、放置方向、多少有一定的影响。太阳能烟囱强化海水蒸发的小型实验装置的研究表明:气流中的湿含量较小,当加入多孔材料时气流基本达到饱和。中型实验装置的研究表明:系统内气流在流动过程中获得较大的湿含量,水体具有很强的蓄热能力,同时在横向不同位置、纵向不同深度上存在一定差别,系统不仅能够昼夜持续工作,在阴天情况下也能实现强化蒸发的目的。对系统的热网络分析表明:水面的蒸发散热远大于气流中绝干空气的温升需要的热量,系统内集热大棚与天空的辐射散热和环境的对流散热是系统热损的主要部分。最后的数值模拟结果表明:由于模型简化的一些假设,中型实验装置气流温升、湿含量模拟结果较实验结果偏高;模拟出的圆形系统比中型实验装置具有较佳的蒸发效果。 【关键词】：太阳能烟囱 集热棚 综合系统 海水淡化 强化蒸发
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：TK519;P744
【目录】：

• 前言9-10
• 第一章 文献综述10-24
• 1.1 太阳能利用发展现状10-13
• 1.1.1 开发利用太阳能的优势10-11
• 1.1.2 太阳能利用基本方式11-12
• 1.1.3 太阳能利用发展概况12-13
• 1.2 太阳能烟囱技术13-20
• 1.2.1 太阳能烟囱发电技术的提出和工作原理13-14
• 1.2.2 太阳能烟囱发电技术的研究进展14-16
• 1.2.3 太阳能烟囱发电技术的特点16-17
• 1.2.4 太阳能烟囱技术在其它领域的研究现状17-19
• 1.2.5 太阳能烟囱发电技术的发展方向19-20
• 1.3 海水蒸发研究现状20-23
• 1.3.1 海水蒸发的内部因素与外在影响20-21
• 1.3.2 海水蒸发实验及其经验公式的研究现状21-22
• 1.3.3 强化海水蒸发的研究现状22-23
• 1.4 论文工作的提出23-24
• 第二章 强化海水蒸发的实验研究24-30
• 2.1 实验装置24-25
• 2.1.1 强化海水蒸发实验装置简图24
• 2.1.2 强化海水蒸发实验简介24-25
• 2.2 强化海水蒸发的实验研究25-30
• 2.2.1 气流温度的影响25
• 2.2.2 气体流速的影响25-26
• 2.2.3 多孔材料的影响26-29
• 2.2.4 本章小结29-30
• 第三章 太阳能烟囱强化海水蒸发的实验研究30-44
• 3.1 综合系统的实验装置30-32
• 3.1.1 系统的工作原理30
• 3.1.2 实验装置的各组成部分简介30-31
• 3.1.3 小型太阳能烟囱强化海水蒸发实验装置简图31
• 3.1.4 中型太阳能烟囱强化海水蒸发实验装置简图31-32
• 3.1.5 测温系统32
• 3.2 小型实验装置的实验研究32-34
• 3.2.1 多孔材料的对比实验研究32-33
• 3.2.2 密闭水体系统与敞开水体系统对比实验研究33-34
• 3.3 中型实验装置的实验研究34-42
• 3.3.1 单个中型实验装置的实验研究34-39
• 3.3.2 对比中型实验装置的实验研究39-42
• 3.4 实验研究的对比分析42-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第四章 太阳能烟囱强化海水蒸发的理论研究44-55
• 4.1 水分蒸发量44-47
• 4.1.1 烟囱入口处风速44-45
• 4.1.2 水分蒸发量的计算45-46
• 4.1.3 结果分析46-47
• 4.2 系统传热过程的理论分析47-54
• 4.2.1 集热棚与天空的辐射换热速率47-48
• 4.2.2 集热棚上表面与环境对流传热速率48-49
• 4.2.3 集热棚下表面与气流传热速率49
• 4.2.4 集热棚上下表面传热速率49-51
• 4.2.5 水面与集热棚内气流的传热速率51-53
• 4.2.6 集热棚下表面与水体辐射换热速率53
• 4.2.7 系统内其它部分与环境的换热速率53-54
• 4.3 本章小结54-55
• 第五章 太阳能烟囱强化海水蒸发的数值模拟55-70
• 5.1 实物模型化55
• 5.2 数值模拟55-61
• 5.2.1 Fluent软件简介55-56
• 5.2.2 Fluent软件的部分设置56-59
• 5.2.3 数学模型59-61
• 5.3 结果与讨论61-65
• 5.3.1 温度场模拟结果61
• 5.3.2 速度场模拟结果61-62
• 5.3.3 压力场模拟结果62-63
• 5.3.4 湿度场模拟结果63
• 5.3.5 密度场模拟结果63-64
• 5.3.6 模拟结果与实验结果对比64-65
• 5.4 圆形系统的性能预测65-69
• 5.4.1 温度场模拟结果65-66
• 5.4.2 压力场模拟结果66-67
• 5.4.3 湿度场模拟结果67
• 5.4.4 密度场模拟结果67-68
• 5.4.5 速度场模拟结果68
• 5.4.6 模拟结果与实验结果对比68-69
• 5.4.7 圆形系统与中型实验装置的模拟结果对比69
• 5.5 本章小结69-70
• 第六章 结论与展望70-72
• 6.1 结论70-71
• 6.2 展望71-72
• 参考文献72-78
• 发表论文和科研情况说明78-79
• 符号说明79-81
• 致谢81-82
• 附录82-83

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