太陽(yáng)能V型腔體式吸收器傳熱特性分析及相變蓄熱研究.pdf

1、當(dāng)前,在中高溫太陽(yáng)能熱利用中,拋物槽式線聚焦集熱器占有重要位置,已廣泛應(yīng)用于干燥、海水淡化、制冷、供暖等領(lǐng)域。在槽式聚焦太陽(yáng)能系統(tǒng)中,分散、低密度的太陽(yáng)光經(jīng)拋物型反射器聚焦到位于其焦線上的吸收器上,被吸收器外表面接收并將能量傳遞給吸收器內(nèi)部流動(dòng)的工作工質(zhì),從而將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫玫臒崮?因而其轉(zhuǎn)換效率將直接影響整個(gè)集熱系統(tǒng)的效率。通常應(yīng)用于此集熱器的吸收器有真空管式和腔體式兩種。真空管式吸收器由內(nèi)金屬圓管和外玻璃管組成,金屬管和玻璃管間抽

2、真空,由于玻璃和金屬封接膨脹系數(shù)不同,長(zhǎng)期運(yùn)行容易出現(xiàn)真空泄漏,使用壽命較短,且生產(chǎn)成本較高。 本文提出了一種可用于太陽(yáng)能線聚焦集熱器的帶矩形翅片的V型腔體式吸收器,實(shí)現(xiàn)了低成本、高可靠性。
　　本文根據(jù)蒙特卡洛計(jì)算原理,利用光線追跡法對(duì)其光學(xué)性能進(jìn)行了模擬分析,得到腔體加熱面能流密度分布曲線。為研究吸收器傳熱特性,根據(jù)吸收器的傳熱熱阻網(wǎng)絡(luò)建立了能量平衡理論計(jì)算模型;并建立了三維傳熱數(shù)值模型,將光學(xué)模擬結(jié)果作為熱邊界條件模

3、擬研究了接收管內(nèi)部工質(zhì)流動(dòng)傳熱特性。搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),以水和導(dǎo)熱油為傳熱工質(zhì)開(kāi)展了熱性能實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,以期研究結(jié)果進(jìn)一步應(yīng)用于實(shí)際工程中。
　　此外,由于太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性,蓄能問(wèn)題是太陽(yáng)能應(yīng)用的薄弱環(huán)節(jié)。相變蓄熱因蓄熱密度大、蓄放熱過(guò)程溫度變化小的特點(diǎn),在太陽(yáng)能熱利用領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。本文建立了用于分析填充多孔介質(zhì)的PCM融化過(guò)程的雙溫度數(shù)值模型,模型中通過(guò)運(yùn)用雙能量方程,得出石蠟和泡沫銅各自的溫度場(chǎng),比較了純

4、石蠟與復(fù)合材料的融合情況,并研究了采用不同的金屬與石蠟間的換熱系數(shù)對(duì)石蠟融化過(guò)程的影響,為后續(xù)強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展提供合理化建議。
　　研究所得結(jié)論如下:(1)光學(xué)計(jì)算結(jié)果表明,聚焦后的太陽(yáng)光線可被V型腔體連續(xù)反射后吸收,基本實(shí)現(xiàn)了光線無(wú)逃逸;腔體加熱表面的能流分布是非均勻的,其熱流分布情況受吸收器形狀因素影響很大。(2)根據(jù)穩(wěn)態(tài)能量平衡方程,可通過(guò)Matlab迭代計(jì)算可快速計(jì)算得到熱鏡、加熱壁面、外壁面、保溫層以及傳熱工質(zhì)出口溫度在穩(wěn)

5、態(tài)時(shí)的平均溫度,實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算結(jié)果最大偏差小于8％,從而驗(yàn)證了此計(jì)算模型的可靠性。(3)通過(guò)三維傳熱數(shù)值模擬模型計(jì)算結(jié)果,對(duì)比了有無(wú)翅片的兩種吸收器內(nèi)傳熱特性,結(jié)果表明在以水為工質(zhì)的對(duì)比工況(Tin=26℃, Ib=1000W/m2)下,加入翅片的吸收器中流體平均溫度從36.4℃上升到37.6℃,同時(shí),加熱壁面的溫度則從69.12℃下降到54.22℃。由于翅片增加了換熱面積,增強(qiáng)了對(duì)流體流動(dòng)的擾動(dòng)作用,因而有效強(qiáng)化了加熱面與流體間換熱;

6、且由于熱量可快速傳給流動(dòng)工質(zhì),使得加熱面的溫度降低,從而可減小通過(guò)加熱面向環(huán)境的對(duì)流以及輻射損失,從而減小熱損失。(4)根據(jù)分析質(zhì)量流量和太陽(yáng)輻射量對(duì)出口溫度影響表明,在實(shí)際運(yùn)用中,應(yīng)綜合考慮流量和輻射的影響關(guān)系,以使得熱量利用效率最大化。(5)相變蓄熱的模擬中,通過(guò)文獻(xiàn)的對(duì)比驗(yàn)證了所建立的雙溫度模型的準(zhǔn)確性;對(duì)比純石蠟,加入泡沫金屬,有效改善了熱堆積的現(xiàn)象,使溫度分布更均勻,強(qiáng)化傳熱效果明顯,有效加快了PCM的融化速率。(6)由于石蠟