凹凸板太阳能空气集热器的研究

【摘要】：太阳能空气集热器有着高环境友好性、高集热效率、结构简单、制造成本低等优点,有着广泛的应用,因此对太阳能空气集热器的研究有着重要意义。本文采用FLUENT对带有凸胞或凹坑结构集热板的传热和流动性能进行了数值模拟研究,并设计搭建一个凹凸集热板太阳能集热器的实测实验台,对其实际运行的情况进行测试并分析其热效率,最后采用MATLAB对下流道式、上-下流道式、下-上流道式、同向双流道式和反向双流道式的空气集热器进行数学建模,分析对比以上五种流道形式下集热器的性能差别,采用MATLAB优化工具箱计算出不同流道形式下集热器的最佳的运行方案,为改进太阳能空气集热器提供参考依据。主要的研究成果如下：1)对凸胞集热板的传热和流动性能进行数值模拟研究发现,在相同的雷诺数和P/e情况下,凸胞板的Nu随着流道高度(H)的增大而减弱,阻力系数(f)则随着流道高度的增大而减小,对于综合系数而言,在低流道高度时(60mm),综合系数随着雷诺数的增大而减小,在高流道高度时(60mm),最高的综合系数出现在Re=7000左右。对凸胞板拟合得到Nu和f的关联式如下：2)对凹坑集热板的传热和流动性能进行数值模拟研究发现,当雷诺数和P/e一定时,传热性能随着e/D的增大而增强,同时产生的阻力损失也越大,综合系数也是随着e/D的增大而增高,流道高度等于H=20～40时,综合系数随着雷诺数的增大而减小,在流道高度等于60～100mmm时,综合系数随雷诺数增大先增大后减小；在相同的雷诺数和e/D情况下,当Re7000-9000时,P/e越大Nu越大,在Re7000-9000时则相反；阻力系数则随着P/e的减小而增大；综合系数则是随着P/e的增大而增大。对凹坑板拟合得到Nu和f的关联式如下：3)当上下流道高度均为50mm时,集热的出口温度随着辐射强度的增强而升高,随着质量流量的增大而减小,热效率随辐射的增强变化不大,随着流量的增大而增大,有效效率随着流量的增大先增大后减小,随辐射的增强变化不大,而对于上-下和下-上流道式而言,有效效率随辐射增强而略升高。4)当上下流道高度均为50mm时,集热板的凸胞的相对间距增大,集热器的出口温度、热效率和有效效率则略减小；集热板的凸胞的相对高度增大,集热器的出口温度、热效率和有效效率则略增大。5)当集热器的流道总高度固定为120mm时,同向和反向双流道的集热器的性能随着下流道高度的增大变化不大；下流道式集热器则随这下流道高度的增大,出口温度、热效率和有效效率均减小；而对于上-下式和下-上式集热器,随着下流道高度的增大,出口温度和热效率略减小,而有效效率则随着上流道和下流道高度差的变大而急剧减小。6)实验研究表明凸胞下流道式集热器的热性能要优于平板下流道式集热器,在测试范围内分别温升高1.8～4.6℃和热效率高12.3%-15.3%；在一整天的测试中,集热器的出口温度随着辐射强度的增大而升高,在早晨和下午时集热器热效率较低。 【关键词】：太阳能空气集热器 凹凸板 热效率 有效效率 数值模拟
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK513.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 1 绪论12-24
• 1.1 课题研究背景12-14
• 1.2 平板太阳能空气集热器简介14-16
• 1.3 凹凸集热板的传热和阻力特性研究现状16-20
• 1.4 太阳能集热器数学模型和流道形式研究现状20-22
• 1.5 本课题研究内容22-24
• 2 半球形凹凸集热板传热及阻力特性研究24-46
• 2.1 半球形凸胞集热板传热及阻力研究24-33
• 2.1.1 模型建立24-27
• 2.1.2 网格划分及边界条件27-29
• 2.1.3 模型验证29-30
• 2.1.4 流道高度影响30-32
• 2.1.5 关联式的拟合32-33
• 2.2 半球形凹坑集热板传热及阻力研究33-44
• 2.2.1 模型建立33-34
• 2.2.2 模型验证34-35
• 2.2.3 凹坑相对高度影响35-37
• 2.2.4 凹坑相对间距影响37-40
• 2.2.5 流道高度影响40-42
• 2.2.6 关联式的拟合42-44
• 2.3 小结44-46
• 3 太阳能空气集热器实验研究46-53
• 3.1 集热器实验台介绍46-49
• 3.1.1 太阳能空气集热器46-47
• 3.1.2 气相测试系统47-48
• 3.1.3 温度测试系统48-49
• 3.2 实验方法及步骤49
• 3.3 实验数据分析49-51
• 3.3.1 集热器效率分析标准49-50
• 3.3.2 实验结果和分析50-51
• 3.4 小结51-53
• 4 不同流道形式对集热器整体性能的影响53-87
• 4.1 不同流道形式集热器的建模和求解53-71
• 4.1.1 建模思路介绍53
• 4.1.2 模型假设53
• 4.1.3 不同流道形式集热器数学建模53-69
• 4.1.4 模型迭代计算算法框图69-70
• 4.1.5 数学模型的验证70-71
• 4.2 各因素对集热器性能的影响71-82
• 4.2.1 辐射强度的影响71-74
• 4.2.2 进口流量大小的影响74-76
• 4.2.3 下流道高度的影响76-78
• 4.2.4 凹凸胞相对间距的影响78-80
• 4.2.5 凹凸胞相对高度的影响80-82
• 4.3 不同流道形式下集热器的优化82-85
• 4.3.1 下流道式集热器的最优方案82-83
• 4.3.2 同向双流道式集热器的最优方案83
• 4.3.3 反向双流道式集热器的最优方案83-84
• 4.3.4 上—下流道式集热器的最优方案84
• 4.3.5 下—上流道式集热器的最优方案84-85
• 4.4 小结85-87
• 5 结论和展望87-90
• 5.1 结论87-88
• 5.2 展望88-90
• 参考文献90-94
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果94-95
• 致谢95

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