太阳能多孔介质空气吸热器传热特性研究

【摘要】：根据对太阳能热发电高效率、低成本的迫切需求,结合能源利用与热科学研究的发展趋势,本文开展多孔介质空气吸热器热科学关键基础问题研究。目前,空气吸热器在使用过程中经常出现热斑并且损坏,主要原因是太阳能聚集形成高密度、非均匀辐射能流,使吸热材料产生强烈的热应力与热冲击。所以研发高吸热率、高传热效率、高可靠性、低成本空气吸热器已成为工程技术的关键部分。多孔陶瓷介质具有吸热传热性好、耐高温、孔隙率高、质量轻、传热性能好等特点,是理想的吸热材料,因此,目前太阳能吸热装置多采用多孔陶瓷介质来做吸热材料,同时,由于空气容易获得且易于控制,所以采用空气作为传热流体。目前由于太阳能吸热器的入口热流分布不均匀,流体流动不稳定会容易引起局部高温,对吸热器性能影响较大。所以本文选用碳化硅作为传热介质,建立多孔介质吸热器内部流动模型和气固两相换热模型,利用COMSOL软件模拟研究了多孔介质吸热器内部传热传质特性,分析了影响吸热器温度分布的各种因素。论文主要包括以下两个方面研究:(1)单层均匀多孔介质吸热器内传热特性研究,重点分析介质孔隙密度、孔隙率、入口进气速度、以及边界热流密度对固相和气相两相温度分布的影响。结果表明:多孔介质孔隙密度、孔隙率、入口进气速度、以及边界热流密度对固相和气相两相温度分布的影响较大,对分析太阳能吸热器热性能分析提供参考。(2)新型双层泡沫陶瓷介质在太阳能多孔介质吸热器中传热特性研究。采用与单层多孔介质类似的方法,建立两层多孔介质的非局域平衡热方程和两相能量方程,模拟了两层不同孔隙率和孔隙密度的大小配置对整体温度分布和进出口温度分布的影响,并得到使其出口气体温度变高的增强换热的设计方案。结果表明:两层多孔介质不同孔隙率和孔隙密度的大小配置对整体温度分布和进出口的温度分布的影响较大,第一层多孔介质的厚度对整个模型模拟的结果有较大的影响。 【关键词】：多孔介质 太阳能 空气吸热器 传热特性
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-20
• 1.1 课题研究背景和意义9
• 1.2 聚光太阳能热发电系统9-11
• 1.3 吸热器国内外的研究现状11-19
• 1.3.1 吸热器传热工质11-13
• 1.3.2 空气吸热器国外研究现状13-14
• 1.3.3 空气吸热器国内研究现状14-16
• 1.3.4 多孔介质的研究现状16-19
• 1.4 本文主要研究内容19-20
• 第2章 太阳能在多孔介质内的传热过程20-34
• 2.1 太阳能能量分布的模拟与计算20-26
• 2.1.1 SMARTS模式概述20-21
• 2.1.2 哈尔滨地区SMARTS模式的参数设定21-22
• 2.1.3 SMARTS模式的适用性验证22-23
• 2.1.4 不同因素对太阳光谱的影响23-26
• 2.2 多孔介质内部传热特性数学方程26-33
• 2.2.1 多孔介质研究方法26
• 2.2.2 多孔介质内部控制方程26-30
• 2.2.3 多孔介质内部对流换热模型30-31
• 2.2.4 多孔介质内部辐射换热模型31-33
• 2.3 本章小结33-34
• 第3章 多孔介质吸热器内部传热特性研究34-52
• 3.1 问题描述34-35
• 3.2 多孔介质吸热器内部传热模型的数学表达35-37
• 3.2.1 模型假设35-36
• 3.2.2 传热模型的控制方程36-37
• 3.3 数值分析方法的验证37-39
• 3.4 多孔介质吸热器稳态传热特性结果分析39-46
• 3.4.1 多孔介质骨架孔隙平均直径的影响39-41
• 3.4.2 多孔介质骨架孔隙率的影响41-43
• 3.4.3 流体进气速度的影响43-44
• 3.4.4 多孔介质导热率的影响44-45
• 3.4.5 热流分布的影响45-46
• 3.5 多孔介质吸热器瞬态传热特性结果分析46-50
• 3.5.1 突加恒定热流密度47-48
• 3.5.2 热流密度突变为 048-49
• 3.5.3 热流密度缓慢变为 049-50
• 3.6 本章小结50-52
• 第4章 新型双层多孔介质吸热器内部特性研究52-61
• 4.1 双层太阳能多孔介质吸热器描述52-53
• 4.2 数学模型53-55
• 4.2.1 控制方程53-54
• 4.2.2 边界条件54-55
• 4.2.3 热物性参数设定55
• 4.3 结果分析55-60
• 4.3.1 孔隙率变化对温度影响55-58
• 4.3.2 孔隙密度变化对温度影响58-60
• 4.4 本章小结60-61
• 结论61-62
• 参考文献62-66
• 致谢66

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