基于相变蓄热的太阳能烟囱传热性能研究

【摘要】：自然通风技术是现代建筑节能中普遍采用的改善室内空气品质和降低空调能耗的重要技术手段,太阳能通风就是一种热压作用下的自然通风措施,即利用烟囱效应来实现自然通风。太阳能通风系统利用太阳辐射加热风道内的空气,为空气提供浮升力,促进风道内的空气流动。相变材料在发生相变的过程中伴有大量能量吸收或释放,将其与太阳能通风系统结合,应用于强化自然通风,可以扩展太阳能通风系统的运行时间,减少建筑物空调系统的运行时间,达到既提高室内舒适度由实现节能的目的。太阳能集热板是太阳能通风的关键技术,本研究将相变蓄热技术应用于太阳能强化自然通风中,利用相变材料蓄热特性,使太阳能的利用时间从白天扩展到夜间,实现太阳能通风系统全天候通风,扩大了太阳能通风系统的使用时限。因此,对太阳能集热板的研究有着非常重要的意义。本研究建立了集热板相变材料蓄热系统的模型,利用计算流体软件Fluent中凝固/熔化模型及DO太阳辐射模型模拟石蜡相变过程。通过搭建集热板测试实验台,分析相变过程集热板内温度场随时间的变化规律,模拟结果与实验结果具有较好的一致性。在考虑液相区自然对流作用下集热板内部相界面的变化规律,分析了温度场、液相率随时间的变化情况基础上,证实了在纯石蜡的熔化过程中必须考虑自然对流的影响。为了强化集热板的传热性能,使用3wt%碳纳米管/石蜡、缩短相变集热体肋间距的方法,通过模拟,分析在考虑液相区自然对流作用下,使用两种优化方法集热板内部相界面的变化规律以及温度场、液相率随时间变化的影响。模拟结果显示,两种方法均对集热板的传热性能有改善作用,能够将集热板内部相变材料的熔化时间分别提前35min和20min。针对优化前后共三种不同的集热板,对其进行通风效果分析,结果显示集热板外壁温较高的复合相变材料太阳能烟囱通风性能更优。三种模型12:00~20:00内的总风量依次为10259.18 m3、10450.03 m3、10296.42 m3,完全可以达到新风要求。 【关键词】：太阳能烟囱 相变蓄热 传热特性 数值模拟
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU233;TU83
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 课题背景11-12
• 1.2 太阳能烟囱自然通风的基本特点12-13
• 1.3 相变蓄热的特点13-14
• 1.4 太阳能自然通风国内外研究现状14-17
• 1.4.1 太阳能通风性能的影响分析14-16
• 1.4.2 太阳能通风联合其他系统的研究16
• 1.4.3 太阳能通风结合相变蓄热的研究现状16-17
• 1.5 本文研究内容及方法17-19
• 1.5.1 研究内容17
• 1.5.2 研究方法17-19
• 第二章 相变集热体蓄/放热过程数值模拟19-31
• 2.1 Fluent的基本理论19-23
• 2.1.1 Fluent简介19-20
• 2.1.2 Solidification/Melting模型20
• 2.1.3 辐射模型20-21
• 2.1.4 空气流动控制方程21-22
• 2.1.5 Boussinesq近似22-23
• 2.2 相变传热中的主要数学模型23-25
• 2.3 物理模型25-26
• 2.4 数学模型26-29
• 2.4.1 数学模型的建立26-27
• 2.4.2 热物性参数设置27-28
• 2.4.3 Fluent参数设置28
• 2.4.4 求解控制参数设定28-29
• 2.5 本章小结29-31
• 第三章 相变集热体蓄/放热过程实验研究31-45
• 3.1 实验目的31
• 3.2 实验系统31-39
• 3.2.1 集热板32-33
• 3.2.2 温度测试系统33-35
• 3.2.3 环境参数的测量35-36
• 3.2.4 实验主要仪器36-39
• 3.2.5 实验主要材料39
• 3.2.6 实验时间39
• 3.3 实验步骤39-42
• 3.4 实验结果分析42-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第四章 结果分析与讨论45-75
• 4.1 数学模型与实验对比45-47
• 4.1.1 温度值对比45-46
• 4.1.2 各时刻绝对误差值46
• 4.1.3 误差原因分析46-47
• 4.2 太阳能通风系统集热板传热特性分析47-51
• 4.2.1 熔化过程分析47-50
• 4.2.2 凝固过程分析50-51
• 4.3 结合相变蓄热太阳能烟囱传热性能优化51-61
• 4.3.1 相变材料特性对相变集热体传热过程的影响52-56
• 4.3.2 肋片间距对相变集热体传热过程的影响56-61
• 4.4 太阳能烟囱通风效果模拟分析61-64
• 4.4.1 物理模型61-62
• 4.4.2 模型简化62
• 4.4.3 风环境研究方法介绍62-64
• 4.5 三种太阳能烟囱数值模拟的通风效果分析64-71
• 4.5.1 风速特点64-69
• 4.5.2 风量特点69-71
• 4.6 相变蓄热太阳能烟囱通风运行方案71-72
• 4.7 本章小结72-75
• 第五章 结论及展望75-77
• 5.1 结论75-76
• 5.2 展望76-77
• 参考文献77-80
• 攻读硕士学位期间发表学术论文80-81
• 致谢81

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