立式太阳能热气流电站蓄热层的结构设计及蓄放热性能研究

【摘要】：主要针对立式集热板太阳能热气流电站的蓄热层进行理论研究。通过考虑系统实际运行环境与相变蓄热材料的选取原则,选择石蜡中的正十八烷作为蓄热层的填充材料。基于结构力学中的超静定问题和弹性力学中的矩形薄板小挠度弯曲理论,对所设计的矩形立式蓄热装置进行了强度校核,结果表明：该结构的底板实际所受应力在许用应力范围内,而底部侧板的应力超出许用应力。为了增加结构的稳定性并且提高导热效率,采用在箱体内部添加金属隔板的方式。经过计算,在最大许用应力下,内部隔板间距至少维持在0.29m才能使装置满足受力条件。比较分析了研究相变材料常用的温度法模型和焓法模型,在建立数学模型时考虑了石蜡固液相变时产生的微自然对流的流动及传热过程,利用数值计算的方法对石蜡相变过程时温度变化规律和温度场进行了计算,并与实验结果进行比较,验证了数值计算方法的正确性,因此可以利用数值计算的方法来获得石蜡相变过程的温度变化规律。以传热学和流体力学理论为基础,建立了相变蓄热装置的物理模型和数学模型,采用CFD数值计算软件对该蓄热装置的蓄／放热过程进行了数值模拟研究,获得了相变过程中的温度场以及相界面的移动规律。结果表明：在自然对流的作用下,石蜡的相变速率能够显著提高,且其自然对流对熔化的强化效果比凝固过程明显,同时石蜡在熔化过程中相界面出现明显的倾斜现象,这是由于高温液态石蜡流动并在上部聚集引起的。分析了铜质隔板间距为0.5m、0.25m、0.17m、0.125m时,蓄热装置内部的相变过程,结果表明：熔化过程时,相变时间随着隔板数量的增加而减小,但减小趋势近似抛物线式,说明自然对流对蓄热器蓄热能力的影响,除了与重力有关之外,还与在内部结构中是否能形成足够规模的自然对流空间有关系,铜质隔板周围的等温线均由于自然对流的作用出现倾斜,铜质隔板下方石蜡熔化效果明显优于上方石蜡；凝固过程时,相变时间随隔板数量增加呈线性减小,等温线沿铜质隔板近似呈对称分布。综合考虑换热速率和石蜡的蓄热量,确定了蓄热装置中隔板数量的最佳值。 【关键词】：相变蓄热 强度校核 自然对流 石蜡 太阳能
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615;TK513.5
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 符号说明10-11
• 1 绪论11-22
• 1.1 能源与环境现状11-12
• 1.2 太阳能的利用12-14
• 1.2.1 我国太阳能分布情况12-13
• 1.2.2 太阳能的利用方式13-14
• 1.2.2.1 太阳能光热利用13-14
• 1.2.2.2 太阳能光电利用14
• 1.3 太阳能热气流发电技术14-18
• 1.3.1 国外太阳能热气流发电技术的研究进展15-16
• 1.3.2 我国太阳能热气流发电技术的研究进展16-17
• 1.3.3 立式集热板太阳能热气流发电系统17
• 1.3.4 热气流发电系统蓄热层研究17-18
• 1.4 相变材料及相变材料的强化传热18-21
• 1.4.1 相变蓄热材料的应用18-19
• 1.4.2 相变蓄热材料的分类19
• 1.4.3 相变蓄热领域的强化传热19-21
• 1.5 课题的提出21-22
• 2 蓄热装置的结构设计22-36
• 2.1 相变材料的选取22-24
• 2.1.1 相变蓄热材料的选取原则22
• 2.1.2 石蜡类相变材料22-24
• 2.2 蓄热装置选材和结构设计24-35
• 2.2.1 蓄热装置的结构分类24-25
• 2.2.2 蓄热装置的材料要求与选取25-26
• 2.2.3 本课题蓄热装置的结构设计26-35
• 2.2.3.1 结构尺寸的确定26-28
• 2.2.3.2 箱体底板应力分析28-30
• 2.2.3.3 箱体侧板应力分析30-33
• 2.2.3.4 箱体结构的改进33-35
• 2.3 本章小结35-36
• 3 数值模拟方法的验证36-45
• 3.1 相变导热问题及其解法36-38
• 3.1.1 相变导热问题的传热模型36-38
• 3.1.2 相变导热问题的解法38
• 3.2 FLUENT软件中的Solidification/Melting模型38-40
• 3.3 数值模拟方法的验证40-44
• 3.4 本章小结44-45
• 4 蓄热装置的蓄放热性能研究45-65
• 4.1 自然对流对石蜡相变过程的影响45-51
• 4.1.1 物理模型45-46
• 4.1.2 数学模型46-48
• 4.1.2.1 忽略液态自然对流的数学描述46-47
• 4.1.2.2 考虑液态自然对流的数学描述47-48
• 4.1.3 数值模拟结果48-51
• 4.1.3.1 忽略液相自然对流的相变过程模拟48-49
• 4.1.3.2 考虑液相自然对流的相变过程模拟49-51
• 4.2 金属隔板对石蜡相变过程的影响51-63
• 4.2.1 导热理论模型的建立52-56
• 4.2.1.1 导热计算公式的推导52-53
• 4.2.1.2 串并联系统导热系数的推导53-55
• 4.2.1.3 模型的建立55-56
• 4.2.2 熔化过程结果与分析56-59
• 4.2.3 凝固过程结果与分析59-61
• 4.2.4 最佳隔板数量的选取61-63
• 4.3 本章小结63-65
• 5 总结与展望65-68
• 5.1 总结65-66
• 5.2 创新点66
• 5.3 展望66-68
• 参考文献68-72
• 致谢72-73
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文73
• 攻读硕士学位期间参与的相关科研项目73-74

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