立式太阳能热气流发电系统温压耦合自然对流传热特性研究

【摘要】：本文对立式集热板太阳能热气流电站系统进行了能量平衡分析，并推导出系统的压差、内部能量平衡关系以及能量转换效率的相关计算公式；综合考虑温度和压力对系统内空气的影响，计算得到烟囱内空气密度与温度和压力的关系式即空气密度随高度的变化情况。通过研究，得到以下结论：①烟囱流道的进出口的压强差随着烟囱的高度的增加和烟囱的进出口的温差的增大而增加；②烟囱流道内的空气吸收的太阳辐射能使其温度升高，密度降低；另一方面，随着烟囱高度的增加，压强越来越小，烟囱流道内的空气受压力的影响，密度也随之降低，在两者共同作用下，空气的密度随着烟囱高度的增加在不断降低；随着太阳辐射强度的增加，空气密度降低更加明显；③系统在白天和夜晚的传热机理不同。白天，太阳辐射通过玻璃盖板进入系统，一部分加热烟囱流道内的空气，一部分被蓄热层吸收储存起来。夜晚，没有太阳辐射，蓄热层将白天吸收的热量传递给烟囱流道内的空气以及外界环境，使得系统的连续运行。 对系统进行数值计算的过程中，当设定边界条件时，充分考虑流道内空气的流动状况，利用UDF编程工具对密度与温度和压力的关系式及密度随高度的变化关系式进行编程，并导入FLUENT中，力求准确的描述系统中各参数的变化情况。通过此方法得到系统内的压力场、温度场和速度场，并将其与恒空气密度模型的数值模拟结果及实验结果进行比较分析。结果表明：当考虑温度和压力对空气密度影响的情况时得到的结果与实验数值的误差为28%，而之前所做模拟的误差为41%，当考虑温度和压力对空气密度影响的情况时得到的结果与实验数值更加吻合，因此立式集热板太阳能热气流系统实际是在温压耦合的状态下运行的。 利用该方法进行了结构参数对系统传热与流动特性的影响分析，得到以下结论：随着烟囱高度和集热板宽度的增加，系统性能更加优良；在空气层厚度较薄时，流道内温度随着空气层厚度的增加而增加，当空气层厚度达到一定值时再继续增加，流道内空气温度逐渐下降，即空气层厚度存在一个最佳值。 烟囱形状也是影响系统性能的因素之一，本文对烟囱结构进行了改进设计，将原来矩形通道改进为渐缩型通道，并利用数值计算的方法对此结构进行了分析。结果表明：改进后的烟囱通道其压差和温差均大于改进前的的烟囱通道，温差增大了约4K，烟囱流道内空气的速度明显高于改进前的模型，为之前模型的175%。由于空气所具有的能量通过透平机转换为电能，空气速度越大所具有的能量越多，可以转换为更多的电能增大系统的功率，因此若采用渐缩型烟囱通道将优于矩形的烟囱通道。 【关键词】：太阳能 热气流电站 温压耦合 渐缩流道 UDF编程
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 符号说明11-13
• 1 绪论13-24
• 1.1 全球能源现状及所面临的问题13-15
• 1.1.1 能源危机13-14
• 1.1.2 可再生能源的开发及利用14-15
• 1.2 太阳能利用技术15-17
• 1.2.1 太阳能利用特点16
• 1.2.2 太阳能利用现状16-17
• 1.3 太阳能热气流电站17-19
• 1.3.1 太阳能热气流发电系统优势18
• 1.3.2 太阳能热气流发电系统的研究现状18-19
• 1.4 立式集热板太阳能热气流电站19-21
• 1.4.1 立式集热板太阳能热气流发电系统特点20
• 1.4.2 立式集热板太阳能热气流电站的研究现状20-21
• 1.5 课题的提出21-24
• 1.5.1 课题研究背景21-22
• 1.5.2 课题研究内容22
• 1.5.3 课题研究意义22-24
• 2 立式集热板太阳能热气流电站理论分析24-38
• 2.1 立式集热板太阳能热气流电站的结构24-25
• 2.2 系统的通风机理25-30
• 2.2.1 系统的压差26-27
• 2.2.1.1 系统的进出口压差26
• 2.2.1.2 系统的总压力差26-27
• 2.2.2 温压耦合情况下流道内空气密度变化情况27-30
• 2.3 系统的能量分析30-34
• 2.3.1 系统在白天情况下的能量平衡分析31-33
• 2.3.2 系统在夜晚情况下的能量平衡分析33-34
• 2.4 系统的能量转换效率34-37
• 2.5 本章小节37-38
• 3 电站系统传热及流动特性数值计算38-59
• 3.1 系统模型的建立39-43
• 3.1.1 辐射模型39
• 3.1.2 物理模型39-40
• 3.1.3 数学模型40-43
• 3.2 UDF 编程43-44
• 3.3 数值计算44-46
• 3.3.1 前处理44
• 3.3.2 边界条件的设定44-45
• 3.3.3 参数的设定45-46
• 3.4 系统速度场、温度场、压力场分析46-49
• 3.4.1 系统速度场的分析46-47
• 3.4.2 系统温度场的分析47-48
• 3.4.3 系统压力场的分析48-49
• 3.5 结构参数对系统传热及流动特性影响49-55
• 3.5.1 烟囱高度对系统性能的影响50-52
• 3.5.2 集热板宽度对系统性能的影响52-53
• 3.5.3 空气层厚度对系统性能的影响53-55
• 3.6 实验结果与数值模拟结果对比分析55-57
• 3.7 本章小结57-59
• 4 系统改进59-66
• 4.1 概述59
• 4.2 系统结构改进后的数值模拟59-63
• 4.2.1 模型建立59-60
• 4.2.2 系统速度场、温度场、压力场分析60-63
• 4.3 改进后结果比较63-65
• 4.4 本章小结65-66
• 5 总结与展望66-69
• 5.1 主要结论66-67
• 5.2 展望67-69
• 参考文献69-73
• 致谢73-74
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文74-75

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