平板太阳能集热器抗冻方法研究

【摘要】：太阳能热水系统是太阳能热利用行业中技术最成熟、应用最广泛、效益最显著的实用技术产品。常用的平板太阳能集热器具有承压能力强、结构简单、性价比高、与建筑物结合良好的独特优势,具有广阔的发展前景。 随着全球的气候多变,在温热带地区也常会发生极端天气。由于一般的平板型太阳能集热器不具有抗冻功能,一遇极端低温天气,就可能冻坏。而太阳能吸热板芯是平板型太阳能集热器的核心部件,对它进行研究是非常必要的。 在综合对比了各种抗冻方法后,认为利用平板型集热器的管型结构能较好地解决平板集热器冻结问题。其具有结构简单、受力较好、性价比高等特点。 冻结试验发现,管子在完全冻结时会发生胀裂,且主要是由周向应力造成的。针对圆管内水完全结冰时的情况,并通过一定的假设,推导出管子内水结冰的膨胀力计算公式,可用于圆管内水完全结冰时胀力的计算,其算式如下： ANSYS分析结果与计算结果相符。 对椭圆管、扁管、菱形管和8字管的截面结冰顺序进行了ANSYS分析,得出了管内水结冰在径向上沿管壁到中心的顺序冻结特征。根据冻结特征,在管型及材料研究中把结冰力模拟为内压,简化了分析过程。 对目前常用的平板型集热器流道材料0Cr18Ni9、T2、5A05制造的异型管承压能力和变形能力进行了分析比较,得出最佳异型管制作材料为5A05。 对椭圆管、扁管、菱形管和8字管不同管型进行了承压能力和弹塑性变形能力的ANSYS分析,得出各种管型的最佳形状,并分别对其进行了冻结模拟。结果表明,椭圆管具有较好的承压和受压变形的能力。在此基础上进一步分析了厚度对抗冻能力的影响。结合以上结果,找出了平板型太阳能集热器异型管的较优抗冻结构、材料及厚度。 【关键词】：太阳能热水器 平板集热器 抗冻设计 异型管 结构优化
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TK513
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 主要符号说明9-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 概述10-11
• 1.2 平板型太阳集热器简介11-17
• 1.2.1 平板型集热器的基本结构11-16
• 1.2.2 平板太阳能集热器工作原理16
• 1.2.3 平板太阳能集热器特点16-17
• 1.3 平板太阳能集热器防冻研究现状17-20
• 1.3.1 水的冻结机理17-18
• 1.3.2 顺序冻结理论18
• 1.3.3 传热工质(双回路系统)18-19
• 1.3.4 外加控制器19
• 1.3.5. 集热器结构抗冻19-20
• 1.4 研究的主要内容和意义20-22
• 1.4.1 研究的主要内容20-21
• 1.4.2 研究的主要意义21-22
• 第二章 圆管冻结时应力研究22-32
• 2.1 概述22-23
• 2.1.1 圆管冻结试验22
• 2.1.2 试验结果分析22-23
• 2.2 圆管冻结时内力计算23-26
• 2.2.1 对管子的分析23-25
• 2.2.2 水自由结冰分析25
• 2.2.3 管内水受限结冰分析25-26
• 2.2.4 结论26
• 2.3 计算结果分析26-27
• 2.4 圆管冻结时计算结果的有限元分析验证27-32
• 2.4.1 有限元数值分析方法简介27-28
• 2.4.2 ANSYS验证分析28-30
• 2.4.3 结果讨论30-32
• 第三章 异型管冻结研究32-44
• 3.1 异型截面冻结顺序ANSYS研究32-40
• 3.1.1 材料参数及问题描述32
• 3.1.2 问题分析32-33
• 3.1.3 ANSYS分析结果及讨论33-40
• 3.2 异型管冻结有限元分析40-42
• 3.2.1 材料特性和单元类型的选取40
• 3.2.2 异型管冻结有限元分析结果40-42
• 3.3 结论42-44
• 第四章 平板型集热器异型管结构优化44-66
• 4.1 材料选择44-46
• 4.1.1 材料的弹性变形ANSYS分析44-45
• 4.1.2 ANSYS分析结果45-46
• 4.2 集管结构优化——椭圆管46-54
• 4.2.1 椭圆管几何结构46-47
• 4.2.2 应力分析47-51
• 4.2.3 抗冻分析51-54
• 4.3 集管结构优化——扁管54-57
• 4.3.1 扁管几何结构54
• 4.3.2 应力分析54-57
• 4.4 集管结构优化——菱形管57-60
• 4.5 集管结构优化——8字管60-61
• 4.6 厚度对管子性能的影响61-65
• 4.6.1 管子厚度对铝椭圆管性能的影响61-63
• 4.6.2 管子厚度对铜椭圆管性能的影响63-65
• 4.7 讨论65-66
• 第五章 结论与展望66-68
• 5.1 结论66-67
• 5.2 不足与展望67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-74
• 附录A:攻读硕士学位期间发表论文目录74-75
• 附录B:ANSYS参数化设计语言(APDL)部分代码75-76

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