太阳能集热器中超临界CO_2传热行为及朗肯循环

【摘要】：太阳能作为一种新兴的可再生能源,具有储量大、清洁、安全等优点,目前世界各国都加强了对太阳能光热利用的研究和开发。超临界流体具有独特的物理化学性质,近年来日益受到重视。本文将太阳能与环境友好型工质CO2结合起来,对太阳能集热器中超临界CO2的传热行为及规律进行数值模拟和实验研究,并搭建了以超临界C02为工质的太阳能朗肯循环系统,对其循环性能进行探讨,为今后设计和建造用于生活实际的太阳能朗肯循环系统提供参考。 本文主要研究内容如下： (1)对超临界CO2在水平蛇形管集热器中的传热过程进行模拟研究,考察了质量流量、热流密度、压力等参数对传热性能的影响,并将模拟结果与部分传热关联式进行比较。研究结果表明,增大质量流量和热流密度能够有效提高超临界CO2在集热器中的传热性能,但压力大小对集热器进出口温差及平均传热系数没有显著影响；模拟结果与Gnielinski关联式吻合程度较好。 (2)对超临界C02在水平蛇形管集热器中的流动传热过程进行实验研究,考察了质量流量、太阳辐射强度、压力等参数对传热性能的影响,并将实验得出的结论与数值模拟结果进行对比和分析。研究结果表明,质量流量、太阳辐射强度和压力对局部传热系数有着重要影响；增大质量流量和辐射强度能够有效提高超临界CO2在集热器中的传热性能,但压力大小对平均传热系数的影响较小；实验和模拟研究中,局部传热系数都沿集热器管长方向先增大后减小,在准临界温度附近达到最大值,但在相近工况下,通过实验研究得到的局部传热系数明显小于模拟值。 (3)搭建了以超临界CO2为工质的太阳能朗肯循环系统,对循环过程进行理论分析。并以某一天的实验数据为例,对循环系统的运行特性进行分析。研究结果表明,集热器出口处工质温度随太阳辐射强度的增加而增加,但集热器入口温度变化很小,换热器入口温度相对波动较大,但其出口温度较为稳定,膨胀阀前后的压力均比较稳定；当质量流量恒定时,集热效率基本保持稳定；朗肯循环效率的变化趋势与太阳辐射强度变化趋势相同,整个实验时间段内的平均循环效率约为14%。 【关键词】：超临界CO_2 太阳能 集热器 传热 朗肯循环
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK513
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 引言10-11
• 1 文献综述11-28
• 1.1 课题研究背景11-15
• 1.2 太阳能资源及开发利用15-18
• 1.3 超临界CO_2流体及其应用18-24
• 1.3.1 超临界CO_2流体概述18-19
• 1.3.2 超临界CO_2应用19-24
• 1.4 CO_2跨临界循环系统研究进展24-27
• 1.4.1 超临界CO_2制冷工质24-25
• 1.4.2 CO_2跨临界循环系统25-27
• 1.5 本章小结27-28
• 2 超临界CO_2在水平蛇形管集热器中传热过程的数值模拟28-46
• 2.1 超临界CO_2物性参数28-31
• 2.1.1 超临界条件下CO_2的热物性28-29
• 2.1.2 比热、密度、粘度和导热系数分析29-30
• 2.1.3 物性拟合曲线及误差分析30-31
• 2.2 数值计算模型及定解条件31-36
• 2.2.1 数值模拟方法31-32
• 2.2.2 湍流模型概述32-33
• 2.2.3 模型建立33-35
• 2.2.4 控制方程35
• 2.2.5 边界条件设定35-36
• 2.3 数值模拟结果分析与讨论36-42
• 2.3.1 质量流量对传热的影响36-38
• 2.3.2 热流密度对传热的影响38-40
• 2.3.3 压力对传热的影响40-42
• 2.4 模拟结果与传热关联式的比较42-45
• 2.4.1 传热关联式介绍42-44
• 2.4.2 模拟结果与关联式计算结果的比较44-45
• 2.5 本章小结45-46
• 3 超临界CO_2在水平蛇形管集热器中传热过程的实验研究46-62
• 3.1 实验装置与流程46-50
• 3.1.1 实验装置46-48
• 3.1.2 实验内容48
• 3.1.3 实验步骤48-50
• 3.2 测量仪器及测试方法50-52
• 3.2.1 主要测量仪器50-51
• 3.2.2 测试方法51-52
• 3.3 系统稳定性分析52-54
• 3.4 实验结果与讨论54-60
• 3.4.1 质量流量对传热的影响54-56
• 3.4.2 太阳辐射强度对传热的影响56-57
• 3.4.3 压力对传热的影响57-59
• 3.4.4 实验结果与模拟结果的比较59-60
• 3.5 本章小结60-62
• 4 超临界CO_2为工质的太阳能朗肯循环系统研究62-71
• 4.1 循环系统概述及理论计算62-64
• 4.2 实验系统与流程64-65
• 4.2.1 实验装置64-65
• 4.2.2 参数测量65
• 4.2.3 实验方案及步骤65
• 4.3 实验结果与讨论65-69
• 4.3.1 实验结果分析66-68
• 4.3.2 集热效率68-69
• 4.3.3 循环效率69
• 4.4 本章小结69-71
• 结论71-72
• 主要符号表72-73
• 参考文献73-77
• 附录A 用于计算CO_2物性的UDF程序77-81
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况81-82
• 致谢82-83

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