U型玻璃真空管太阳能集热器热性能研究与优化设计

【摘要】：太阳能是世界上最丰富的永久性能源。太阳能集热器是太阳能系统的基本组成部分,其成本和技术决定了太阳能系统利用效果的优劣。U型玻璃真空管太阳能集热器是在全玻璃真空管集热器的基础上发展起来的一种新型集热装置。与全玻璃真空管型太阳能集热器相比较,其具有承压能力大、启动速度快、耐冻损性强等特性,为其推广与使用开辟了广阔的天地。目前,对U型玻璃真空管的研究相对较少,本文从传热机理和物理模型两方面对U型玻璃真空管的热性能进行研究,并提出优化方案。本文对U型玻璃真空管的研究取得如下几个方面的成果: (1)建立太阳辐射模型:太阳辐射量是太阳能系统中重要的参数。通常使用太阳辐射仪测量出的是水平面上总辐射,本文通过Matlab编程实现计算将实测总辐射分解为直射辐射和散射辐射,并且利用公式计算不同集热器放置倾角下能够获得的太阳辐射量,为下文对U型玻璃真空管的热性能研究提供可靠的基础数据。 (2)区别于传统一维非稳态数学模型,在本文中,通过分析U型玻璃真空管的传热过程,在柱坐标系中建立三维非稳态数学模型,考虑各部分材料热容的影响,列出瞬态能量平衡方程,在不同气象参数条件下对所建非稳态模型进行数值求解,得到非稳态下流体的出口平均温度。由于U型铜管内容水量少,管内水热容对其热性能的影响小,为能更加真实的描述U型玻璃真空管的传热过程,建立稳态数学模型。传统稳态数学模型的建立一般近似认为真空管内部的温度均匀一致,采用集总参数的分析方法。本文中以能量平衡为基础,建立在太阳辐射下流体从U型管入口到出口的水温变化的数学模型,并采用控制容积法对每个微分方程在求解域上进行积分,实现对微分方程的节点离散,最后通过迭代求解得到离散方程的数值解。同时,本文建立了U型玻璃真空管集热器效率的计算模型,并且推导出总热损失系数、热转移因子和热效率因子的计算模型。 (3)在深入研究U型玻璃真空管热特性的基础上,从理论上分析U型玻璃真空管管长、入口流速、U型铜管内径、太阳辐射量、流体入口温度和铝翼形式等因素对其热性能的影响,提出合理的优化方案。为U型玻璃真空管的优化设计,参数匹配等方面提供技术储备和理论支持。 (4)鉴于通过实验获取真空管内部温度分布及流场状态的难度较大,为了验证U型玻璃真空管的数学模型,在FLUENT中建立U型玻璃真空管整体传热模型,通过模拟进行验证,得到U型铜管内流体沿管长方向及径向的温度变化情况。在其它参数设置相同的条件下,模拟不同入口流速、U型管内径以及太阳辐射量改变时流体的温度及流场变化,并与数值计算结果进行对比,验证数学模型的可靠性和正确性。 (5)基于对U型玻璃真空管传热机理的研究,提出结构优化方案——在其内部内置波浪式铝翼,并申请了专利。将优化后的模型在FLUENT中进行模拟,对比传统U型玻璃真空管,发现内置波浪式铝翼的U型真空管热效率可以提高约6%。 本文对U型玻璃真空管的传热机理和物理模型进行了详细具体的分析,所得结论为完善我国U型玻璃真空管的设计标准和整体优化提供理论根据,具有一定参考价值。 【关键词】：U型玻璃真空管 数学模型 热性能研究 优化设计
【学位授予单位】：北京建筑工程学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TU822
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-21
• 1.1 研究背景及意义9-11
• 1.1.1 中国的能源状况9-10
• 1.1.2 我国对使用可再生能源的重视10-11
• 1.2 太阳能在建筑节能中的意义11-15
• 1.2.1 太阳能资源利用11
• 1.2.2 我国利用太阳能利用的条件11-15
• 1.3 太阳能集热器的研究与应用15-17
• 1.4 国内外对真空管集热器的研究现状17-19
• 1.5 本文主要研究内容19-21
• 第2章 U 型玻璃真空管传热模型21-48
• 2.1 太阳辐射基本概念及基本理论21-25
• 2.1.1 相关角度定义21-23
• 2.1.2 到达地面上的太阳辐射23-24
• 2.1.3 倾斜面上的辐照量24-25
• 2.2 编程实例25-27
• 2.2.1 实例分析25-27
• 2.3 U 型玻璃真空管传热数学模型27-39
• 2.3.1 构造及工作原理27-28
• 2.3.2 U 型玻璃真空管的热性能分析28-32
• 2.3.3 U 型玻璃真空管数值模拟研究32-39
• 2.4 稳态数学模型39-45
• 2.4.1 铝翼简化模型39-40
• 2.4.2 换热系数及参数的计算40-42
• 2.4.3 铝翼-肋片化模型42-45
• 2.5 模拟计算程序的实现45-48
• 2.5.1 基本参数的选取与计算46-47
• 2.5.2 计算实例47-48
• 第3章 U 型玻璃真空管参数研究与优化措施48-56
• 3.1 影响U 型玻璃真空管热性能的因素分析48-54
• 3.1.1 管长的影响48-49
• 3.1.2 流体入口流速的影响49-50
• 3.1.3 U 型铜管内径的影响50
• 3.1.4 接触热阻的影响50-51
• 3.1.5 铝材消耗量的影响51-53
• 3.1.6 铝翼结构的影响53-54
• 3.2 周围环境的影响54-56
• 3.2.1 环境温度的影响54
• 3.2.2 太阳辐射量的影响54-55
• 3.2.3 流体入口温度的影响55-56
• 第4章 FLUENT 模拟分析56-69
• 4.1 FLUENT 软件介绍56
• 4.2 FLUENT 中数值计算方法56-59
• 4.2.1 基于压力的求解器56-57
• 4.2.2 基于密度的求解器57
• 4.2.3 FLUENT 的求解方法57-58
• 4.2.4 FLUENT 的计算步骤58
• 4.2.5 本文主要工作58-59
• 4.3 FLUENT 模拟59-63
• 4.3.1 FLUENT 模型的建立60-61
• 4.3.2 求解设置61-63
• 4.3.3 初始化及设置控制参数63
• 4.4 模拟结果分析63-69
• 4.4.1 入口流速的影响63-64
• 4.4.2 太阳辐射量的影响64-65
• 4.4.3 U 型铜管内径的影响65-66
• 4.4.4 铝翼结构的影响66-69
• 结论与展望69-72
• 结论69-71
• 展望71-72
• 参考文献72-76
• 攻读硕士期间发表的学术论文76-77
• 致谢77

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