吸热过程光-热耦合特性及复杂非稳态传热机理研究

太阳能热发电是太阳能的高品位利用方式,吸热器是太阳能热发电系统中用于聚光太阳辐射能与热能转换的核心部件。根据聚光器类型、传热介质、运行压力和温度的不同,吸热器主要有真空管式和腔体式两种类型。该课题针对极端条件(时空分布随机变化的高温、高热流密度),以提高吸热器吸热效率为目的,研究吸热器内辐射-导热-对流耦合的传热机理,构建设计各类吸热器需要遵循的理论架构,设计新型高效稳定的吸热器。该课题的研究对太阳能热发电的规模化进程具有非常重要的意义。实现了基于蒙特卡罗光线追踪法的自编数值模拟程序,获得了槽式、塔式和碟式吸热器吸热面上的聚焦太阳能流分布,实现了蒙特卡罗光线追踪法和用于求解流动传热问题的有限容积法的耦合,研究了太阳辐射由镜场到吸热器的一体化传播过程。研究了槽式太阳能吸热器内的流动换热特性,建立了槽式DSG集热器的稳态传热计算模型和动态模型,开发了两类管内强化传热技术;基于DSMC方法建立真空管空气夹层内稀薄气体传热模型;耦合管内对流传热、管壁导热、真空夹层稀薄气体传热及辐射传热、管外对流传热及辐射传热,可望建立真空管吸热器的跨尺度传热模型的数值预测方法。建立了腔式水工质吸热器和腔式熔融盐吸热器吸热性能的数学模型,获取了吸热器内部热流密度和吸热管道温度的分布规律以及吸热器的热损失。结合腔式吸热器热性能的数学模型,提出了由吸热器所需净能量推算吸热器开口所需太阳光能量的计算模型,发展了腔式吸热器启动过程性能模拟的数学模型,获得了吸热器启动过程开口所需能量数据曲线,吸热器启动过程的效率曲线和热损失曲线。研究了高温高压下空气吸热器内复杂耦合换热机理,分析了安装倾角、入口工质温度与质量流量等重要参数对有压腔式吸热器换热性能的影响;运用十四面体模型模拟多孔材料的内部结构,研究了多孔吸热结构内的对流传热特性。设计了搭建了太阳能空气吸热器实验平台,采用氙灯阵列模拟太阳辐射,多孔吸热材料表面可接受的辐射功率范围可达10 k W,热流密度可达2×106 W/m2;设计搭建了槽式DSG太阳能热发电实验研究系统,设计压力10 MPa、温度400°C,利用该实验系统除了对槽式DSG热发电系统进行试验研究外,还能对槽式热发电的集热器、聚光器的性能进行测试。     

太阳能腔式吸热器自然对流热损的数值研究

腔式吸热器是碟式太阳能热发电系统的一个重要组成部分,它的性能优劣直接影响到整个发电系统的效率。重点分析了腔式吸热器的自然对流热损,建立了6种典型腔式吸热器的二维模型,选用FLUENT6.3计算了在开口直径为10cm,壁温为400℃,倾角α=0°条件下的6种腔式吸热器的内部自然对流热损失。计算和比较发现,球形吸热器的内部对流热损比其他5种吸热器平均低10%。通过计算球形吸热器在不同Aw/Al(内表面积/开口面积)和不同倾角下的对流热损大小,发现球形吸热器的对流热损随倾角的增大而显著减小,在α=0°(开口朝侧面)时最大,α=90°(开口垂直向下)时最小;计算得到球形吸热器的最佳Aw/Al值为8～10。     

一侧全开式圆柱形腔式吸热器热损失特性实验

通过建立腔式吸热器热损失性能测试实验台,采用电加热的方法,分别在所有壁面加热和只有底面(开口对面)加热2种情况下,探讨倾角和热流密度等参数对一侧全开式圆柱形腔式吸热器热损失的影响,获得自然对流热损失的努塞尔特数Nuc和辐射热损失的努塞尔特数Nur分别与格拉晓夫数Gr、倾角φ、自然对流热损失的热流密度qc或辐射热损失的热流密度qr的实验关联式。结果表明,输入功率不变时,吸热器的自然对流热损失随着φ的增大而减小,导热损失和辐射热损失随φ的增大而增大,但增大的幅度不大;当qc一定时,Nuc随φ的增大而减小,而当qr一定时,φ对Nur的影响很小;并且2种加热情况下的热损失性能存在一定的差异,加热位置对辐射热损失的影响要比对自然对流热损失的影响小。     

基于超临界CO_2布雷顿循环的塔式太阳能集热发电系统

为了提高太阳能热发电系统的性能,建立了以熔融盐为传热介质、再压缩式超临界CO2布雷顿(SCO2)循环为动力循环的塔式太阳能集热发电系统的分析模型,分析了定日镜、腔式吸热器、再压缩式SCO2发电系统3个子系统的性能,并研究了太阳辐射强度和采用不同底循环的SCO2发电系统对整个电站性能的影响,最后对采用不同类型的蒸汽动力循环和SCO2循环为动力子系统的5种塔式太阳能集热发电系统进行了对比。结果显示:吸热器的能量损失率最小,但损失率最大;随着太阳辐射强度增大,吸热器和整个电站的热效率和效率均增大;采用有机朗肯循环和跨临CO2(TCO2)循环作为底循环对SCO2发电系统进行余热回收,可提高整个电站的热效率,并且SCO2-TCO2循环具有更高的热效率;相同条件下,不同的SCO2循环均比蒸汽动力循环具有更高的热效率和效率,其中基于SCO2-TCO2的塔式太阳能电站热效率最高。     

塔式太阳能热发电吸热器技术研究进展

近年来,塔式太阳能热发电技术得到了迅猛发展,大量实验和运行数据充分证明了其技术可行性和商业应用前景.文中较系统的回顾了塔式太阳能热发电系统吸热器技术的发展历程及现状,对应用较为广泛的熔盐吸热器、空气吸热器及水/蒸汽吸热器作了详细的分析,并展望了我国开展塔武太阳能热发电应用研究的发展方向.     

一种新型渗透式太阳能空气集热器的热性能研究

设计制作了一种新型平板型、渗透式太阳能空气集热器,介绍了该集热器的结构、尺寸及工作原理,并以该集热器为研究对象,建立了数学模型,进行了实验测试.结果表明,在辐射水平较高且稳定、风速较小的测试条件下,该集热器的性能稳定,集热效率和出风温度较高,具有一定的推广与应用潜力;同时,所建数学模型准确可靠,可用来对集热器进行模拟分析.     

复杂环境下太阳能腔式吸热器热损失计算

能源问题已经成为当前社会进步和经济发展的重要因素,而太阳能是解决能源和环境问题的一种有效途径。文中基于理论和实验的研究方法针对复杂环境下太阳能腔式吸热器的热损失进行计算。研究结果表明,热损失对于太阳能系统的效率有很重要的影响。研究结果也表明在入口水温和水质量流量保持不变的情况下,出口水温随着太阳辐射强度的增加而增加,几乎线性增加。文中的研究结果将为太阳能的高效利用提供基本参数和技术支持。     

贮热器保护架

目前煤气用户为节约煤气,提高热效率,使用贮热器的越来越多,由于贮热器是用铝制品做的,其外层和铁锅、茶壶接触部位极易磨损,影响使用寿命。为此,本人设计制做了一种简易保护架,可做成图A下支撑式,也可做成图B上支撑式,使用它可延     

太阳能塔式电站“聚光-吸热”系统动态仿真及实验对比最终报告

该研究以中国MW级的塔式太阳能热发电站"大汉"为研究对象,对全系统中区别于常规电站部分的"聚光-吸热"系统进行数学建模与动态仿真,深入研究系统在外界环境扰动下"光-热"转换过程中系统各参数的静态以及动态特性,为实际电站运行提供指导。其主要研究内容和结果如下:在聚光系统(定日镜场)的建模与分析方面:利用基于"蒙特卡洛"的光线追迹法建立了"大汉"定日镜场中心点聚焦和非中心点聚焦的光学数学模型。通过此模型,不仅对腔式吸热器内表面的太阳入射能流密度的实时变化进行了模拟,而且对于全年典型天(春(秋)分日、夏(冬)至日)吸热器腔内能流密度分布规律的变化进行了深入分析。通过实验对比,验证了所建模型的有效性。在吸热系统(腔式吸热器)的建模与分析方面:利用模块化建模方法,根据质量、能量以及动量守恒定理,建立了吸热系统的非稳态全工况的热物理数学动态模型。该模型不仅能够对腔内管中单相流体(水/蒸汽)吸热过程中各参数的变化进行仿真,而且还能够对管内水工质因吸热而发生相变过程中的参数变化进行动态仿真。在耦合系统("聚光-吸热"系统)的建模与分析方面:基于"STAR-90"仿真平台上搭建了"聚光-吸热"耦合系统的仿真模型。在此基础上,通过对系统输入条件的改变,研究了系统在外界输入条件扰动下各参数的动态变化特性,同时对结果进行了详细的分析。同时,为了验证所建模型的有效性,基于上述平台搭建的"聚光-吸热"系统仿真模型,通过输入和"大汉"电站实验过程中相同的初始条件以及操作步骤,对模拟结果和实验结果进行了对比验证。结果表明,该论文所建立的模型具有较高的可靠性。     

微通道太阳能平板集热器的集热性能试验

为进一步提高传统太阳能平板集热器的集热性能,对一种自主设计的新型微通道太阳能平板集热器进行探究.通过采用矩形微通道吸热板结构,减小传统流道的截面面积及增加吸热板与循环工质的热传导面积,使流体吸收热能的时间延长,并提高总的传热量.同时,对该集热器在山西省某农村住宅供暖系统进行试验测试.试验结果表明:在冬季晴朗天气的典型工况下,微通道太阳能平板集热器日平均集热效率为63.6%,最高集热效率可达80.4%,系统平均能效比为16.1,单块集热板平均热损失为233.3 W,且集中在顶部;下进上出流动形式的瞬时效率较高,热损失较小.     

梯形太阳池热性能与影响因素分析

基于实验数据对梯形太阳池进行了一维数值模拟,建立了热盐双扩散模型,改进了池底反射模型、辐射透射模型和热损失模型,通过模拟与实验结果对比验证了模型有效性.根据模拟结果分析了梯形太阳池温度分布规律、热稳定性及能源效率,讨论了池水浊度对其热性能的影响.结果表明:梯形结构有利于提升太阳池热利用率;太阳池运行初期,各层能源效率在20%~50%,下对流层能源效率最为稳定,维持在25%左右;下分界层稳定性要优于上分界层,温度梯度越大分界层稳定性越差.     

高效蓄热室的传热数值模拟及实验分析

根据蓄热室结构特性,建立了高效蓄热室传热计算的数学模型．通过数值模拟分析了蓄热体材质、换向时间、温度效率和热效率等的关联关系．比较发现,在换向初期,模拟计算结果与实验结果相差较大,但当换向7—10s后,两者的结果基本吻合,初步验证了模拟求解的可靠性．根据模拟计算结果进一步分析了蓄热体、换向时间等对废气的排放温度和空气的预热温度的影响,得出了本研究条件下,刚玉质小球的适宜换向时间为60s左右,高铝质和粘土质小球的适宜换向时间为20—30s．蓄热室温度效率可达到80％以上,热效率可达到70％以上．     

扁盒式太阳能光伏热水一体墙的理论研究

建立了扁盒式光伏热水一体墙的理论模型,采用由软件生成的合肥地区全年气象数据对其光电光热性能和室内得热量进行数值模拟.计算结果表明,系统的光热效率一般在40%以上,光电效率一般在11%以上,与常规混凝土墙体相比,扁盒式光伏热水一体墙不仅有很好的热电收益,同时由于改变了建筑围护结构的性质,很好地改善了室内热环境,尤其在夏季和冬季,大大降低了空调负荷,起到了很好的建筑节能效果.     

识别材料导热系数和导温系数的温度场逆分析

为了识别材料导热系数和导温系数,采用观测温度同时识别材料导热系数和比热容,在建立同时确定导热系数和比热容的肯态温度场逆分析数值计算模型的基础上,引入混沌优化方法求解该优化模型。以克服阻尼牛屯等方法求解该模型所遇到的困难,在瞬态温度场正问题求解中采用了精细积分方法以提高计算精度,算例验证了本文方法的有效性。     

热防护纺织材料隔热性能的数值模拟

建立了一维织物传热模型,在此基础上利用ANSYS软件对热防护材料的隔热性能进行数值模拟和预测,并用PBI(Polybenzimidazoles)织物与PSA(Polysulfonamide)织物在不同热流密度下的热防护实验结果对模型的有效性进行了验证,结果显示数值模拟结果与实验结果的相对误差在5%以内.     

Forced Convection Heat Transfer in Plate Channels Filled with Packed Beds or Sintered Porous Media

IntroductionFluid flow and convection heat transfer in porousmedia have received much attention for the pastfive decades due to many important applicationssuch as geothermal energy extraction,catalytic andchemical particle beds,petroleum processing,transp…     

电子封装件受热载荷作用有限元数值模拟分析

针对典型塑料方形扁平封装体PQFP在工作过程中的受热分析问题,基于热弹性力学理论建立了二维和三维有限元数值模拟分析模型.研究了封装体在功率耗散情况下受均匀和非均匀热载作用时其材料的热膨胀和导热性质.有限元数值模拟取得了与实验一致的结果.数值结果表明,采用较小弹性模量和热膨胀率的材料可以有效地减小热应力,基板和芯片的厚度是影响封装体变形的主要参数.数值分析结果为提高封装件的可靠性和优化设计提供了理论依据.     

射流冲击下矩形柱鳍热沉结构优化

采用实验与数值计算相结合的方法对空气射流冲击下的矩形柱鳍热沉的肋片结构进行优化研究。对不同肋高和肋宽的矩形柱鳍热沉的热阻进行实验研究,并选用标准的kε湍流模型进行数值计算分析。研究结果表明:热阻随喷口雷诺数Re或喷口高径比H/D的增大而减小,但Re或H/D增大到一定程度时,热阻减小的幅度就不再明显;当热沉肋高范围为0.3≤Hf/L≤0.42、肋片宽度为Df/L=0.1时,热沉的散热能力与散热经济性之间能达到较好的平衡。将模拟结果与实验结果进行比较,相对误差在10%以内。