海水—卤水太阳池热性能研究和梯度层动力稳定性分析

发布时间：2020-08-19 18:52

【摘要】： 随着人口的激增和工业的迅速发展，能源短缺问题日益严重，太阳能是最理想的能源之一。盐梯度太阳池作为太阳能利用的一种形式，兼有对太阳辐射能的吸收和储存作用，不仅是当今传统能源的重要补充，更是未来太阳能应用的重要形式。本文以盐梯度太阳池为研究对象，从实验和理论两个方面进行分析。各部分主要工作及结论总结如下：建立了表面积2．8×2．3m~2深0．8m的实验太阳池，结合室内和室外小型实验，对实验太阳池的温度、盐度发展以及浊度分布进行了实验测定。第一次实验于2006年8月份开始，在运行后第17天达到最高温度45．7℃，与同类实验研究结果比较，本实验太阳池具有较好的升温效果。卤水的透光性较差，直接影响太阳池对太阳辐射的吸收。从两方面研究了卤水灌注太阳池的浊度变化：一是研究卤水降浊处理后，卤水中藻类的再滋生情况；另一方面比较了雨水分别降落到卤水和盐水太阳池中后池内浊度的变化。实验表明絮凝降浊对苦卤中藻类的生长有一定的抑制作用，雨水在卤水中的沉降速度明显低于在盐水中的沉降速度。为提高太阳池储热层温度，在一系列模拟实验结果的基础上，提出在太阳池底部添加锅炉渣的方法。从三个方面进行研究：在模拟的小型太阳池中的一系列实验研究，结果表明，底部添加材料的多孔性有利于太阳池储热层温度升高，与鹅卵石等石材相比，锅炉渣的升温和保温作用更好。后来在实验太阳池内的实验也证明了这一点；采用一维模型模拟大面积太阳池添加锅炉渣床的温度发展，考虑多孔介质层的孔隙率和厚度对热性能的影响，结果表明孔隙率减小或厚度增加有利于储热层温度增高；最后在实验太阳池内进行了为期近一个月的实验。从太阳池提取热量并加以应用是建立太阳池的最终目的。本文利用实验太阳池加热淡水，进行了短期换热实验。在实验太阳池底部添加锅炉渣的基础上，于2007年8月份进行了提热实验。对一个容积为56L的淡水桶中的淡水加热，连续两天的提热实验结果表明，第一天水桶中的水温度最高达到38．4℃。理论方面，对于客观条件一定的太阳池给出最佳水箱容积的计算方法。盐梯度层是太阳池最重要的组成部分，太阳池的热性能主要取决于该层的稳定性。文章最后主要对梯度层的稳定性进行了分析。在线性稳定性分析的基础上，采用数值方法，得出梯度层的非线性动力稳定性的数值解。分析了太阳辐射吸收和提热量对于稳定性的影响以及二者的综合影响：当梯度层的盐水比较清澈时，提热量的大小对于临界稳定性Ra~c的大小影响较大，而池水比较浑浊时，提热量的大小对于稳定性的影响较小；盐梯度层的非线性稳定性问题不能够采用分析的方法求解，根据变步长四阶Runge-Kutta-Merson方法进行非线性稳定性分析，二维温度、盐度和速度场表明线性分析得到的临界稳定性瑞利数(Ra~c)能够很好地界定了系统的渐进稳定性状态。根据Nusselt数确定的临界稳定性瑞利数Ra~N略大于线性稳定性分析得到的临界瑞利数Ra~c，当盐瑞利数Rs在10~5和10~6数量级上，Ra~N与Ra~c的差距仅为1％左右。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TK513
【图文】：

示意图,太阳池,能量平衡,梯度

1.2盐梯度太阳池.2.1太阳的三层结构盐梯度太阳池(简称太阳池)是一个盐度由上而下逐渐增加的盐水池。如图1.1所示，太阳池一般由三层组成，表面是温度和盐度都较低的上对流层山cz:Up伴r ConveCtiveLayer)，这层的温度接近于大气温度，一般为淡水或者浓度很小的盐水，uCz层很薄，一般在0.15一0.3m之间;太阳池最底层称为下对流层 (LCz:LDwer伪nvCCtiveLayer)或者叫做储热层，该层温度和盐度最高，是接近饱和的浓盐水，温度可以达到70一l000C左右，厚度一般在1一Zm之间;两个对流层UCZ和LCZ具有各自均一的盐浓度，所以这两层中的温度也较均一。Ucz和LcZ中间被盐梯度层，或者叫做非对流层(Ncz:Non一 convectivouyer)分开

太阳池,薄木板,梯度层

厚Zmm的圆形薄木板)逐层灌注盐梯度层。(3)上对流层厚度0.10m，为澄清的淡水，灌注时浊度为1.2niu。图2.3给出灌注中的的太阳池图片。图2.3灌注中的太阳池 Fig.2.3Thesolarpondinfilling

示意图,太阳池,示意图

太阳池运行期间自表面起沿竖直方向实时测定并记录温度的变化，测定点沿太阳池中心线布置，深度分别为0.05m，0.15m，0.24m，0.30In，0.35m，0.叨m，0.45m，0.55m，0.75m(自池表面算起的深度)。图2.4给出太阳池俯视图及竖直剖面图。实验期间测定地表水平面上的总太阳辐射强度。太阳池盐梯度层作为储热层和上表面之间的隔绝层，保持该层稳定的盐梯度对于太阳池的热性能具有决定性的作用。由于盐度扩散，随着时间的推移，盐梯度层不断向上下对流层侵蚀。另一方面，池表面长期暴露于空气中，水的蒸发损失也很明显。采用以下方法对太阳池进行盐梯度的保持:定期在太阳池表面补充淡水，周期一般为一周:同时，在太阳池底层通过补盐通道补充固体盐，如图2.5所示，直径为16cm的陶瓷筒悬起并固定于侧壁上，作为补盐通道。杀藻剂和杀虫剂只可以控制水体自身微生物的滋生

【引证文献】