多层容积式太阳能吸热器传热特性及优化研究

发布时间：2020-08-23 18:35

【摘要】：随着煤炭石油等非可再生能源的逐渐枯竭,人类所面临的能源危机越来越严重,可在生能源的利用是解决能源及环境危机的一种关键手段,而太阳能又是一种重要的可再生能源。利用太阳能发电既能节约资源又不会破坏环境。其中塔式太阳能发电技术是一种很有前途的太阳能发电方式,容积式太阳能吸热器是其重要部件。在学者对于单层以及双层太阳能吸热器研究的基础上,本文中提出了有多层结构并且填充多孔介质的容积式太阳能吸热器。并研究了相应的传热传质特性,分别用Darcy-Forchheimer方程和局部非热平衡模型描述了多孔介质内的流体流动和传热。采用Rosseland近似来描述容积式太阳能吸热器内的辐射换热。利用解析法求解吸热器内部空气的温度分布,空气的压降以及多孔骨架的温度分布,同时也定义了吸热器的效率。讨论了相关参数对多层吸热器内部传热特性以及性能的影响,其中主要参数包括填充的多孔介质的孔隙率、孔径以及吸热器第一层的厚度。设计了多种不同孔隙率以及孔径分布的多层太阳能吸热器模型,其中包括孔隙率递增或递减,孔径递增或递减,以及孔隙率或孔径先增加后减少的设计模型。分别研究了多层吸热器第一层的厚度比对吸热器内部空气温度和多孔骨架温度的影响。同时对比了不同模型对应的多孔骨架入口处温度和热效率,最后分析了不同模型内部压降的分布。结果表明,多层吸热器第一层的参数对吸热器整体性能有着重要的影响。对比不同的模型发现,当孔隙率先减小后增大时,多层吸热器具有最佳的性能。采用遗传算法对三层吸热器进行多目标优化,优化的目标函数是吸热器的热效率和压降,这两个是评价吸热器性能的重要指标。结果表明,当第一层及第三层的孔隙率和孔径高于中间层的孔隙率和孔径时,吸热器的性能可以达到最优,同时在吸热器各层的厚度方面,采用逐渐增厚的设计有利于吸热器的性能提高。将入射辐射设置为周期变化,在非稳态的条件下,分析入射辐射的变化对入口处骨架温度及出口处空气温度的影响。同时,研究了不同时刻单层吸热器内部的温度分布。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK513.1
【图文】：

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利用解析法求解吸热器内部空气的温度分布，空气的压降以及多孔骨架的温度分布，定义了多层吸热器的热损和热效率。为了分析多层吸热器厚度比以及孔隙率分布和孔径分布对吸热器温度，压降以及效率的影响，共设计了 12 种不同孔隙率、孔径分布的模型，也研究了不同厚度比时对这些模型各方面参数的影响。2.1 多层吸热器结构模型如图 2-1 所示，吸热器为圆柱形腔体，由多层多孔陶瓷结构构成，吸热器四周绝热，太阳辐射由反射镜反射至吸热器入口处，由入口的多孔骨架将反射辐射吸收。空气作为工质沿 x 方向由入口进入，经过与多孔骨架的换热，提高自身温度，最后从出口离开吸热器，通往汽轮机等设备用于发电。由图可知，每一层都有不同的孔隙率和孔径，每一层的厚度也不同。由于骨架导热系数不是本文的研究重点，所以每一层采用相同的导热系数，并且鉴于空气的导热系数较小，在空气的能量方程中，忽略空气的导热项

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模型 D1ε1=0.9, ε2=0.7, ε3=0.9模型 E1ε1=ε2=ε3=0.7(单层吸热器)模型 F1ε1=ε2=ε3=0.9(单层吸热器)分布为递增趋势， B1为孔隙率分布为递减趋势，C1的少，D1为孔隙率分布为先减小后增加， E1和 F1每层的器。这六种模型每一层的孔径都相同（d1=d2=d3=2mm度的分布证计算模型的准确性，所以在求得多层吸热器内部空气前提下，将三层吸热器后两层的参数配置设置为统一数层吸热器模型进行对比，如图 2-2 所示。可以看出，计

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中科技大学硕士学位论文部的温度分布情况如图 2-3 所示，第一层的厚度以及分布影响较大。图 2-3 给出了模型 A1和模型 B1对应分布，厚度比为 ξ1=0.3，ξ2=0.35，ξ3=0.35。由图 2-3入口处附近空气温度提升较快，骨架温度下降较快，器的最高温度出现在吸热器入口多孔骨架处。这是因聚焦的太阳辐射加热，辐射采用 Rosseland 模型，由入口处被完全吸收，故多层吸热器的最高温度出现在入的增大，骨架导热系数减小，有效导热系数减小，气所以当孔隙率增大时，入口骨架温度升高。因此模型入口的骨架温度。

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