非对称波纹管式太阳能吸热器传热及力学特性数值研究

摘要

太阳能光热利用具有无污染、零排放、不使用传统化石燃料的显著优点。太阳能光热利用主要有槽式、塔式、碟式和线性菲涅尔式四种。在太阳能热利用的多种方式中，抛物槽式吸热器是商业化最为成熟、推广度最大的方式，但是，槽式吸热器中的管式吸热器在运行的过程中，存在着热应变过大而导致玻璃罩破裂的问题。为了降低管式吸热器的热应变、提升管内的传热强度以及吸热器的运行效率，本文引入非对称波纹管作为抛物槽式太阳能吸热器的吸热管。
　　本文以非对称波纹管式太阳能吸热器为研究对象，建立了光-热-结构耦合模型。首先，建立槽式太阳能聚集系统的光线聚集与传输模型，对管式吸热器表面的热流分布特性进行分析，研究结构参数、镜面误差及系统指向误差对非对称波纹管式太阳能吸热器表面热流分布的影响；其次，以槽式太阳能聚集系统的光束聚集与传输过程的研究为基础，结合用户自定义函数，建立非对称波纹管式太阳能吸热器的光热耦合模型，对非对称波纹管式太阳能吸热器的传热特性及流阻特性进行数值研究，着重分析热流分布、结构参数及雷诺数对非对称波纹管式太阳能吸热器的传热和流阻的影响；再次，采用中心复合设计的方法，对非对称波纹管式太阳能吸热器的结构参数和雷诺数进行传热优化设计；最后，建立非对称波纹管式太阳能吸热器的光-热-结构耦合模型，分析结构参数、运行参数等对非对称波纹管式太阳能吸热器应力应变特性的影响。
　　研究结果表明，非对称波纹管式太阳能吸热器具有明显的强化传热性能及优异的应力应变特性，与圆管式太阳能吸热器相比，其努塞尔数最多提高65.6％，此时的综合传热因子提高148%，最大热应变降低25%。增大边缘角、焦距可分别使壁面的峰值热流密度升高37.8%、267%，增加镜面误差、系统指向误差使峰值热流下降52.3%和75.0%；增大p/D可以同时提高吸热器的传热性能和综合传热因子，rl/D的增加在几乎不损失吸热器传热性能的同时降低阻力损失，提升整体性能，H/D的升高在除峰值附近的区间内降低综合传热因子；通过优化设计，可知综合传热系数η在NuA/NuS=1.92时达到最大，此时η=2.71；热应变的数值随吸热器传热能力的升高而降低，等效应力不仅和温度分布有关，也与吸热器的结构参数有关；增大镜面误差和系统指向误差会使热应变和等效应力同时减小，最大可使热应变降低46.1%，等效应力降低72.3%。

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物理量名称及符号表

第1章 绪论

1.1背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要研究内容

第2章 抛物槽式太阳能聚光系统的光线聚集与传输特性研究

2.1引言

2.2聚光系统光线传输模型

2.3理想情况下吸热器表面热流分布特性研究

2.4光学误差对吸热器表面热流分布的影响

2.5小结

第3章 非对称波纹管式吸热器传热特性研究

3.1引言

3.2非对称波纹管式吸热器的结构及热量传输

3.3非对称波纹管式吸热器的流动及传热模型

3.4非对称波纹管式吸热器的传热特性研究

3.5小结

第4章 非对称波纹管式吸热器的流动阻力特性计算及传热优化

4.1引言

4.2非对称波纹管式吸热器的流动特性研究

4.3特征几何参数对流动及传热的作用

4.4非对称波纹管式吸热器的传热优化设计

4.5小结

第5章 非对称波纹管式吸热器的应力应变特性分析

5.1引言

5.2非对称波纹管式吸热器的应力应变特性分析

5.3光学误差对非对称波纹管式吸热器应力应变的影响

5.4特征几何参数对非对称波纹管式吸热器应力应变的影响

5.5小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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