太阳能中温新型集热管的传热特性研究

摘要

随着我国的能源危机的日益严重，利用太阳能中高温热利用技术来提供工业中所需要的中高温热能是必然趋势。本文分析了直通式真空集热管的传热过程，建立了集热管的一维稳态传热数学模型，将模拟值与实验值进行了对比，分析了存在差异的主要原因。同时，为了提高直通式真空集热管的集热效率、降低金属吸热管的周向温度梯度、延长真空集热管的使用寿命，提出了两种强化换热手段，设计了相应的两种新型真空集热管，并在自主搭建的槽式太阳能集热系统实验装置上，对传统真空集热管以及两种新型真空集热管的热性能进行实验研究。实验研究主要分析了不同工况下真空集热管的集热效率和金属吸热管周向温度梯度的变化趋势，并以此为基础对比分析了两种强化换热手段的换热效果。为满足实际的工业应用，本文设计了一种槽式太阳能中高温蒸汽发生系统，同时以Sunlab、Sargent&Lundy两种算法下的太阳能热发电成本为依据，提出了蒸汽能源平均成本(SLEC)的基本概念和计算公式，并分析了年辐射量和系统使用寿命对蒸汽能源平均成本的影响。
　　在已验证数学模型准确的基础上，模拟实验工况，发现模拟值与实验值存在一定的差异，这种差异产生的主要原因为:首先数值模拟是假设吸热管外壁面受热均匀，并在某一理想工况下进行的，而实际实验中吸热管的外壁面受热并非均匀，并且实验条件受外部环境的变动而变动;同时实验台在制作和搭建过程中存在一定的系统误差，使得实际实验值小于模拟值;最后本文真空集热管制作方法也可能是实验与模拟值相差较大的原因之一。
　　各个实验工况下，加有高通量换热涂层和绕花丝的真空集热管的集热效率明显高于传统真空集热管，略高于只加有高通量换热涂层的真空集热管。在液相区，与传统真空集热管相比，加有高通量换热涂层和绕花丝的真空集热管的集热效率提高了约26.2％，周向温度梯度最大降低了约6.4℃;而相比之下，只加有高通量换热涂层的真空集热管的集热效率提高了约18％，周向温度梯度最大降低了约3.6℃。在气液两相区，与传统真空集热管相比，加有高通量换热涂层和绕花丝的真空集热管的集热效率提高了约34％，周向温度梯度最大降低了约9.8℃;与传统真空集热管相比，只加有高通量换热涂层的真空集热管的集热效率提高了约22.7％，周向温度梯度最大降低了约4.8℃。在气相区，与传统真空集热管相比，加有高通量换热涂层和绕花丝的真空集热管的集热效率提高了约22％，周向温度梯度最大降低了约22.5℃;与传统真空集热管相比，只加有高通量换热涂层的真空集热管的集热效率提高了约21.65％，周向温度梯度最大降低了约8.3℃。
　　在1000MW的供热规模下，槽式太阳能中高温蒸汽发生系统的投资成本有望降低至631.30$/kW，节煤量最大可以达到36.4kg/s。随着年辐射时间的增大，SLEC明显降低。随着系统的使用寿命的增大，SLEC随之快速降低。

目录

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摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 能源危机

1．1．2 我国太阳能资源分布

1．1．3 工农业中高温热利用需求现状

1．2 国内外研究现状

1．2．1 中高温太阳能蒸汽发生系统的国内外应用现状

1．2．2 直通式真空集热管传热研究及进展

1．2．3 管内强化传热研究及进展

1．2．4 直通式真空集热管强化换热研究及进展

1．3 已有工作的不足

1．4 课题研究目的和研究内容

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

第二章 太阳能真空集热管的传热特性分析

2．1 太阳运行规律

2．1．1 太阳运行规律

2．1．2 太阳辐射量的计算

2．2 集热管稳态传热理论基础

2．2．1 管内流体与吸热管之间的对流换热

2．2．2 吸收管管壁的导热

2．2．3 吸收管外壁面与玻璃套管内壁面的换热

2．2．4．玻璃套管内部的热传导

2．2．5 玻璃管到环境的换热量

2．2．6 吸热管吸收的有效太阳辐射能

2．3 集热管的稳态传热数值模拟

2．3．1 集热管稳态传热模型

2．3．2 集热管稳态传热模型的验证

2．3．3 数值模拟值与本文实验结果比较与分析

2．4 本章小结

第三章 直通式真空集热管集热性能实验研究

3．1 实验系统

3．1．1 直接式槽式中高温聚光集热系统

3．1．2 管路部分

3．1．3 数据测量及采集系统

3．2 实验目的及数据处理

3．2．1 实验目的

3．2．2 数据处理

3．3 实验方法及步骤

3．3．1 测试条件

3．3．2 实验方法与步骤

3．4 实验结果与分析

3．4．1 影响新型集热管和光管集热效率的因素

3．4．2 影响新型集热管和传统集热管壁面温度梯度的因素

3．5 本章小结

第四章 直接式槽式太阳能中高温蒸汽发生系统经济性分析

4．1 槽式蒸汽发生系统

4．1．1 蒸汽发生系统数学模型

4．1．2 系统热效率分析

4．2 系统经济型分析

4．2．1 直接式槽式太阳能中高温蒸汽发生系统成本组成

4．2．2 蒸汽LEC

4．3 本章小结

第五章 全文总结与展望

5．1 全文总结

5．2 本文的不足之处与今后的工作建议

参考文献

攻读硕士期间发表的论文和申请的专利

致谢