有/无石英窗口的圆柱形腔体热损失特性实验研究

摘要

太阳能热发电是太阳能利用的重要方式之一。碟式太阳能热发电因其安装方便、发电效率高等优点而备受关注。碟式太阳能热发电在聚光器焦点处放置接收器，产生高压高温蒸汽或气体，推动热动力发电机组发电。本文对碟式太阳能热发电系统中一个重要的部件——腔体接收器的热损失特性进行实验研究。搭建了圆柱形腔体接收器实验台，模拟恒热流加热的情况，研究倾角、热流密度、加热方式（底面侧面同时加热、单独侧面加热、单独底面加热）等对腔体壁面温度、热损失、努塞尔数的影响，并对有无石英窗口的工况对比分析，明确石英窗口对腔体热损失性能的影响。　　石英窗口对壁面温度、热损失、努塞尔数的改变很大。研究表明：　　①石英窗口对提高腔体温度有明显效果。底面侧面同时加热、热流密度为600W/m2和 700W/m2时，有石英窗口腔体的平均温度比无石英窗口腔体分别高出71.29℃、79.36℃，温度增加明显。石英窗口阻断了腔内空气与外界环境直接换热的途径，改变了对流和辐射换热的高温热源，散热减少，因此腔体平均温度升高。　　②传热过程不同，倾角改变对腔体热损失的影响不同，石英窗口能明显减少倾角不同时热损失的波动。底面侧面同时加热、q=700W/m2时，有石英窗口腔体的热损失几乎不随倾角变化，对流热损失占总热损失的比例稳定在 59%左右。而无石英窗口腔体的对流热损失占总热损失的比例在（42.68%~77.55%）范围内变化。石英窗口的存在与否决定了腔体与外界热交换的模式，倾角变化又影响着腔体内高温区域的位置，两者共同决定了腔体热损失的变化情况。　　③石英窗口改变了不同倾角下腔体努塞尔数变化较大的情况。除单独底面加热的Nuc外，其余工况下的Nur和Nuc随倾角变化不明显，基本呈一条水平直线。单独底面加热时，腔体温度低，Nuc随倾角变化明显，需寻求其他方法来控制倾角对换热过程的影响。　　④本文对有石英窗口腔体的努塞尔数进行分析并拟合了传热经验关联式。公式以倾角φ、格拉晓夫数Gr以及热流密度q等参数为自变量，拟合结果与实验值的误差大多保持在10%以内，有良好的参考和应用价值。

目录

主要符号表

1 背景与研究现状

1.1 背景介绍

1.2 国内外研究现状

1.2.1 无石英窗口腔体的研究现状

1.2.2 有石英窗口腔体的研究现状

1.3 研究目的与内容

2 实验装置介绍

2.1 腔体的材料和几何尺寸

2.2 腔体加热装置的设计

2.3.1 功率调节装置

2.3.2 腔体固定装置和角度调节装置

2.4 热电偶的制作、标定与具体布置

2.5 石英玻璃的设计及相关参数的测量

2.5.1 石英窗口发射率的测量

2.5.2 石英窗口温度的测量

2.6 实验测量步骤

3 实验原理与不确定度分析

3.1 实验原理

3.2 不确定度分析

3.2.1 不确定度的基本知识

3.2.2 实验相关参数的不确定度计算

3.3 实验复现性分析

4 结果分析与讨论

4.1 温度分布

4.1.1 加热方式的影响

4.1.2 腔体倾角的影响

4.1.3 热流密度的影响

4.1.4 (tw-t∞)的变化

4.1.5 (tap-t∞)的变化

4.2 换热量

4.2.1 加热方式

4.2.2 热流密度

4.3.1 加热方式

4.3.2 热流密度

4.4 实验数据回归分析

4.4.1 传热经验关联式的求解

4.4.2 传热经验关联式的验证

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢