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自然循环槽式太阳能中高温集热系统中流动传热特性及强化传热机理研究

作　者: 张良
导　师: 胡亚才
学　校: 浙江大学
专　业: 工程热物理
关键词: 自然循环槽式太阳能集热系统纳米流体沸腾强化传热
分类号: TK513.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

光热太阳能技术在解决全球清洁能源生产问题上具有重要的战略意义。然而,成本和经济性问题是当前光热太阳能技术发展面临的主要瓶颈,因此,提高系统效率降低成本是光热太阳能技术发展的必然趋势。自然循环集热系统以利用气-液重力压差为动力实现循环换热为最大特点,为槽式太阳能集热系统的安全、稳定、高效运行提供了新的选择。此外,纳米流体作为一种新型的强化传热工质,其强化传热机理及其在工业换热系统中的应用研究一直是强化传热领域的热点。本论文课题研究以“节能环保”和“新能源”两大战略新兴领域为导向,以自然循环槽式太阳能集热系统为对象,以非能动自然循环集热(换热)系统中流动沸腾传热特性以及过程中的强化传热机理为主要研究内容。论文首先对自然循环槽式太阳能中高温集热系统的结构特点进行了优化分析,并对本课题提出和首次建立的50kW自然循环槽式太阳能中高温集热系统的关键性能参数(集热效率、散热损失、热阻特性以及运行最低辐照条件)进行了实验分析。得到50kW自然循环集热槽式太阳能集热系统的集热效率为0.3852,通过工业保温后可达0.439～0.458；集热管热效率为0.662～0.792；热阻于加热功率之间的关系为RHP=155.116q-1.523；系统运行最低辐照条件为Ic=254-272W/m2。在此基础上,建立了基于等效热流密度关系的室内自然循环集热系统实验台,得到对应的加热功率范围为0.45kW～1.35kW。为了更好的理解和掌握自然循环槽式太阳能集热系统流动传热特性,本文利用室内实验系统对自然循环槽式太阳能集热系统典型流动传热特征和流动不稳定特征以及加热功率、充液率和加热方式三种因素对集热系统的流动传热特性的影响规律进行了完整的实验研究。研究结果表明：自然循环集热系统在流动特征上存在逆流和双向并行流两种不稳定性流动特征；随着加热功率的增加,逆流特征逐渐减弱,管内流动循环最终转变为顺时单向流动。在同一流型特征下,集热管内的对热系数随加热功率增加而增加。然而,当逆流出现转变时(1.0kW,0.15MPa排汽工况),集热管内的对流换热系数出现最高值,为285.86W/m2K。现场系统与室内系统在热管热阻与加热功率之间的关系可以很好的吻合,得到系统逆流流型发生转变的热管热阻参数为0.83kW,34.37K/kW。在0.8kW加热功率条件下,集热系统的最佳充液率为FR=0.5；集热系统的最低充液率为FR=0.2。半管加热方式增强了管内逆流特征导致集热系统效率较低；但从系统安全运行和高效吸热角度来讲,下半管加热方式最有利于自然循环集热系统的高效、稳定安全运行。为了研究氧化石墨烯(GONs)纳米流体沸腾强化传热特性及其强化传热调控机理,探索其在然循环循环集热系统中的应用。本文利用瞬态淬火沸腾实验对不同浓度的氧化石墨烯(GONs)纳米流体的沸腾强化传热特性及其强化传热调控机理展开了系统的实验研究。研究结果表明,氧化石墨烯(GONs)纳米流体瞬态淬火沸腾强化传热特性主要体现在过渡沸腾和临界热流密度(CHF)上,其受到纳米颗粒沉积表面和悬浮液中纳米颗粒两者因素的共同影响。更重要的是,氧化石墨烯(GONs)纳米颗粒沉积形成的沸腾表面对浸润性的改变是强化CHF的决定因素。值得指出的是,本文在浓度为0.0002wt.%氧化石墨烯(GONs)纳米流体淬火结果中得到一种特别的“花状”由鳞片状石墨烯纳米片叠成的“突起”结构沉积表面；在该浓度条件下得到本文在CHF上的最高强化效果,为25.0%。此外,氧化石墨烯(GONs)纳米流体对循环启动前热管的加热速率提升了近15.15%；但随着循环流动的开始,受管内流型特征的影响,集热系统的逆流效果得到减弱,热效率提高了18.0%,但热管热阻增加了6.7%,对流换热系数也降低7.85%。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-9
Abstract  9-12
主要符号表  12-15
目录  15-17
第一章绪论  17-34
  1.1 研究背景及意义  17-23
    1.1.1 全球能源现状及发展背景  17-18
    1.1.2 光热太阳能技术及发展现状  18-20
    1.1.3 分布式太阳能供热系统  20-23
  1.2 国内外研究现状及进展  23-31
    1.2.1 自然循环太阳能集热系统研究现状  23-26
    1.2.2 自然循环集热(换热)系统流动传热特性研究现状  26-29
    1.2.3 纳米流体强化传热机理研究现状  29-31
  1.3 本文的研究的主要内容  31-34
第二章 50kW自然循环槽式太阳能中高温集热系统结构优化及传热性能分析  34-66
  2.1 自然循环槽式太阳能中高温集热系统的主要结构特点及优化  35-46
    2.1.1 聚光加热段  35-40
    2.1.2 保温绝热段  40-41
    2.1.3 冷凝蓄热段  41-43
    2.1.4 分布式自然循环槽式太阳能联供系统  43-46
  2.2 50kW自然循环槽式太阳能集热系统传热性能分析  46-61
    2.2.1 聚光集热场的聚光效率  47
    2.2.2 自然循环集热系统集热管散热损失  47-60
    2.2.3 50kW自然循环中高温集热系统效率及管路散热损失  60-61
  2.3 50kW自然循环槽式太阳能中高温集热系统热管总热阻  61-62
  2.4 50kW自然循环槽式太阳能中高温集热系统运行的最低辐照条件  62-65
  2.5 本章小结  65-66
第三章自然循环槽式太阳能中高温集热系统室内实验系统  66-82
  3.1 自然循环槽式太阳能集热系统设计计算理论基础  66-73
    3.1.1 自然循环槽式太阳能集热系统沸腾段传热特性分析理论  66-70
    3.1.2 自然循环槽式太阳能集热系统流动阻力计算分析方法  70-73
  3.2 自然循环槽式太阳能中高温自然循环集热系统室内实验系统  73-77
  3.3 实验系统主要实验参数及误差分析  77-79
  3.4 室内实验系统加热功率与室外系统辐照强度之间的关系  79-81
  3.5 本章小结  81-82
第四章自然循环槽式太阳能中高温集热系统流动传热特性  82-107
  4.1 自然循环槽式太阳能中高温集热系统流动传热循环特征  82-96
    4.1.1 自然循环槽式太阳能中高温集热系统流动传热循环过程  82-84
    4.1.2 室内自然循环集热系统性能的可靠性  84-85
    4.1.3 自然循环槽式太阳能集热系统集热管内流动沸腾传热特性  85-94
    4.1.4 自然循环集热系统热管热阻及散热损失分析  94-96
  4.2 自然循环槽式太阳能集热系统流动传热不稳定性特征  96-105
    4.2.1 逆流流动特征  96-100
    4.2.2 双向并行流动特征  100-103
    4.2.3 三种流型特征比较  103-105
  4.3 本章小结  105-107
第五章不同因素对自然循环槽式太阳能中高温集热系统流动传热特性的影响  107-131
  5.1 加热功率对自然循环槽式太阳能集热系统流动传热特性的影响  107-116
    5.1.1 对自然循环集热系统逆流特征的影响  107-111
    5.1.2 加热功率对热效率影响  111-113
    5.1.3 加热功率对传热特性的影响  113-115
    5.1.4 自然循环集热系统加热功率和热管热阻之间的关系  115-116
  5.2 充液率对自然循环集热系统流动传热特性的影响  116-123
    5.2.1 充液率对自然循环集热系统流动特征的影响  116-120
    5.2.2 充液率对自然循环传热特性的影响  120-122
    5.2.3 自然循环集热系统的最低极限充液率  122-123
  5.3 加热方式条件对自然循环集热系统流动传热特性的影响  123-130
    5.3.1 加热方式对自然循环集热系统流动特征和等温性的影响  123-128
    5.3.2 加热方式对自然循环集热系统集热管传热特性的影响  128-130
  5.4 本章小结  130-131
第六章石墨烯纳米流体沸腾强化传热调控机理及其在自然循环中集热系统中的应用  131-154
  6.1 水基氧化石墨烯(GONs)纳米流体沸腾强化传热特性及其调控机理  131-148
    6.1.1 水基氧化石墨烯(GONs)纳米流体及其稳定性  131-133
    6.1.2 瞬态淬火实验台及实验过程  133-135
    6.1.3 石墨烯纳米流体沸腾强化传热特性  135-141
    6.1.4 纳米颗粒及其沉积表面对沸腾强化传热特性的影响  141-148
  6.2 以氧化石墨烯纳米流体为工质的自然循环集热系统传热特性  148-153
  6.3 本章小结  153-154
第七章全文总结及展望  154-158
  7.1 全文主要内容及创新点  154-156
  7.2 本文的不足与展望  156-158
参考文献  158-172
附件  172-180
作者简介  180-183

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