纳米流体集热式太阳能蒸汽发生器性能模拟研究

发布时间：2020-04-05 15:49

【摘要】：利用太阳能集热技术产生温度为80-250℃左右的中温蒸汽,用于驱动制冷空调、有机朗肯循环发电、海水淡化以及工业加热等,具有巨大的节能潜力和应用前景。目前我国太阳能热利用主要集中在采用玻璃真空管、平板式集热器的低温热水系统,而在中温区的应用很少。常规的太阳能中温集热装置存在吸热管的玻璃与金属封接工艺难、吸收涂层的高温耐久性不高等缺陷,特别是对于太阳能直接蒸汽发生装置,蒸发管内两相流型的剧烈变化更容易导致集热管沿周向温差增大,热应力导致玻璃管破裂,导致设备制造和运行维护成本高,严重限制了其应用推广。因此,高性能的太阳能中温蒸汽发生技术的研究显得尤为重要和迫切。本文提出了一种纳米流体集热式太阳能集热蒸汽发生器(NSVG),采用双层透明无涂层真空玻璃集热管,管内同轴放置蒸发套管,二者之间充灌具有很强光辐射吸收性能的纳米流体,用于直接吸收太阳能,同时将收集的热量加热工作流体产生蒸汽。在对石墨烯/导热油纳米流体的热物性以及光谱吸收特性的研究基础上,重点开展了非均匀聚光条件下纳米流体集热、传热及蒸汽发生特性的模拟研究,主要工作如下:(1)在对纳米流体集热-传热过程机理分析基础上,根据太阳能蒸汽发生器的热平衡原理建立了NSVG的集热-传热数学模型,将透过双层玻璃并被纳米流体吸收的太阳能辐射集热过程等效于流体内部的不均匀“内热源”,与传热过程相耦合。同时,建立了传统带吸收涂层的蒸汽发生器(SVG)的集热-传热数学模型进行对比。(2)配制了四种不同质量分数的石墨烯/导热油纳米流体,实验测得了纳米流体的热导率、粘度等基础热物性,并得到了纳米流体的物性拟合公式;测试分析了纳米流体的辐射吸收特性,计算得出了太阳能全光谱范围的平均吸收系数。(3)基于建立的数学模型与测得的纳米流体物性,对新型NSVG和传统SVG的中温集热与蒸汽发生性能进行了CFD模拟及对比分析。结果表明:非均匀聚光条件下,NSVG中纳米流体温度分布更加均匀,集热管内管壁面温差明显降低,纳米流体与蒸发工质间的传热得到强化;蒸汽发生温度在一定范围内时,NSVG的集热效率高于传统SVG。其次,归纳了纳米流体浓度、太阳辐射强度、蒸发套管直径、蒸汽发生温度等因素对NSVG集热性能的影响规律,给出了纳米流体浓度、集热管结构的优选方案,以提高装置热性能。
【图文】：

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图 1-1 2009-2014 年全球可再生能源年均增长率[1]太阳能中温热利用仍然有较高的提升空间，有用 R245fa，R236ea 等有机物为工质，可利用汽化进而储存热量。如果能够提高太阳能在中活生产领域，从根本上解决传统的太阳能中高等问题，将推动我国节能降耗和减排的发展。能集热器（DASC）原理集热器[5]（Directaborbsolarcollector，简称 DA利用透明容器内的集热介质直接吸收太阳辐射有根本区别。ASC 原理图，DASC 由双层透明无涂玻璃管组吸热材料，也是传热和载热材料，太阳能辐射

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（a）为与原理图，（b）为实物图。直通式—金属玻璃真空管由玻璃外管组成，内外两管之间为真空夹层，不锈钢管外表面镀有选择性涂层，内区间端口熔封起来，吸热管与集热系统均为波纹管连接。直通式—金属玻要分为两种，一种是内膨胀真空集热管，另一种外膨胀真空集热管[12]，主接蒸汽发生系统。这种结构能够有效缓冲金属内管和玻璃外管之间不均匀热损失小，，可规模化生产，需要时进行组装。但是主要问题有：璃与金属管之间的焊接工艺技术难度要求高，使用中很难保持长时间的真成本非常的昂贵，约为 U 型真空集热管的 10 倍。择性吸收涂层以金属管受热均会膨胀，两者受热膨胀程度不同，因此导致不锈钢管管内直接产生蒸汽，有一段区域处于汽液两相区，流型的变化将沿周向温度分布不均。集热管由于受热不均而变形，系统运行的可靠性受情况下会导致集热管炸裂从而引发安全问题。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK513.1

【参考文献】