平板太阳能集热器空气夹层对流换热数值模拟与实测分析

【摘要】：我国拥有当今全球上最大的太阳能热水器生产能力,也具有着世界上最大的太阳能热水应用市场。近几十年世界能源资源价格的不断上涨和全球对于环保意识的增强,面对世界性节能减排逐渐严峻的形势,我国正加快发展与利用可再生能源,以缓解日益紧张的能源问题。太阳能技术的发展与相关产品的研发,使得太阳能能够大量使用到工程实际当中。随着太阳能热水器与建筑结合技术的不断发展,太阳能热水器持续保持快速增长的势头。作为技术成熟的太阳能光热利用产品——太阳能热水器在全球范围已得到了广泛应用。太阳能热利用技术在降低常规能源消耗、促进节能减排过程中已发挥并继续发挥着重要的作用。 平板型太阳能集热器是太阳能集热器的一种,世界各国都普遍使用。平板型太阳能热水器在提供生活热水及供热采暖中具有广泛的市场应用。平板型太阳能集热器具有节能、高效、易于加工,应用广泛等特点。根据平板集热器内腔体的自然对流研究可以设计出适合不同地区平板型太阳能集热器。平板型太阳能集热器板材选定后,如何减少透明盖板与吸热板之间的对流换热,提高集热器的效率,是集热器设备所需要解决的技术问题。本文采用实验方法测试了西安市气候条件下平板型集热器集热情况,实测了平板型集热循环及透明盖板表面的温度。参考实验测试数据,研究了实测壁温,已知的集热器倾角与厚度条件下,集热器空气层热分布情况。结合CFD数值模拟集热器内空气夹层的对流换热状况,分析了集热器内部空气夹层内温度、速度场分布情况。得出在西安地区平板型集热器适当的倾角情况下,集热器空气夹层内自然对流换热状况,以及集热器温度场与速度场分布情况。本文对平板型太阳能集热器技术以及集热器内部空气夹层自然对流换热状况进行了分析: (1)平板型太阳能集热器在国内市场中面临的推广与销售的问题,核心技术函待提高。可以预见未来平板太阳能集热器市场前景广阔。 (2)分析了平板型太阳能集热器的工作原理,对平板型集热器的结构、性能进行了介绍。对比平板型集热器与真空管集热器各自的优缺点进行了技术指标的分析。 (3)分析了平板型集热器内部空气夹层的自然对流换热机理,并研究了集热器倾角与外形尺寸对空气夹层自然对流换热的影响。 (4)搭建实验台测试了西安地区平板型太阳能集热器运行良好的情况下,集热器工质的实际的温度情况以及达到的实际效果。 (5)采用CFD数值模拟的方法揭示了平板型太阳能集热器内速度场和温度场的情况。吸热板表面温度高于透明盖板表面温度,在吸热板侧空气密度变小,浮升力作用下空气向上移动,与盖板侧冷空气互相混合。空气夹层中心温度梯度大,下部空气密度发生变化,空气在流动过程中受到重力与浮升力的双重作用,在空气夹层流动过程中形成了环流。定两板壁温条件下,在集热器空气夹层内的温度分布呈现出梯度分层,温度分层明显。 【关键词】：平板型太阳能集热器 自然对流换热 倾角 CFD
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TU822
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 1 绪论10-21
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.2 我国太阳能资源情况11-13
• 1.3 国家太阳能政策13-14
• 1.4 太阳能技术、产业和市场的发展现状分析14-16
• 1.4.1 国外太阳能热利用发展概况14-15
• 1.4.2 我国太阳能热水器的发展概况15-16
• 1.5 国内外平板型太阳能集热器研究概况16-18
• 1.6 课题研究的方法与意义18-21
• 1.6.1 课题研究的方法18-19
• 1.6.2 课题研究意义19-21
• 2 平板型太阳能集热器特性21-29
• 2.1 太阳能集热器原理21
• 2.2 平板型太阳能集热器的构造21-23
• 2.3 平板型太阳能集热器性能评价指标23-24
• 2.4 平板和真空管集热器技术的分析与对比24-29
• 3 平板型太阳能集热器空气夹层对流换热理论分析29-33
• 3.1 集热器倾角影响30-31
• 3.2 集热器厚度影响31-33
• 4 实验数据分析33-39
• 4.1 实验基本情况33-35
• 4.2 数据结果分析35-39
• 5 平板型太阳能集热器空气夹层流体自然对流数值模拟39-51
• 5.1 有限体积法及分析软件39-41
• 5.1.1 有限体积法39-40
• 5.1.2 有限体积分析软件FLUENT 介绍40-41
• 5.2 数值模拟求解问题的步骤41-42
• 5.3 模型的建立42
• 5.4 网格划分42-43
• 5.5 FLUENT 求解器的选择43-44
• 5.6 参数及边界条件的设置44-46
• 5.6.1 Boussinesq 模型设置44-45
• 5.6.2 不同集热器倾角设置45
• 5.6.3 边界条件设置45-46
• 5.7 控制方程46-51
• 5.7.1 通用的控制方程46
• 5.7.2 浮升力驱动流动与自然对流46-48
• 5.7.3 Boussinesq 假设48-49
• 5.7.4 相关准则式49-50
• 5.7.5 收敛准则50-51
• 6 平板型太阳能集热器空气夹层数值模拟结果分析51-58
• 6.1 模拟结果分析51-54
• 6.2 空气夹层中心平面温度场54-56
• 6.3 空气夹层剖面速度场56-58
• 7 结论及展望58-60
• 7.1 总结58-59
• 7.2 展望59-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-64

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