热湿耦合作用下太阳能烟囱自然通风特性研究

作     者：郑迪萌 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李永财

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081404[工学-供热、供燃气、通风及空调工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：太阳能烟囱 热湿耦合 通风量 实验研究 数值模拟 

摘      要：在全球科技水平和经济水平快速发展的今天,世界各国对能源的消耗和依赖与日俱增。这将导致煤、石油、天然气等化石能源的逐渐枯竭,同时,大量化石能源的燃烧将导致二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等化学污染物的大量排放,导致了环境和生态问题逐渐恶化。在此背景下,太阳能作为一种用之不竭且环境友好的可再生能源,被广泛用于各个领域。而利用太阳能的各种设备和技术中,太阳能烟囱以其原理简单、应用方便而备受关注,在建筑自然通风、物料干燥、海水淡化等领域都有大量学者对其进行了理论上的研究和工程上的应用。在各种太阳能烟囱系统中,很多太阳能烟囱内部不只有传热过程,还包含传质过程,以蒸发冷却窗为例,其在太阳能烟囱中加入了水喷淋系统,喷淋的水与空气接触,进行热交换和质交换,对空气进行冷却,从而降低室内冷负荷。此时,这种太阳能烟囱内部的空气温度分布和流动特性受到传热和传质的耦合作用,换言之,传热作用和传质作用是相互影响的。基于以上论述,本文提出一种热湿耦合作用的太阳能烟囱自然通风模型,采用实验研究与数值模拟相结合的方法,研究传质过程的加入会对太阳能烟囱通风和换热特性造成何种影响,同时探究不同结构参数和环境参数对热湿耦合作用的太阳能烟囱自然通风特性的影响,为传热-传质耦合作用下的太阳能烟囱的研究提供理论和实验上的参考。为此,本文开展了以下几方面的工作:(1)提出了热湿耦合作用的太阳能烟囱自然通风数学模型。通过对太阳能烟囱内部传热、传质过程进行详细的理论分析,建立了热湿耦合作用下太阳能烟囱的通风、传热、传质过程的稳态数学模型。经验证,该数学模型可以较为准确地计算和预测热湿耦合作用的太阳能烟囱自然通风过程中的风量、温度等物理量。(2)搭建了热湿耦合作用的太阳能烟囱实验台。在传统太阳能烟囱的基础上加入了内部布置有水管的海绵布,水管与定频水泵及水箱连接,可通过保持水泵开启来保持海绵布的完全浸湿,从而形成稳定的传质面。通过改变传质面积、太阳辐射强度、环境相对湿度等结构参数和环境参数,探究了各参数对热湿耦合作用的太阳能烟囱的自然通风特性的影响。结果表明,热湿耦合作用的太阳能烟囱与单一传热作用的太阳能烟囱相比,其系统风量有所减少,烟囱出口处空气温度有所降低。在热湿耦合作用的太阳能烟囱中,增大传质面积比会使风量和出口温度降低;增大太阳辐射强度会使风量和出口温度增加;增大环境相对湿度会使系统风量增加、出口温度降低。(3)利用MATLAB软件对热湿耦合作用的太阳能烟囱的热质交换过程进行数值模拟。探究了传质面积比、空气流道宽度、辐射强度、环境相对湿度、环境温度、蒸发水温度等参数对太阳能烟囱风量、传质量、烟囱内空气积分平均温度等物理量的影响,同时探究上述参数在一定范围内连续变化时烟囱内气流的雷诺数、传质系数等的变化规律。模拟结果表明,相关参数的变化会引起传热系数和传质系数的变化,从而引起系统通风量、传质量、烟囱内空气温度等物理量的变化;一些参数的变化会导致烟囱内热压不足,此时烟囱内空气出现倒流;风量与传质量的变化与雷诺数有关,当烟囱内空气流态由层流变成紊流时,传质量会发生突降。