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太阳能真空集热管的强化传热技术研究

太阳能真空集热管的强化传热技术研究

作者：吴文波青岛科技大学

学位级别：硕士

槽式太阳能集热器是目前应用最为广泛的太阳能中高温热利用设备，在工业和日常生活中都拥有广阔的应用前景，但槽式太阳能集热器存在着传热系数较低、设备占地面积大和真空集热管内易结垢等问题。本文利用内插物强化传热技术改进真空集... 详细信息

槽式太阳能集热器是目前应用最为广泛的太阳能中高温热利用设备，在工业和日常生活中都拥有广阔的应用前景，但槽式太阳能集热器存在着传热系数较低、设备占地面积大和真空集热管内易结垢等问题。本文利用内插物强化传热技术改进真空集热管，选取扭带、组合转子和绕花丝三种代表性的内插物对真空集热管进行强化传热。扭带和组合转子通过使管内产生非衰减的旋流和扰流，达到提高换热性能的目的，并且有一定的防垢和除垢作用。绕花丝通过弥散效应，提高流体混合程度，进而增大边界层区域的温度梯度达到强化传热的目的。本文通过数值模拟和实验相结合的方法对三种内插物对真空集热管的强化传热效果进行了研究。主要的内容有： (1)采用FLUENT软件对内置扭带和转子的真空集热管进行了数值模拟，利用DNS法对加入扭带和组合转子后太阳能真空集热管的速度场、压力场和温度场进行了数值计算，得到了内管出口处的速度分布、压力分布和温度分布。将结果与普通真空集热管的分布情况进行了对比，发现加入内插物后强化传热效果十分明显，同时也引起了管内阻力系数的增大，其中内插组合转子的强化传热效果要大大优于内插扭带。 (2)搭建了实验台对绕花丝和组合转子装置在实际应用中的效果进行测试，结果表明加入内插物后管内传热介质的出口温度有了较大幅度的提高，同时也引起了功耗的增加。绕花丝与组合转子装置相比强化传热效果相近，但功耗要小于组合转子，从经济性上考虑绕花丝内置物的综合效果更好。通过以上研究为内插物强化传热技术在太阳能真空集热管上的应用以及内插物种类的选择提供了理论基础。

关键词：太阳能真空集热管内插物流场强化传热数值模拟

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太阳能真空集热管测试平台温控系统研究

太阳能真空集热管测试平台温控系统研究

作者：郑悦兰州交通大学

学位级别：硕士

太阳能热发电是太阳能利用的主要形式,其中作为线聚焦式的槽式热发电已有商业化应用,线性菲涅尔式热发电也得到了大力的推广。太阳能真空集热管是槽式和线性菲涅尔式太阳能集热系统的关键部件之一,其热学性能如热损直接影响电站的光电... 详细信息

太阳能热发电是太阳能利用的主要形式,其中作为线聚焦式的槽式热发电已有商业化应用,线性菲涅尔式热发电也得到了大力的推广。太阳能真空集热管是槽式和线性菲涅尔式太阳能集热系统的关键部件之一,其热学性能如热损直接影响电站的光电转换效率,进而影响发电成本。准确测试真空集热管的热损值对于线聚焦式太阳能集热系统的设计至关重要。论文以真空集热管为测试对象,根据稳态平衡法的测试原理,利用PLC技术、OPC通讯技术、遗传算法优化的模糊自适应PID控制算法设计了一套用于真空集热管热损值测试平台的温度控制系统。温度控制系统控制器选为西门子S7-300 PLC,介绍了PLC模块、温度传感器、温度变送器、电量采集模块、可控硅调功器等主要硬件设备的选型,并完成了各模块的硬件电路接线图。介绍了STEP7软件的项目开发流程,完成了系统各模块设备的硬件组态和网络组态。采用MATLAB编程智能控制算法,由OPC技术实现MATLAB与PLC的通讯以控制PLC输出。利用组态王软件对上位机监控部分进行设计,实现了热损值测试系统的参数设置、温度监视及数据记录等功能。根据实验建模的原理,利用阶跃响应法完成了温控系统的建模,在此基础上对控制算法进行研究。比较目前实际生产中常用的PID控制,将其与模糊控制相结合,设计了模糊自适应PID控制器。对传统遗传算法进行了改进,并运用改进后的遗传算法对控制器模糊规则的建立进行了优化。通过仿真对比实验和现场测试实验分别对控制算法和控制系统性能进行验证。在MATLAB/Simulink环境下对PID控制算法和优化前后的模糊自适应PID控制算法进行了仿真对比试验,实验表明基于遗传算法优化后的模糊自适应PID控制算法控制效果优于其它两种算法,并具有良好的适应性。在现场测试实验中,对4060mm级的真空集热管在30000℃的工作温度下进行了热损值测试,并对实验数据进行了分析与验证。结果表明,所设计的温控系统具有较好的稳定性与可靠性。将基于遗传算法优化的模糊自适应PID控制算法应用于该系统中,可有效提高真空集热管温度控制的精度以及测试效率,控制精度达到±1℃,调节时间小于35min,满足控制要求。所测得的热损值数据经拟合,其确定系数较高,能较好地反映真空集热管在各个工作温度下的热损失情况。该实验数据可以为国内线聚焦式太阳能集热系统的建立提供实验参数,也可为真空集热管热损值相关标准的制定提供参考数据。

关键词：太阳能真空集热管温度控制热损值模糊自适应PID控制

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太阳能真空集热管性能及实验研究

太阳能真空集热管性能及实验研究

作者：王凯北京工业大学

学位级别：硕士

本文研究太阳能真空集热管的传热理论模型,在此基础上,分析日光透射过玻璃管,照到吸热带上,吸热条带均匀的将热量传输到热管上,通过热管将热量从蒸发段传输到冷凝端的过程。研究不同的工质在不同的安装倾角的传热热阻,分析出不同的工质... 详细信息

本文研究太阳能真空集热管的传热理论模型,在此基础上,分析日光透射过玻璃管,照到吸热带上,吸热条带均匀的将热量传输到热管上,通过热管将热量从蒸发段传输到冷凝端的过程。研究不同的工质在不同的安装倾角的传热热阻,分析出不同的工质制成的太阳能真空集热管的最佳安装角度及应用范围。通过对太阳能热管材料的强度计算和热管内工质压强分析,合理优化热管的制造成本。通过分析太阳能真空集热管的实际可接收的能量和热管在不同工况下的传热能力,对太阳能热管真空管优化设计。研究太阳能真空集热管随着工作温度改变其输出功率的变化规律及波动范围,分析太阳能真空集热管的集热性能是否可以满足日常加热热水的使用需求。研究真空度对太阳能真空集热管的传热性能影响,合理优化太阳能真空集热管的真空度设计值。以避免太阳能真空集热管的真空度过设计造成的制造成本浪费,及设计不足造成的集热性能不足。为了更好的解决太阳能真空集热管与建筑结合问题,部分建筑在使用到太阳能真空集热管时需要其可以在水平下正常使用。测试不同工质制成的太阳能真空集热管,解决水平2度倾角下安装太阳能真空集热管的使用问题。此新型太阳能真空集热管已在实际工程中应用,表现出极高的太阳能集热效率,并且为用户带来巨大的经济效益。随着环境污染问题的日益严重,人们的环保意识逐步加强,此新型太阳能真空集热管是绿色建筑的配套设备,对保护环境具有重要的实际意义。

关键词：太阳能真空集热管真空度倾角传热性能

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太阳能真空集热管生产工艺装备的改进

现代制造技术与装备 2007年第3期43卷 61-62页

作者：刘乃辉山东省机械设计研究院济南250031

目前国内太阳能真空集热管的生产,在工艺和设备方面都存在着一些缺陷,有待改进提高。本文针对在排气、干燥等方面存在的问题,提出了相应的工艺解决方案。

关键词：太阳能真空集热管排气加热干燥

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太阳能真空集热管真空度测量方法的探讨

河南科学 2002年第4期20卷 352-354页

作者：王磊丁鸣王华军河南省能源研究所河南郑州450008

依据热力学基本定律 ,提出了太阳能全玻璃真空集热管真空度检测的负压腔原理 ,并建立理论数学模型 ,同时还对其实际可行性及检测手段进行了初步探讨。

关键词：太阳能真空集热管真空度测量方法全玻璃真空集热管负压腔原理数学模型太阳能热水器

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内插热管太阳能真空管集热性能优化

科学技术与工程 2021年第20期21卷 8458-8464页

作者：王瑞祥孙成鹏樊攀唐文涛吴会娇张志超邢美波北京建筑大学北京市建筑能源高效综合利用工程技术研究中心北京100044 北京同创绿源能源科技有限公司北京102209 中交机电工程局有限公司北京100088

为研究内插热管太阳能真空集热管(solar vacuum collector tube with an inserted heat pipe,SVCTIHP)内部各部件及界面改变与传热效果间关系,指导结构和工艺优化,提高SVHCTIHP性能,建立了SVHCTIHP内部热量传递的数学模型。利用MATLAB... 详细信息

为研究内插热管太阳能真空集热管(solar vacuum collector tube with an inserted heat pipe,SVCTIHP)内部各部件及界面改变与传热效果间关系,指导结构和工艺优化,提高SVHCTIHP性能,建立了SVHCTIHP内部热量传递的数学模型。利用MATLAB软件对型号为Z-Bj/0.6-WF-1.5/16-58的SVCTIHP的动态响应特征进行模拟分析和实验验证。对热量在SVCTIHP内部传递过程中各主要环节的热损失随结构、材料参数的变化规律进行了模拟,分析了提高SVCTIHP集热性能的途径,发现热管与翅片的接触热阻对SVCTIHP集热效率的影响大。利用新型导热胶对热管与翅片的接触部位进行了填充性黏结并进行了实验测试。结果表明:工艺改进后,该型热管冷凝出口端温度提高了37.8℃,集热效率提高12%。

关键词：太阳能真空集热管集热效率集热温度热管热阻数学模型导热胶

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建筑南立面太阳集热系统应用研究

建筑南立面太阳集热系统应用研究

作者：阮伟同济大学

学位级别：硕士

本文利用FLUENT模拟和实验相结合，揭示了太阳能真空集热管在集热状态下的温度场和流场的规律，分析了太阳能真空集热管流场和温度场的影响因素，并分析了内插排挤管对优化垂直安装集热管的集热性能的作用，最后通过实验初步验证了这一... 详细信息

本文利用FLUENT模拟和实验相结合，揭示了太阳能真空集热管在集热状态下的温度场和流场的规律，分析了太阳能真空集热管流场和温度场的影响因素，并分析了内插排挤管对优化垂直安装集热管的集热性能的作用，最后通过实验初步验证了这一方法的有效性。主要研究内容和研究成果如下：1．根据长期太阳辐射量计算上海地区在6月和12月代表日(6月11日和12月11日)长期平均小时水平面和垂直面上的太阳直射和散射辐射量，并拟合成时间的函数表达式。对于垂直安装的太阳能集热管所接受的太阳辐射，根据晴天太阳辐射模型，利用MatLab编程计算在不同太阳高度角和方位角的情况下，集热管圆周表面的能流分布，并将其拟合成圆周角的函数表达式。2．通过UDF文件编程，以集热管表面能流分布作为模拟计算的边界条件，使用FLUENT对集热管内的温度场和流场进行了模拟计算。模拟计算的结果表明，在集热管的顶部和中部自然对流换热效果较为明显，但是在集热管的底部则存在着明显的滞流区，降低了整个集热管的集热性能。3．通过对集热管集热性能的影响因素的分析可知，选择性涂层的吸收率和发射率对集热管的集热性能有较为明显的影响。如何提高选择性涂层的吸收率，降低选择性涂层的发射率，是提高集热管集热性能的关键。此外，通过模拟和实验验证了内插排挤管的方法对抑制集热管内冷热水相互“混水”现象的作用。

关键词：太阳能真空集热管建筑一体化 FUENT模拟 UDF文件内插排挤管

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建筑太阳能集热器热过程研究

建筑太阳能集热器热过程研究

作者：孙成鹏北京建筑大学

学位级别：硕士

对太阳能的高效利用是助力碳中和的重要手段。现阶段建筑对太阳能的主要用能形式仍是热能,集热器是太阳能热利用的核心部件,热管式真空集热器是太阳能热利用市场中的重要应用种类。本文工作的主要目的是通过对内插热管太阳能真空集热管... 详细信息

对太阳能的高效利用是助力碳中和的重要手段。现阶段建筑对太阳能的主要用能形式仍是热能,集热器是太阳能热利用的核心部件,热管式真空集热器是太阳能热利用市场中的重要应用种类。本文工作的主要目的是通过对内插热管太阳能真空集热管（solar vacuum collector tube with an inserted heat pipe,SVCTIHP）内部结构进行优化以切实提高热利用效率,主要研究工作内容如下:1、建立了SVCTIHP的物理模型和稳态传热数学模型。以SVCTIHP内构件本身热阻为基础,结合微尺度边界热阻和纳米尺度传热过程,建立了热量传递阻力数学模型。并以实验用集热管性能参数确定传热数学模型的边界条件,求得了集热管的理论瞬时集热效率表达式和单根集热管各构件表面温度分布情况。2、搭建了SVCTIHP和集热器系统热性能测试试验台。通过集热管冷凝端温度测量和对原型与改型集热管进行的空晒系数测定研究,实验结果与模拟值平均误差为3.32%,验证了所建模型对单管描述的准确性。通过开式集热器系统测试集热工质单次循环集热效率和闭式水循环系统测试不同集热工质温度时集热效率变化平均误差为6.8%和2.4%,验证了所建立集热效率公式的可靠性。3、利用所建模型对SVCTIHP的传热过程进行了量化分析,根据主要热阻对集热器进行了结构优化和实验验证,结果显示:1)集热管内部主要传热构件热阻占内部总热阻比例分别为内层玻璃管的14.4%、玻璃管与翅片接触部分的4.6%、翅片的0.8%、翅片与热管接触部分的22.2%和热管的58%。结合集热管结构改进成本与效果,以翅片与热管接触热阻作为主要热阻的集热管结构优化会有较好的效果。2)通过传热数学模型解析预测翅片与热管接触热阻的优化,集热管冷凝端温度将提升7.99%,集热器系统全天集热效率将提升5%。3)实验使用三种不同导热胶优化翅片与热管间接触热阻,冷凝端温度和空晒实验与预测结果平均偏差为0.14%和0.85%,理论模型计算结果符合预期。集热器集热效率预测与实验结果平均偏差为0.34%,优化结果与模型预测具有良好的一致性,并进一步明确了结构优化使集热器启动速度平均提升了40.6%。

关键词：太阳能真空集热管集热效率集热温度热管热阻数学模型导热胶