新型中温槽式集热器性能模拟研究

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本文研发了一种新型的中温槽式集热器,可以高效低成本吸收太阳能,产生120℃~200℃的中温热水,驱动太阳能双效空调的运行。本文对中温集热器的设计、聚光特性、一维传热特性和三维热仿真模拟进行研究,主要内容和结论如下:1)对中温槽式集热器的光学和跟踪系统进行理论研究,接收器采用新型中温直通式真空集热管(吸热管外直径0.032 m),对聚光比、边缘角、焦距等参数量化分析,从节约材料、易加工及减少误差影响出发,设计了集热器的抛物线方程:x~2(28)3.2z(-0.894m?x?0.894m);同时为集热器设计了单轴跟踪系统,采用PLC控制器,主动跟踪太阳方位。2)基于蒙特卡洛光线追踪法,建立集热器的聚光跟踪模型,针对南京地区,模拟集热器运行过程中的光学效率和吸热管周向能流密度,能流密度分布在遮挡区和递减区变化梯度最大,其次是递增区;引入截断因子分析了集热器运行过程中的误差影响,其中外形误差,跟踪误差及安装误差对截断因子影响最大;为保证集热器的光学效率大于75%,并且吸热管表面的能流密度分布较均匀,集热器的外形误差需满足:k?2.5mrad;PLC控制系统的精度需满足:(35)p?0.3?;X方向上的偏离误差需满足:(35)x?0.6cm,Z方向的偏离误差需满足:-0.4cm?(35)z?0.8cm。3)根据能量流动,建立了集热器的一维传热模型,模拟结果低于NREL的实验结果,相对误差在5%以内;计算分析了金属吸热管换热、环形空间换热及玻璃管换热等传热关键环节的影响因素;建立了热损失、瞬时热效率和出口温度数学模型,结果表明集热器热损失随着吸热管温度的升高而升高,瞬时热效率随着吸热管温度的升高而下降,进出口温差受工质进口温度、工质流速、直射辐照强度影响较大;在真空度良好时,环境温度和风速对热性能参数影响较小,当环境温度降低10℃和风速增加2m/s时,集热器热损失仅增加2.1W/m,瞬时热效率仅减少0.12%,进出口温差仅减少0.14℃。4)考虑到一维传热模型的局限性,以聚光模拟得到的周向能流密度为边界条件,利用ANSYS软件对集热器运行过程中的温度场和流速场进行仿真模拟。集热器的进出口温差热仿真结果低于一维传热模拟结果,相对误差在7%以内;在运行过程中金属吸热管温度在轴向和径向分布不均匀,温度梯度最大的区域在弧长0.01m~0.03m之间,进口流速和直射辐射强度对于吸热管温度场的影响最大,吸热管的温度梯度随着流速的增加而减少,随着直射辐照强度的增加而增加。
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