太阳能热动力系统单元热管吸热器建模与仿真

通过对太阳能热动力系统单元热管吸热器进行研究,建立了相应的数学模型,给出了数值解法,运用计算流体力学软件Fluent6．1对其进行了仿真,并把仿真结果同实验结果和基本型吸热器进行了对比。仿真结果表明,热管吸热器中热管高效、均匀的传热性能大大缩小了热管和蓄热容器壁温的波动范围,从而提高了吸热器工作的稳定性和可靠性;热管吸热器提高了PCM(相变蓄热材料)利用率,从而减轻了系统的质量;热管吸热器各蓄热容器内的PCM都能同步、均匀的熔化,从而避免热斑现象;热管吸热器各蓄热容器内的PCM能够同时凝固,从而避免热松脱现象。     

太阳能吸热器内超临界二氧化碳对流换热特性数值研究

为分析聚光太阳能热发电中吸热器内超临界二氧化碳（S-CO₂）在高温非均匀壁面热流密度分布下的对流换热特性，采用ANSYS Fluent软件建立了管排式吸热器的三维数值模型，对其中S-CO₂对流换热特性进行数值仿真，并考虑了吸热器与外界环境的辐射和对流换热，分析了吸热管半周均匀受热、半周周向均匀轴向高斯受热和半周周向余弦轴向高斯受热3种非均匀壁面热流密度分布的影响。仿真结果表明:外界环境的辐射和对流换热对吸热器壁面温度影响较大，相较于未考虑外界环境的辐射和对流换热，考虑辐射和对流换热的壁面最高温度下降6.84%；3种壁面热流密度分布中半周周向余弦轴向高斯受热的吸热器出口温度和壁面最高温度均最高，其壁面最高温度比半周均匀受热高353.4 K；非均匀壁面热流密度分布虽然对吸热器内流体流量分配不均匀性的改善不明显，但可明显削弱流量分配不均造成的各吸热管流体温度偏差的影响。     

周向非均匀热流边界条件下太阳能高温吸热管内湍流传热特性研究

周向非均匀高密度热流引发的过热问题一直影响着太阳能热发电站中高温吸热器的运行安全。该文建立了太阳能高温吸热管对流换热电加热实验台和数值计算模型,通过实验研究和模拟计算,研究了周向非均匀热流边界条件下吸热管壁温度分布规律。研究结果显示:周向非均匀热流边界条件下吸热管壁温度分布与截面圆心角余弦呈函数关系,实验测量结果与数值计算结果吻合较好;经典Dittus-Boelter公式仍可用于计算周向非均匀热流边界条件下吸热管内的换热计算,但不适用于管壁温度分布计算。文中给出了周向非均匀热流边界条件下吸热器管壁温度计算关联式。     

槽式太阳能腔体式吸热器热力性能分析

详述了适用于槽式太阳能中低温有机朗肯循环热发电系统的腔体式吸热器的结构形式和聚光原理;并应用TRACEPRO软件对该吸热器的光学特性进行了分析,证实了该吸热器能够可靠地接收太阳辐射;建立了该吸热器的二维稳态传热计算模型;选用R123作为工质,系统地分析了其在超临界工况下的辐照强度、工作压力、工质流量、环境风速以及保温层厚度等参数对热吸热器热力性能的影响规律。结果表明:吸热器在超临界工况下工作时,适当增加工质流量可以增大其吸热量并保证其安全稳定运行;增加入口压力会增加设备成本,并且不能提高吸热器的性能;合理的保温层厚度可以有效减少热损,使吸热器性能得到改善。研究结果可为设计和搭建腔体式吸热器实验台提供理论参考。     

变负荷条件下太阳能吸热器内非稳态流量分配计算模型

针对变负荷条件下太阳能水工质吸热器内出现的流量分配不均现象,建立用于分析非稳态条件下并联管内流量分配特性的计算模型。该模型通过在离散控制方程中引入时间项计算在云层遮挡、昼夜变换等变负荷条件下吸热器内工质参数的非稳态变化过程;通过对集箱及各支管内的流动区域进行统一的网格划分和耦合求解,考虑了表面热流分布和集箱-支管结构对流量分配的综合影响。利用现有文献中的实验数据对模型进行了验证。利用模型研究了非均匀热流分布对吸热器内流量分配的影响,模拟了入口压力、入口温度、表面热流密度等发生阶跃扰动后吸热器内流量分配特性的动态变化,发现在非稳态过程中各支管流量分配往往会出现急剧恶化,给吸热器正常运行带来极大安全隐患。     

先进太阳能热动力发电系统热管吸热器空穴热性能分析

通过对先进太阳能热动力发电系统单元热管吸热器进行研究,建立了相应的数学模型,给出了数值解法,运用计算流体力学软件对其进行了数值计算,得出单元管上蓄热容器的温度场,对其空穴热性能进行了分析,并将计算结果同国外相关实验结果进行了比较。计算结果表明,日照期内,靠近容器两侧壁的PCM（phase change material）首先熔化,并逐渐沿轴向向内推进,由于空穴热阻远大于容器侧壁热阻,因此容器侧壁在整个PCM容器的换热过程中发挥了重要作用;阴影期内,容器中的温度分布都是从中心到外部降低,空穴的存在使得容器的蓄热能力降低,有空穴时容器各处的温度较低。空穴的存在影响着PCM相变的进程,PCM区温度梯度有空穴较无空穴时显著得多,可能导致该处热应力过大,从而降低其使用寿命。     

周向非均匀热流边界条件下混合熔融盐在太阳能高温吸热管内的强化换热研究

周向非均匀高密度热流引发的过热问题一直影响着太阳能热发电站中高温吸热器的运行安全,混合熔融盐作为高温传热工质的引入使得这一问题更加严峻。该文建立了混合熔融盐在太阳能高温吸热管内对流换热与强化换热数值计算模型,研究了周向非均匀热流边界条件下混合熔融盐在光滑管与强化换热管内的换热性能。结果显示:内插螺旋纽带强化换热方式对周向非均匀热流边界条件下吸热管的管壁温度和管内流体温度分布均匀性有明显改善。间隙率C与扭曲率y的减小都有助于强化换热效果的增加,特别是C=0,即内插纽带完全接触管壁时,强化传热效果最为显著,但与此同时小的间隙率与扭曲率也造成阻力系数的增大。     

云遮挡条件下熔融盐吸热管防护的数值模拟

基于吸热器单管模型,采用Fluent数值软件模拟研究云遮挡发生时及防护后,不同热流密度、熔融盐流速、表面对流换热系数吸热管温降特性的影响。研究结果表明：辐射热流密度对于熔盐吸热管壁面温度降低至接近凝固点的时间影响有限;对流换热系数越大越容易出现熔盐凝固;熔盐进口流速越低,熔盐出口温度降低至接近凝固点的时间越长;单根吸热管壁面温度下降至熔盐最低使用温度时间约为20 s,采用加装防护装置及降低熔盐进口流速相结合的防护策略,可将其时间延长近6倍,最长延缓至143 s。     

云遮挡条件下熔融盐吸热管防护的数值模拟

基于吸热器单管模型,采用Fluent数值软件模拟研究云遮挡发生时及防护后,不同热流密度、熔融盐流速、表面对流换热系数吸热管温降特性的影响。研究结果表明：辐射热流密度对于熔盐吸热管壁面温度降低至接近凝固点的时间影响有限;对流换热系数越大越容易出现熔盐凝固;熔盐进口流速越低,熔盐出口温度降低至接近凝固点的时间越长;单根吸热管壁面温度下降至熔盐最低使用温度时间约为20 s,采用加装防护装置及降低熔盐进口流速相结合的防护策略,可将其时间延长近6倍,最长延缓至143 s。     

塔式太阳能发电多孔介质吸热器动态模型

塔式太阳能发电多孔介质空气吸热器吸热表面温度变化率与吸热器的最大热应力成正比,出口空气温度的动态特性与发电系统的功率特性直接相关。建立多孔泡沫陶瓷吸热器传热传质非稳态模型,利用实验数据建立容积对流换热系数模型,并应用数值方法求解非稳态模型。研究投入热流密度和空气入口流速阶跃后吸热表面固体骨架温度和出口空气温度的动态变化特性。研究结果可以为该类型吸热器的设计和优化控制提供参考。     

基于相变材料的方形动力电池散热模拟研究

首先对电池的产热方式进行了分析,然后根据相变问题求解焓法模型以及相关热传导理论,建立了基于相变材料的方形单体电池散热三维热模型。在此模型基础上结合方形电池表面的外形结构,分析了不同相变材料结合方式,不同相变材料用量以及不同表面换热系数对电池工作温度的影响。研究表明:在电池四周包裹相变材料比只在两侧结合的方式具有更好的降温能力,但是两侧结合具有更小的温差;相变材料厚度3 mm或对流换热系数达到21 W/(m~2·K)时,可以使电池的工作温度始终低于50℃,但是继续增大数值取得的效果不明显。     

用于寒区心墙冬季施工的相变黏土热学性能研究

寒区土石坝心墙土料冬季施工经常会受到冻融问题的困扰,而常规保温措施会干扰施工过程,且施工有效时间较短.相变黏土(PCM-clay)可在不干扰正常施工的条件下防止心墙土料发生表层冻结,从而延长寒区土石坝冬季施工时间.在相变黏土的防渗、强度等性能符合心墙功能的前提下,本文对其热学性能进行研究,分析了相变材料(PCM)掺量对...     

高温热管太阳能接收器的可靠性比较

接收器是碟式太阳能热发电系统的核心部件,为太阳能/电能的转换提供吸热传热功能。介绍了几种高温热管接收器的结构,针对高温太阳能热利用的特点,提出了高温热管太阳能接收器的可靠性评估模型,比较组合式高温热管接收器与典型高温热管接收器的可靠性和寿命。结果表明:在热管单体故障率相同的情况下,组合式高温热管接收器具有更高的可靠性,因此具有更长的使用寿命,可以适应碟式太阳能热发电系统的运行需求。     

松铺覆盖下心墙相变土防冻控温性能试验研究

高黏土心墙堆石坝在负温条件下施工,心墙土料会因短时冻结或冻融而引起压实性能降低,诱发冻胀、融沉、开裂等结构病害,造成强度损失和防渗性能的劣化。常规覆盖保温措施对心墙施工干扰严重,难以实现负温下连续施工,易使工期延长。本文采用黏土中掺入相变材料（phase change material,PCM）作为心墙土料,考虑上层松铺土料覆盖,深入研究下层压实相变黏土料的防冻控温效果。首先通过热学试验,分析了PCM掺量对热学参数的影响机制,并验证了导热系数均质化等效模型的有效性。然后通过控温试验,分析了松铺相变黏土的传热及保温效果。在48 h典型环境温度下,松铺覆盖下4%和8% PCM掺量的相变黏土可施工时间分别延长了22.6 h和24.9 h,在4% PCM掺量下能够达到45.8 h的连续有效施工时长,在8% PCM掺量下可保证连续两天正温下施工。可见,相变材料掺混和上层松铺覆盖结合的防冻控温措施为延长心墙土料冬季施工时间、加快施工进度提供了理论依据和潜在技术途径。     

用相变材料降低大体积混凝土内部温升的研究

为了探讨预填埋相变材料(PCM)对降低混凝土内部温升的效果和影响趋势,采用半绝热测温装置研究了在不同PCM填埋量下,水泥净浆、砂浆、混凝土内部温度的变化;根据PCM在不同温度阶段的吸热特点,推导了混凝土最高绝热温升、温升降低幅度与PCM填埋量和相变性能的关系表达式.研究结果表明:PCM的填埋量越大,混凝土内部温峰降低幅度越大,温峰出现时间越迟.单位混凝土中水泥用量越高,相应填埋比例的PCM对内部温升的降低幅度越大;混凝土中水泥用量为100～400kg/m~3,PCM预填埋量为水泥重量的10%时.混凝土绝热温升降低0.87～6.17℃,降低幅度为5.0%～8.9%.     

半导体制冷-相变材料保温的电池组热管理

为提高户外基站备用电池组的工作性能、延长使用寿命,需要进行冷却和保温。将半导体制冷(TEC)与相变材料(PCM)保温相结合,对基站用48 V铅酸电池组进行热管理。模拟分析TEC的布置、制冷功率和环境温度对冷却保温效果的影响。TEC设置在电池组前后两侧、制冷功率为170 W时,可降低电池的温度、提高冷却阶段电池组温度场的一致性、延长保温时间。电池组经过连续的冷却保温过程,仍处于最佳工作温度范围,电池充放电时的最高温度可得到抑制。     

Energy efficient thermal management of electronic components using solid-liquid phase change materials

Energy efficiency is becoming a key issue in the development of thermal management devices. To this end, thermal performance of plate fin and pin fin heat sinks incorporating a solid-liquid phase change material (PCM) has been evaluated, under periodic power inputs simulating actual heating conditions. Experiments were performed using Wood's metal (50Bi/27Pb/13Sn/10Cd, melting point: 70.0/spl deg/C) under forced convection in a wind tunnel, and also with an integrated fan. A periodic on/off power of 35 W and constant air velocities in the range of 0.5-1.5 m/s were examined. Three different periodic power patterns were utilized. A thermal stabilization period was observed during the phase change from solid to liquid, during which the temperature rise was arrested. The resulting extended operating period, prior to reaching a prescribed maximum temperature, resulted in an improvement in the allowable passive thermal operation time of the heat sinks. The experiments for fan-cooled heat sinks showed that energy savings by using PCM heat sinks were in the range of 5.4-12.4%. Computational predictions were performed using an implicit enthalpy-porosity approach, and were in good agreement with experimental data.     

新型平板热管相变蓄热器蓄放热性能分析

采用石蜡作为蓄热换热介质,将新型平板热管作为换热元件以强化换热,并在平板热管两侧平面添加纵向翅片,设计了一套热管式相变储热换热器实验装置,对相变蓄热换热器的蓄、放热特性进行了实验研究。测定了石蜡的温度分布随时间变化的规律;改变充、放热流体工况,分析了不同流量和流体温度对蓄放热过程的影响。通过分析发现,新型平板微热管阵列在相变蓄热器的蓄放热过程很好地发挥了强化传热元件的作用,蓄热过程中,传热流体温度越高,相变材料的熔化速率也越大;放热过程中,相同的流体温度下,随着流体流速的增大,蓄热器的放热速率逐渐增加。实验结果表明,新型平板热管蓄热器蓄放热效果良好。