基于AMTEC太阳能热发电的毛细芯蒸发器内的热质传输特性

论文摘要

基于CPL原理的碟式太阳能AMTEC热发电系统具有无运动部件、无噪音、无需维护、工作可靠、高效洁净、功率密度高、结构灵活、控温能力强等特点。蒸发器作为整个AMTEC回路的动力源和太阳能能量接收器,其设计和运行显得至关重要。寻找改善蒸发器性能的相关参数,对多孔芯蒸发器进行优化,从而为AMTEC的推广应用,特别是对基于AMTEC的碟式太阳能热发电系统的应用和设计有着重要的意义和价值。本课题对基于AMTEC的碟式太阳能热发电系统的毛细抽吸回路蒸发器内的热质传输过程建立轴对称恒温相变模型,借助数值模拟手段,求解多孔芯区及液体通道区热质传输控制方程,得到工质钠在毛细多孔芯中的流动与传热特性,分析工质流量、入口温度、多孔芯厚度、孔隙率和有效孔径等参数对压力、速度和温度分布的影响;同时对其他几种碱金属工质如钾,钠钾合金等的传输特性进行比较。此外还分析了插管的长度、管径、热阻和工质流量等参数对毛细多孔芯及液体通道内压力、速度和温度分布的影响。研究结果表明:(1)降低AMTEC冷凝器出口温度,减小长径比和增大流量都可以降低多孔芯内表面的温度;多孔芯内工质只沿径向流动且其速度在轴向上大小基本相同。当物性及多孔芯结构确定后,多孔芯内的压降仅与流量成正比关系;增加孔隙率可降低多孔芯内压降,也会升高液体通道内温度;减小多孔芯的有效直径,可以提高毛细芯最大毛细抽吸力,但同时也会明显增加多孔芯内的压力损失;多孔芯的有效孔径存在一个适用范围。和水、氨等传统工质相比,以碱金属为工质的毛细多孔蒸发器液体通道内的温度更加接近外表面饱和温度,不利于蒸发器的运行。(2)将进液管插入蒸发器液体通道中,可改善蒸发器的工作性能,不仅可以使多孔吸液芯内表面温度更加均匀,而且还可以降低多孔吸液芯内表面的最高温度,改善蒸发器的工作环境。插管对液体通道内流动分布影响较大;而对于多孔芯内的流动影响很小。随着插管结构的变化,多孔芯内表面及液体通道内流体温度分布发生变化,特定工况下存在最适宜的插管结构,使得多孔芯液体通道内的分布最为均匀,不同工况具有不同的最适宜插管结构;使用不合适的插管会加剧液体通道及多孔芯内表面温度分布的不均匀性,提高多孔芯内表面的最高温度。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 基于AMTEC 的碟式太阳能热发电系统综述
• 1.3 AMTEC 研究现状
• 1.3.1 AMTEC 国外研究现状
• 1.3.2 AMTEC 国内研究现状
• 1.4 CPL 研究现状
• 1.4.1 CPL 国外研究现状
• 1.4.2 CPL 国内研究现状
• 1.5 本课题的研究目的与内容
• 2 物理数学模型
• 2.1 物理模型及相关假设
• 2.2 数学模型
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 边界条件
• 2.2.3 数值求解
• 2.3 计算条件
• 2.3.1 工质选取
• 2.3.2 多孔芯蒸发器结构参数选取
• 2.3.3 换热模型选取
• 2.4 网格无关性验证
• 2.5 模型验证
• 3 数值模拟结果及分析
• 3.1 无插管多孔芯蒸发器内的传热与流动
• 3.1.1 不同有效导热系数模型对多孔芯内传热与流动的影响
• 3.1.2 不同工况对多孔芯内传热与流动的影响
• 3.1.3 多孔芯结构对多孔芯蒸发器内传热与流动影响
• 3.1.4 工质种类对多孔芯蒸发器内传热与流动影响
• 3.2 有插管多孔芯蒸发器内的传热与流动
• 3.2.1 管壁热阻对多孔芯蒸发器传热与流动影响
• 3.2.2 插管长度对多孔芯蒸发器传热与流动影响
• 3.2.3 插管管径对多孔芯蒸发器传热与流动影响
• 3.2.4 工质流量对多孔芯蒸发器传热与流动影响
• 4 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表论文目录
• B. 作者在攻读硕士学位期间的获奖情况