风光互补利用的热泵系统的理论设计与性能分析.ppt

* 先介绍一下平板太阳能集热器的构造。平板集热器由。。。核心构件是吸热板，吸热板吸收太阳辐射通过导热将能量传给流体管道中的水；同时吸热板温度升高，要向环境散热。本课题的研究就是要优化吸热板的传热性能 * 优化思路。现在的吸热板的厚度都是均匀的，我考虑在铜材总量一定的情况下，使吸热板厚度连续变化，在导热任务大的地方布局更多的铜；理论方面，前人只是应用。。。而我。。。 * 分析基于导热方程。先介绍吸热板二维导热模型。太阳辐射等效为内热源，散热损失等效为内热汇，吸热板的导热过程可以简化为。。。 * 先读公式，Tp是吸热板温度，Ta为固定的环境温度，UL为热损系数，包括辐射热损、对流热损以及可以忽略的隔热层导热 * 讲坐标系、计算域 * 流体流过管道火积有增量，伙计增量不仅可以表征传热量，还可以表征热水品位。流体火积增量由吸热板边界的火积流传递得到，而吸热板边界火积流又可以转化为三项，一项是太阳辐射产生的辐射火积流，减去吸热板导热火积耗散，再减去散热损失的火积流。我们的优化目标是使流体的火积增量最大，也就是要使太阳辐射火积流减去导热火积耗散再减去散热损失的火积流最大 * 接下来就建立了约束极值问题。优化目标已经讲过，约束条件有二，一是导热微分方程，二是铜板总体积一定。通过拉格朗日乘子法消去约束条件得到泛函，求变分得到优化准则，结论是：温度梯度场均匀，导热性能最佳。要强调理论工作与前人的不同 * 优化迭代步骤 * 用fluent及udf功能作温度场模拟和优化 * 这张表是风速3m/s情况下的优化结果，首先给出了优化前后的流体出口温度、吸热板平均温度与环境温度之差，eita是集热器效率，定义为流体获得的能量除以太阳辐射总量；G是流体获得的火积 各增加多少。注意，等效均匀厚度的定义，那么反过来说经过优化可以节省铜材30% * 以上是单一工况 * 报告人：李秦宜，清华大学航天航空学院 导师：张兴 教授 2013-4-20 * 研究背景和优化思路 平板集热器的传热模型 吸热板的火积理论分析和优化 数值模拟与结果分析 总结与讨论 2013-4-20 * 太阳能热利用是常见的可再生能源利用方式, 是实现节能降耗和可持续发展的重要途径 平板型集热器是世界上应用最广的光热系统核心部件，成本占光热系统的60%以上 研究目的：应用火积理论分析和优化平板太阳能集热器的传热性能，提高能源利用效率，降低成本 另一方面：探索在辐射、导热、对流混合换热系统中应用火积理论优化的分析方法，增加一个火积理论优化实际工程问题的实例 2013-4-20 * 2013-4-20 * 前人研究 2013-4-20 吸热板厚度均匀 应用火用理论计算火用效率，选择工况参数 厚度连续变化， 铜材总量一定 应用火积理论优化吸热板厚度布局，使其传热性能最优 本课题优化思路 * 2013-4-20 二维、稳态、热导率恒定、厚度连续变化、内热源S、内热汇QLoss kp: 铜热导率；tp(x,y): 吸热板厚度；Tp(x,y): 吸热板温度； S: 太阳辐射；QLoss(x,y): 散热损失 * 2013-4-20 环境温度 热损系数=辐射热损+对流热损+隔热层导热 吸热板温度 小物体在大空间中的辐射散热 与风速有关的经验公式 极小 内热汇随温度变化，是场函数 * 2013-4-20 0 W=0.2m L=2m Y X X=0: 对称边界 X=W: 对流换热边界 Y=0, Y=L: 通过隔热层导热向环境散热 流体温度Tf通过微元能量方程计算 对流换热系数通过经验公式计算 隔热层导热系数只与物性有关 * 2013-4-20 0 W=0.2m L=2m Y X 火积流 流体火积增量——可以表征热水品位 最大 吸热板边界火积流 导热火积耗散 太阳辐射火积流 导热微分方程×Tp，得到 散热损失的火积流 * 优化目标 2013-4-20 约束条件 导热微分方程+铜板总体积一定 建立泛函 温度梯度场均匀，导热性能最佳 Max(太阳辐射火积流-导热火积耗散-散热火积流) * 2013-4-20 迭代收敛 迭代未收敛 得到优化厚度场 * 数值计算方法 采用Fluent12.1 导热微分方程的数值离散采用QUICK格式 收敛性判别标准ε=1×10-7 复杂内热源及边界条件的设置、优化方程的求解使用Fluent12.1提供的UDF功能 2013-4-20 * 考虑了恒定内热源S、简化边界条件(三边绝热、一边对流换热)、均匀厚度的简化模型，其温度场有解析解 2013-4-20 * 2013-4-20 温度场数值解云图 温度场解析解云图 单位: K 单位: K 0 W=0.2m L=2m Y X * Tout(℃) Tpm-Ta(℃) η(%) G(×104W-K) 平均厚度(mm) 等效均匀厚