哈尔滨工业大学本科论文开题报告讲解

1、0 W/Y HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY I1本科毕业论文（设计）开题报告论文题目 以纳米流体为工质的抛物面槽式太阳能集热器 的研究班级 1201301姓名 巩向涛院（系）汽车工程学院导师王富强开题时间2015年12月25日1 .课题研究的目的和意义能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。纵观人类社会发展的历 史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。能源的开发利用极 大地推进了世界经济和人类社会的发展。太阳能以其储量的无限性、开发利用的清洁性，成为21世纪解决开发利用 化石能源带来的能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径之一 7, 8。太

2、 阳能资源的利用按照能量转化方式可以分为光热转换利用、光电转换利用和光化 学转换利用。其中，太阳能热动力发电是太阳能光热转换的有效途径之一，它 具有清洁、无污染等优点。但是由于太阳能资源具有能流密度低，易受到昼夜、 季节、和地理纬度等因素影响的缺点，必须通过聚集技术将低热流密度的太阳辐 射聚集起来，形成高汇聚的太阳能热流以实现降低热损失和高效的能源利用。传 统的太阳能热动力发电系统包括发电子系统、传热和蓄热系统、集热子系统。集 热子系统由聚光系统、吸热器和跟踪系统等部件构成。太阳光辐射经过聚光系统 汇聚后形成了高倍汇聚的太阳能辐射能，照射到安装在聚光系统焦平面处的吸热 器上，加热吸热管内的换热

3、流体，产生热水或蒸汽驱动发动机，进而带动电机产 生电能。由于受昼夜、季节、地理纬度和天气变化等因素的的影响，太阳能的热利用 具有显著的间断性和不均匀性，导致太阳能吸热器承受反复高温差的热冲击循 环，吸热器容易受到高的热应力并引发吸热器玻璃管罩破裂以及吸热器的弯曲变 形并最终失效。如：墨西哥国立大学太阳能热发电站在实验和运行中，多次发 生不锈钢管式太阳能吸热器的大弯曲变形并引发玻璃罩破裂的事故9-14;美国 SolarOne电站和西班牙CESA - I电站都发生过热应力引起吸热器的失效而导 致太阳能热动力发电站停止运行的事故15。因此，开展对太阳能聚集系统吸热器 的温度场、热应变以及热应力场特性

4、的研究，对防止太阳能热发电系统在实际运 行过程中运行温度过高以及抑制热应变和热应力产生具有重要的指导意义，同时 也能为研究太阳能高温热利用过程中热、力学行为提供理论基础。1.1抛物面槽式太阳能吸热系统的介绍抛物面槽式集热器主要由抛物面反射镜、集热元件、金属支撑机构和驱动机 构四部分组成的。其中，集热元件是实现光热转换的重要部件。集热元件由外壁 涂有吸收涂层的金属吸收管（以下简称金属管）以及套在金属管外的玻璃管组成， 两端采用金属密封头密封。玻璃管外壁涂有增透涂层，能够使绝大部分太阳光线 通过玻璃管;内壁涂有防增透涂层，能够隔绝绝大部分热辐射能量。金属管与玻璃 管之间的空间为真空区域。集热元件位

5、于反射镜的焦线上,吸收反射镜反射的太 阳光。太阳光进入集热器反射镜开口,经过反射镜的反射汇聚到位于焦线上的集热元件。太阳光线首先接触到玻璃管外壁，绝大部分光线在增透涂层的作用下通 过玻璃管到达金属管。金属管吸收太阳辐射能温度升高，经过金属管壁的导热，与 其中的导热流体进行对流换热,最终把太阳辐射能转化成导热流体的热能。在实 际运行中,随着时间变长，集热元件的真空区域可能进入气体。由于气体的存在导 致集热器热效率降低。抛物面槽式太阳能吸热系统示意图选择性换热管工作示意图1.2纳米流体与强化换热20世纪90年代以来，研究人员开始探索将纳米材料技术应用于强化传热领 域，研究新一代高效传热冷却技术。1

6、995年，美国Argonne国家实验室的Choi 等人首次提出了一个崭新的概念一纳米流体。纳米流体是指把金属或非金属纳米粉体分散到水、醇、油等传统换热介质中， 制备成均匀、稳定、高导热的新型换热介质，这是纳米技术应用于热能工程这一 传统领域的创新性的研究。纳米流体在能源、化工、汽车、建筑、微电子、信息 等领域具有巨大的潜在应用前景，从而成为材料、物理、化学、传热学等众领域 的研究热点。2 .国内外研究现状2.1吸热器的温度场研究现状美国科罗拉多州立大学的Harris等于1985年采用理论分析的方法对圆 柱形、平顶锥形、椭圆形、球形及复合平顶锥形腔体式太阳能吸热器在工作温 度范围为550 900

7、C时的热性能及热损失进行了分析，分析过程中考虑了六种热损失：抛物型碟式及槽式聚光系统的镜面反射损失、镜面误差损失、吸热 器内部高温热辐射和反射损失、吸热器开口处的对流换热损失及吸热器壁面与 保温层的导热损失19。西班牙的M.I. Roldan等人通过CFD软件Fluent对采用 过热蒸汽条件下抛物槽式太阳能聚光系统的吸热器管壁的温度场分布进行了模 拟研究，并通过实验测量对模拟结果进行了验证。2008年，德国航天中心的Lupfert等采用14支测量精度为土2.5K的铠 装热电偶对长度为4m的铜质管式太阳能吸热器的热性能进行了研究：管式太 阳能吸热器的直径为50mm，外层敷5mm厚的岩棉保温层；加

8、热功率为5900W 的电加热器插入管式太阳能吸热器的内部进行加热；吸热器内部流体为导热油 (Syltherm 800)，流体的流速测量采用涡街质量 流量计如。所有的实验都是基 于热平衡条件下进行测试的，在测试的过程中没有考虑到辐射换热损失。2009 年，西班牙Villar等基于微小体积内的能量与质量守恒原理开发了一种新的 三维瞬态数学模型来计算平板式太阳能集热器的热效率；这种新模型不但考虑 了材料物性随温度变化的特性，而且还考虑了太阳能集热器与蜂窝状保温层之 间的隔热性能对太阳能集热器热效率的影响；为了验证模型的可靠性，Villar 等还分析了不均匀流速工况下的平行管式太阳能集热器的热效率，并

9、将计算结 果与实验结果进行对比分析21。2.2吸热器的热应力场研究现状2014年，中国科学院的吴志勇等人采用商业软件Fluent与Ansys联合计 算的方法对管式太阳能吸热器及玻璃罩的热应力及热变形进行了数值分析1； 在分析过程中首先通过MCRT法获得管式太阳能吸热器的外表面受到的太阳能 总辐射热流，再通过商业软件Fluent模拟获得吸热器的温度场分布，最后将 Fluent计算得到的网格节点温度场导入到Ansys中，并作为管式太阳能吸热器 热应力分析的温度载荷，计算获得热应力场的分布。管式太阳能吸热器中的玻 璃罩与金属管连接密封节的破裂是引起槽式太阳能热动力发电站事故的主要原 因之一，而密封节

10、在制造过程中由于冷却工艺而产生的残余应力 降低了密封节 的强度并容易引发密封节的损坏。中科院电工所的王志峰等于2010年采用商 业软件 Ansys 对密封节的残余应力进行了分析，并将数值模拟结果与实验结果 进行了对比验证；为了提高密封节的可靠性，王志峰等采用有限元法对玻璃 罩、金属管及连接密封节进行了优化设计，优化设计结果显示随着玻璃罩与 金属管的接触面积的增大，密封节的残余应力降低，密封节的强度增大22。Verlotski等采用实验的方法对管式太阳能吸热器的热应力影响因素进行了 分析，实验结果表明通过控制流体流速和采用新型合金材料可以有效的降低 管式太阳能吸热器的热应力22。墨西哥国立大学的

11、槽式太阳能发电站中的管式 太阳能吸热器在实验和运行过程中多次发生了吸热器的大变形及损坏，并导致 了玻璃罩的破裂，引起太阳能发电站的停产等事故。为了解决由于吸热器在运 行过程中受到热流密度不均匀而引起高热应力的情况，Almanza和Flores等提出了采用铜管式太阳能吸热器替代不锈钢管式太阳能吸热器，并提出了一种 铜-不锈钢双层管式太阳能吸热器；实验结果表明，铜-不锈钢双层管式太阳 能吸热器能够有效的解决管式太阳能吸热器在实验和运行中发现的大变形现象 3。2.3强化换热管的研究现状作为强化换热管的一种，波纹管具有良好的强化换热的作用，随着工业不 断发展，对换热器换热效率的要求越来越高，波纹管作为

12、一种高效的强化换热 元件已越来越引起国内外学者的重视。Rainieri等在雷诺数90-800范围内实验研究了轴对称和螺旋状的波纹管入 口段的传热性能的阻力性能。实验数据表明螺旋波纹管的径向涡组分能够有效 地强化换热23。Barba等在雷诺数100-800范围内实验研究了一种波纹管中单相 流的传热和阻力性能，流动工质是高粘性的牛顿流体。结果发现波纹管相比于 直管的努塞尔数有了显著提高，同时摩擦系数也增加1.53-2.45倍2。Pethkool 等通过实验研究了波纹管内单相湍流强化对流换热。考虑三种波距与管径比和 三种肋高与管径比对波纹管强化传热的影响。水作为实验介质，雷诺数范围 5500-600

13、00。实验结果表明努赛尔数，摩擦系数和热性随着波距和肋高的增加 而增加。在低雷诺数和高雷诺数时，最大的换热因子所需的结构尺寸不同四。Laohalertdecha和Wongwises对R-134a在光管和波纹管中的蒸发和凝换 热 做了系统的实验研究，包括雷诺数、波距、波深、饱和温度、加热功率等因素 对传热性能和阻力性能的影响。当发生冷凝换热时，实验结果表明平均传热系 数和阻力降随着质量流量和平均冷凝量的增加而增加，波距和波深对传热性能 有明显的影响，具体表现为努赛尔数随着波距的增加而减小，而随着波深的增 加而增加；但是波距和波深对两相阻力性能的影响并不明显。波纹管的传热系 数和阻力降最高比光管能

14、够增加50%和70%。当发生蒸发换热时，实验结果表 明努赛尔数和阻力降随着平均蒸发量和雷诺数的增加而增加。波距对努赛尔特 数的影响在低平均蒸发量时不明显，而对阻力降的影响在所有实验条件下增加 都不明显。与光管相比，波纹管的传热系数增加大约0-10%，而两相摩擦因子 增加 70-140%26。本课题的研究内容及技术方案a）用商业软件Fluent对以纳米流体为工质的吸热器模型的温度分布特性进 行数值模拟研究；b）改变吸热器管内流体的雷诺数，研究雷诺数变化对吸热器上的温度分布 特性的影响规律，并拟合出相应的计算关联式。c）以Fluent分析获得的温度场分布作为ANSYS热应变分析的温度荷；并 对不同

15、雷诺数下吸热管上热应变特性进行研究。将特殊的换热结构（如横纹槽管 等）与太阳能吸热器结合起来，研究太阳能吸热器的温度场分布特性；研究以不同性质的纳米流体为工质的太阳能吸热器的换热特性和热应变 特性；e）将Fluent获得的温度场数据，导入ANSYS进行热应变分析。研究不同 纳米流体为工质的吸热管热应变特性变化规律。本设计的特色吸热器是太阳能热动力发电系统中的最主要关键部件之一，吸热器效率的 高低与运行的可靠性，对整个系统有着重要的影响。由于吸热器的表面受到聚光 系统汇聚后的非均匀热流密度的特点，吸热器容易承受高的热应力并引发玻璃管 罩的破裂及吸热器的弯曲并最终失效。当前的研究主要集中在改变吸热

16、管的支撑 方式，改变管道材料，本研究将着重分析不同雷诺数情况下圆管式太阳能吸热器 的温度场与热应力场分布特性的变化规律，研究其变形与失效的原因。当前文献研究表明，对于抛物面槽式太阳能聚光系统，强化换热的主要方式 是采用换热性能好的工质和改变管道材料，而使用强化换热管和使用纳米流体做 为工质的研究较少，本设计创新性地将抛物面槽式太阳能吸热系统，强化换热管， 纳米流体三者结合在一起进行研究，探索强化换热和提高可靠性的方式。进度安排第一周到第四周:了解抛物面槽式太阳能集热器的工作原理，纳米流体的性质，各种强化换热管的机理以及查阅课题相关资料并写好开题报告；第五周到第八周:整理文献，分析当前研究现状，

17、学习ANSYS fluent等相关商业软件进行初步数值模拟研究；第九周到第十二周:根据初步数值模拟研究得出的结果进行进一步深入研究，研究使用不同的纳米流体的强化换热特性以及不同的强化换热管的特性；第十三周到第十七周:根据研究的结果分析，必要时进行补充研究和实验；第十八周:整理有关设计资料、毕业设计总结，完成毕业论文，并为答辩做准备；6.参考文献Wu Z et al. Three-dimensional numerical study of heat transfer characteristics of parabolic trough receiver J. Applied Energy,

18、2014, 113: 902-911.Wu Z et al. Structural reliability analysis of parabolic trough receivers J. Applied Energy, 2014, 123: 232-241.王富强.太阳能多碟聚光系统聚集特性及吸热器光热力特性D.哈尔滨工 业大学,2012.M.I. Roldan et al. Thermal analysis of solar receiver pipes with superheated steam J. Applied Energy, 2013, 103: 73 - 84.韩怀志.波节

19、管换热器流动与传热特性的数值模拟及实验研究D.哈尔滨 工业大学,2012.Wang F et al. Thermal stress analysis of eccentric tube receiver using concentrated solar radiation J. Sol Energy, 2010, 84(10): 1809-15.国家自然科学基金委员会工程与材料科学部.工程热物理与能源利用学科发 展战略研究报告(20112020) M.北京：科学出版社,2011.Christos C. Agrafiotis，Chrysoula Pagkoura, Souzana Lorentz

20、ou, et al. Hydrogen Production in Solar Reactors J. Catalyst Today， 2007, 127: 265-277.R.F. Almanza et al. Receiver Behavior in Direct Steam Generation with Parabolic toughs J. Solar Energy, 1997, 61: 275-278.A. Valdes et al. Mathematical Model for Direct Steam Generation in Parabolic Trough Collect

21、ors with Compound-Wall Receiver J. Proceedings of the Annual Conference: American Solar Energy Society, USA, 1998:271-275.R.F. Almanza et al. DSG under Two-Phase and Stratified Flow in a Steel Receiver of a Parabolic Trough Collector J. Journal of Solar Energy Engineering, 2004, 124: 140-144.R.F. Al

22、manza et al. Compound Wall Receiver for DSG in Parabolic Troughs.Proceedings of the 10th International Symposium of Solar Thermal Solar PACES, Australia, 2002: 131-135.V.C. Flores et al. Behavior of Compound Wall Copper-Steel Receiver with Stratified Two-Phase Flow Regimen in Transient States When S

23、olar Irradiance is Arriving on One Side of Receiver J. Solar Energy, 2004, 76: 195-198R. Tchinda. Thermal Behavior of Solar Air Heater with Compound Parabolic Concentrator. Energy Conversion and Management, 2008, 49(4): 529-540.J.M. Lata et al. High Flux Central Receivers of Molten Salts for the New

24、 Generation of Commercial Stand-Alone Solar Power Plants J. Journal of Solar Energy Engineering, 2008, 130(2): 021002.H. Klaisz et al. Solar Thermal Power Plants for Solar CountriesTechnology,Economics and Market Potential J. Applied Energy, 1995, 52(3): 165-183.N.S. Kumar et al. Thermal Analysis of

25、 Solar Parabolic Trough with Porous Disc Receiver J. Applied Energy, 2009, 86: 1084-1112.X. Li et al. Thermal Model and Thermodynamic Performance of Molten Salt Cavity Receiver J. Renewable Energy, 2010, 35: 981-988.J.A. Harris et al. Thermal Performance of Solar Concentrator/Cavity Receiver Systems

26、 J. Solar Energy, 1985, 34(2): 135-142.E. Lupfert et al. Experimental Analysis of Overall Thermal Properties of Parabolic Trough Receivers J. Journal of Solar Energy Engineering, 2008, 30: 021007.N.M. Villar et al. Numerical 3D Heat Flux Simulations on Flat Plate Solar Collectors J. Solar Energy, 20

27、09, 83: 1086-1092.J. Llorente et al. A New Solar Concentrating System: Description, Characterization and Applications J. Solar Energy, 2011, 85(5): 10004006.A. Barba, S. Rainieri, M. Spiga. Heat transfer enhancement in a corrugated tube J. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2002, 29(3): 313-322.S. Rainieri, G. Pagliarini. Convective heat transfer to temperature dependent property fluids in the entry region of corrugated tubes J. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2002, 45(22): 4525-4536.S. Pethkool, S. Eia