（化学工程专业论文）太阳能烟囱强化海水蒸发过程的实验与理论研究.pdf

中文摘要 太阳能烟囱发电技术和太阳能海水淡化技术是可再生能源领域中两个研究 热点，由于其在技术或经济上的不可行性，结合这两项技术提出了太阳能烟囱综 合利用海水系统。利用太阳能烟囱强化海水蒸发，在烟囱基部形成强大的饱和湿 润气流，通过冷凝途径获取气流中的水分，冷凝余热或冷凝淡水用于风力或水力 发电，实现发电、海水淡化等于一体的经济可行性系统。 本文针对太阳能烟囱强化海水蒸发过程进行了实验和理论研究。首先通过洞 道干燥实验，研究了气流的温度、速度及多孔材料在独立情况下对蒸发的影响。 在此基础上搭建了两套小型实验装置，研究了系统内气流的温升和湿含量。由于 小型系统水体的蓄热能力差，不能昼夜工作，因此组建了中型实验装置，对系统 在阴、晴天的气流温升、湿含量及蓄热水体的温度变化进行了实验研究。为深入 了解系统的传热机制，进行了系统的传热过程分析。同时为进一步了解系统微观 的传热、传质的规律，从而寻求系统的放大理论依据，通过商用软件f l u e n t 进 行了数值模拟。 洞道实验结果表明：温度是影响蒸发的重要因素，温升越大，蒸发越快；气 流速度在一定范围对蒸发有益；多孔材料对蒸发具有很强的促进作用，但同时也 随着多孑l 材料的材质、放置方向、多少有一定的影响。太阳能烟囱强化海水蒸发 的小型实验装置的研究表明：气流中的湿含量较小，当加入多孔材料时气流基本 达到饱和。中型实验装置的研究表明：系统内气流在流动过程中获得较大的湿含 量，水体具有很强的蓄热能力，同时在横向不同位置、纵向不同深度上存在一定 差别，系统不仅能够昼夜持续工作，在阴天情况下也能实现强化蒸发的目的。对 系统的热网络分析表明：水面的蒸发散热远大于气流中绝干空气的温升需要的热 量，系统内集热大棚与天空的辐射散热和环境的对流散热是系统热损的主要部 分。最后的数值模拟结果表明：由于模型简化的一些假设，中型实验装置气流温 升、湿含量模拟结果较实验结果偏高；模拟出的圆形系统比中型实验装置具有较 佳的蒸发效果。 关键词：太阳能烟囱集热棚综合系统海水淡化强化蒸发 a b s t r a c t s o l a rc h i m n e ya n ds e aw a t e rs o l a rd e s a l i n a t i o nh a sb e e nr e s e a r c hh o t s p o t sf o r y e a r s b u ti t i sn o tf e a s i b l ea tt e c h n o l o g yo re c o n o m i c a le f f i c i e n c y t h ec o m b i n e d s y s t e mu t i l i z i n gs e a w a t e rb ys o l a rc h i m n e yw a sp u tf o r w a r db a s i n go nt h e s et w o t e c h n o l o g i e s ，w h i c he n h a n c e ss e a w a t e re v a p o r a t i o nb ys o l a rc h i m n e y , f o r m sh i g h s p e e da i r f l o wa tt h eb a s eo fc h i m n e y , g a i n sf r e s hw a t e rb yc o n d e n s a t i o n t h ew a t e r a n dr e m a i n i n gh e a tb yc o n d e n s a t i o ni su s e dt og e n e r a t ee l e c t r i c i t y i ti sa l le c o n o m i c f e a s i b l es y s t e mt h a tc a l lb r i n gf r e s hw a t e ra n dp r o d u c ee l e c t r i c i t yb yw a t e ro rw i n d t h ep r o c e s so fe n h a n c e ds e aw a t e re v a p o r a t i o nu s i n gs o l a rc h i m n e yw a ss t u d i e d b ye x p e r i m e n ta n dt h e o r yi nt h i sp a p e r f i r s t l yt h ee f f e c to ne n h a n c e de v a p o r a t i o nb y t e m p e r a t u r e 、v e l o c i t yo f a i r f l o wa n dp o r o u sm a t e r i a l sw a ss t u d i e di n d e p e n d e n t l y t w o m i n i t y p ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n t sw e r ef o u n d e d ，t h et e m p e r a t u r er i s e 、m o i s t u r e c o n t e n ta n do t h e rc o n d i t i o n sw e r es t u d i e d f o rt h es h o r t a g eo fh e a ts t o r a g ec a p a c i t y , t h em i n i - t y p es y s t e mc a n n o tw o r kd u r i n g n i g h ta n dc l o u d yd a y t h em i d - t y p e e x p e r i m e n t a le q u i p m e n tw a ss e tu p ，t e m p e r a r a er i s e 、m o i s t u r ec o n t e n to f t h ea i r f l o w a n dt h ew a t e ro fh e a ts t o r a g ew a ss t u d i e di ns u na n dc l o u d yd a y i no r d e rt og od e 印 i n t ot h eh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s mi ns y s t e m ，w eh a v er e s e a r c h e do f ft h eh e a tn e t w o r ki n s y s t e m f o rt h es a k eo fl e a r n i n gt h el a wo fm i c r oh e a tt r a n s f e ra n dm a s st r a n s f e r , t o f i n dt h et h e o r e t i c a lb a s i so ns y s t e mo fs c a l e - u p ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u t b yf l u e n t i ne n h a n c e ds e aw a t e re v a p o r a t i o ne x p e r i m e n t ，t h et e m p e r a t u r ei st h em a i nf a c t o r a f f e c t i n gw a t e re v a p o r a t i o n ，h i g ht e m p e r a t u r er i s ec a ng e th i 曲s p e e de v a p o r a t i o n ，i t w a s h e l p f u lf o re v a p o r a t i o nw h e nt h ev e l o c i t yo fa i r f l o ww a s c o n t r o li nc e r t a i ns c o p e ， a tl a s te v a p o r a t i o na l s oa f f e c t e db yt h ep r o p e r t y 、n u m b e ro ft h ep o r o u sm a t e r i a l sa n d t h ep l a c e dp o s i t i o n t h em i n i t y p ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n to fs o l a re n h a n c e ds e a w a t e re v a p o r a t i o ns y s t e ms h o wt h a tt h em o i s t u r ec o n t e n to ft h ea i r f l o ww a sl i t t l e ，t h e a i r f l o ww a ss a t u r a t i o nw h e np o r o u sm a t e r i a l sw a sp u ti n t h em i d t y p ee x p e r i m e n t a l e q u i p m e n ti n d i c a t e dt h a tt h e r ew e r em o r ev a p o r i na i r f l o wa n dt h ew a t e rh a v eah i 【g l l h e a ts t o r a g ec a p a c i t yb yw h i c ht h es y s t e mc a nw o r ki nn i g h ta n dc l o u d yd a y , t h e r ea r e a l s ot e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei nw a t e ra th o r i z o n t a la n de l e v a t i o nd i r e c t i o n t h ea n a l y s i s o ft h es y s t e mh e a tn e t w o r ks h o w st h a tt h eh e a tl o s sb ye v a p o r a t i o ni sm o r et h a nt h e h e a to fa i r f l o wt e m p e r a t u r er i s e t h er a d i a t i o nb e t w e e nc o l l e c t o ra n ds k ya n dt h e c o n v e c t i o nb e t w e e nc o l l e c t o ra n da m b i e n ti st h em a i nl o s so fh e a ti ns y s t e m a tl a s t t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o wt h a tt h e r ea r eh i g h e rt e m p e r a t u r er i s ea n dm o i s t u r e c o n t e n tt h a ne x p e r i m e n tf o rs o m eh y p o t h e s i so ft h em o d e l ，t h ec i r c u l a rs y s t e m f o r e c a s t e dh a sab e t t e rc a p a b i l i t yt h a nm i d t y p ee x p e r i m e n t k e yw o r d s ：s o l a rc h i m n e ys o l a rc o l l e c t o r i n t e g r a t e ds y s t e m s e a w a t e r d e s a l i n a t i o ne n h a n c e dw a t e re v a p o r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：芳椰劝 签字日期：讨年g 月r f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盔壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：多蟊厉 门 导师签名：l 乙 签字日期：纠年岛月7 9 日签字日期：矽叮年易 日 日q 百 能源是人类生存和社会发展的物质基础，而年人均能耗是评价一个国家贫富 的重要标志。我国的矿物能源储量虽然比较丰富，但是人均能源资源却只有世界 人均能源的l 2 左右，年人均能耗仅为美国的1 1 2 。从能源消费结构来看，我国 是世界上最大的煤炭消费国，煤炭消费总额约占总能耗的6 7 ，这是我国环境 污染特别严重，生态恶化逐年加剧的重要原因。因此大力发展新能源与可再生能 源已成为中国2 1 世纪发展国民经济和建设小康社会刻不容缓的主要任务和战略 目标。 太阳能的开发和利用是可再生能源的重要内容。太阳能具有资源丰富、取之 不尽、用之不竭、处处均可开发应用、无需开采和运输、不会污染环境和破坏生 态平衡等优点。因此太阳能的开发利用将有巨大的市场前景，它不仅带来很好的 社会效益、环境效益，而且还具有明显的经济效益。 太阳能烟囱发电技术和太阳能海水淡化技术是可再生能源领域的两个研究 热点，由于其在技术或经济上的不可行性，结合这两项技术提出了太阳能烟囱综 合利用海水系统。利用太阳能烟囱强化海水蒸发，在烟囱基部形成强大的饱和湿 润气流，通过冷凝途径获取气流中的水分，冷凝余热或冷凝淡水用于风力或水力 发电，实现发电、海水淡化等于一体的经济可行性系统。 本文针对太阳能烟囱强化海水蒸发过程进行实验和理论研究，首先通过洞道 干燥实验装置研究气流温度、气速及多孔材料各独立因素对海水蒸发的影响。然 后搭建小型强化海水蒸发实验装置，对系统内气流的温升、湿含量等进行初步的 研究。在小型装置基础上，组建两套中型装置，先对单个系统内气流的温升、湿 含量及蓄热水体的温度分布等因素进行考察，再通过改变系统的结构参数进行对 比实验。为对系统的传热机理得到深入认识，对系统传热的过程进行了理论分析； 最后通过商用f l u e n t 软件对中型实验装置进行数值模拟，并预测圆形系统的性 能。 结果表明：气流温度的升高、多孔材料的加入、风速控制在一定范围内，对 强化蒸发过程有益；在中型实验装置烟囱的基部形成了气温较高、湿含量较大的 湿热气流，大大强化了蒸发过程，由于水体具有很强的蓄热能力可以维持系统夜 间及阴天正常工作；同时预测的圆形系统具有优于中型实验装置的蒸发效果。 第一章文献综述 1 1 太阳能利用发展现状 第一章文献综述 能源是人类社会存在与发展的物质基础。在过去2 0 0 多年，建立在煤炭、石 油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。然而， 化石能源不仅在开采和利用过程中造成了严重的环境污染与不可逆的环境破坏， 而且其储存的能量也是十分有限的_ 3 j ；同时随着世界人口的大量增长，能源消 耗率也将大幅度提高。因此，人类必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠的可持 续能源系统，它已成为世界各国能源方面研究的热点技术之一，表1 - 1 给出了世 界能源的构成变化趋势。 表1 - 1 世界能源组成预测( ) 表1 - 1t h em a k eu po ft h ew o r l de n e r g yp r e d i c t i n gi nt h ef u t u r e 年代 石油天然气煤炭水力及其它核能 我国经济f 在快速持续发展，但又面临着有限的化石燃料资源和更高的环境 保护要求的严峻挑战。在2 0 0 5 年的第十届全国人民代表大会常务委员会第十四 次会议上通过了可再生能源法，可见我国政府对可再生能源的发展已经提到议程 上来。坚持节能优先，提高能源效率；优化能源结构，以煤为主多元化发展：加 强环境保护，开展煤清洁化利用；采取综合措施，保障能源安全；依靠科技进步， 开发利用新能源和可再生能源等，是我国长期的能源发展战略，也是我国建立可 持续能源系统最主要的能源政策。 1 1 1 开发利用太阳能的优势 太阳辐剩能作为一种能源，在能源发展中有其独具的优势。它具有储量的“无 限性”【5 、存在的普遍性、利用的清洁性、利用的经济性等优点；当然，太阳能 限性”恻、存在的普遍性、利用的清洁性、利用的经济性等优点；当然，太阳能 第一章文献综述 1 1 太阳能利用发展现状 第一章文献综述 能源是人类社会存在与发展的物质基础。在过去2 0 0 多年，建立在煤炭、石 油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。然而， 化石能源不仅在开采和利用过程中造成了严重的环境污染与不可逆的环境破坏， 而且其储存的能量也是十分有限的【l 。3 】；同时随着世界人口的大量增长，能源消 耗率也将大幅度提高。因此，人类必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠的可持 续能源系统，它已成为世界各国能源方面研究的热点技术之一，表1 1 给出了世 界能源的构成变化趋势。 表1 - 1 世界能源组成预测( ) 【4 】 壅! ：!些! 型! 望坚! ! 垒! ! ! ! ! ! ! ! ! 塑：堡! ! ! ! 垫g 虫! ! ! ! ! 坐堡 年代石油天然气煤炭水力及其它核能 我国经济正在快速持续发展，但又面临着有限的化石燃料资源和更高的环境 保护要求的严峻挑战。在2 0 0 g 年的第十届全国人民代表大会常务委员会第十四 次会议上通过了可再生能源法，可见我国政府对可再生能源的发展已经提到议程 上来。坚持节能优先，提高能源效率；优化能源结构，以煤为主多元化发展；加 强环境保护，开展煤清洁化利用；采取综合措施，保障能源安全；依靠科技进步， 开发利用新能源和可再生能源等，是我国长期的能源发展战略，也是我国建立可 持续能源系统最主要的能源政策。 1 1 1 开发利用太阳能的优势 太阳辐射能作为种能源，在能源发展中有其独具的优势。它具有储量的“无 限性” 5 1 、存在的普遍性、利用的清洁性、利用的经济性等优点；当然，太阳能 第一章文献综述 利用也有缺点，如能量分散性、随机性、间歇性等。但总的来说，太阳能有很多 其它能源无法相比的优点，有极其广阔的利用前景 6 1 。 我国大部分地区位于北纬4 5 0 以南，有着丰富的太阳能资源。据估算，我国 陆地表面每年接受到的太阳辐射能约为5 0 1 0 博k j ，约相当于1 7 0 0 亿吨标准煤。 而且，全年日照时间大于2 0 0 0 h 的地区占总面积的三分之二。和纬度相当的日本、 美国的太阳能资源相比较，除四川盆地和与其毗邻的地区外，我国绝大多数地区 的太阳能资源相当丰富，和美国类似，比日本优越的多，特别是青藏高原中南部 的太阳能资源尤为丰富，接近世界上最著名的撒哈拉大沙漠。总之，我国是太阳 能资源丰富的国家，具有得天独厚的开发利用太阳能的优越条件【7 划。 1 1 2 太阳能利用基本方式 目前，太阳能利用的基本方式可以分为以下四大类。 ( 1 ) 光热利用 它的基本原理是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换呈热能 加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置，主要有平板集热器、真空管集热器 和聚焦型集热器。通常根据所能达到的温度和用途的不同，而把太阳能光热利用 分为低温利用( )，弓ele芑：le l0ncej：m廿工 一旦一oi| 廿一鬯co；巴o再盂l卫；订 第四章太阳能烟囱强化海水蒸发的理论研究 干空气需要的热量较高，正午时刻大约需要近3 0 w ，因此在辐照度较强烈的时 刻为夜间温升的3 倍左右。 结合图4 2 和3 1 1 图可以看出：蒸发量和水温是密切相关的，在中午时刻由 于水温较高，导致气流温度较高、温升较大，较大的温差，导致集热棚内气速较 大，因此在中午时刻比夜间的速率大7 9 倍，在夜间系统内水体温度较平稳， 因此蒸发量也较稳定。 4 2 系统传热过程的理论分析 图4 - 3 系统传热网络示意图 f i g 4 - 3s c h e m a t i cc o n f i g u r a t i o no f s y s t e mw i t he n e r g yt r a n s f e rn e t w o r k s 对系统传热过程进行分析，如图4 3 所示：主要考虑集热大棚与天空的辐射 散热，与环境的对流传热及其自身的热传导；大棚内表面与气流的对流换热，与 蓄热水体的辐射换热；蓄热水体与大棚内气流的对流换热、蒸发散热；水槽与周 围环境的对流散热、热传导及辐射散热。 采用4 月1 8 日的晴天测量数据，详见附录。对系统传热过程进行理论分析， 以下分为几部分来说明在一天过程中随时间的推移各传热速率的变化。 4 2 1 集热棚与天空的辐射换热速率 棚顶阳光板与天空间的辐射换热系数咖可以由如下经验公式【7 | 确定 i l ，曲； ，。盯( ，。4 一t 4 ) 扩l ( 4 1 9 ) 第四章太阳能烟囱强化海水蒸发的理论研究 式中，疋为天空温度，一般取瓦= 0 0 5 5 2 t 1 5 。 从图4 4 看出：阳光板与天空辐射散热夜间强于白天，凌晨3 ：0 0 6 ：0 0 左右 由于此时间段内天空温度较低，同时阳光板外表面与环境的温差较小，因此辐射 最强烈；在白天时天空温度较高、环境温度与阳光板温差较小，因此辐射散热较 小。 主 2 暑 言 岳 ； 要 l 图4 - 4 阳光板与天空的辐射换热 f i g 4 - 4r a d i a t i o nb e t w e e ns k ya n d p c 4 2 2 集热棚上表面与环境对流传热速率 图4 - 5 阳光板外表面与环境的对流散热 f i g 4 - 5c o n v e c t i o nb e t w e e nc i r c u m s t a n c ea n dp co u t s i d es u r f a c e 集热棚顶阳光板与环境风速的对流传热速率方程写成如下形式： q w = 一一。一l ) h 一2 0 1 因风吹过温室棚顶阳光板的对流传热系数h 。可通过如下经验公式确定 。= 5 7 + 3 8 v r 4 2 1 、 第四章太阳能烟囱强化海水蒸发的理论研究 式中y 为风速，m s 。 从图4 5 看出：由于阳光板热容较小，白天阳光直射时阳光板外表面与环境 的温差较大，而在夜间阳光板与环境的温差较小，因此阳光板与环境的对流散热 白天较夜间强烈。 4 2 3 集热棚下表面与气流传热速率 太阳能烟囱强化海水蒸发装置中气流入口处的雷诺数大于2 3 2 0 ，根据文献【9 1 知，大棚内气流为湍流状态，气流为平行于平板的流动。因此传热系数h 可由下 式确定， n u ；0 0 2 9 6 r e 4 7 5p r l 侣 f 4 2 2 ) 通过集热棚下表面与气流的传热速率图4 - 6 看出：夜间大棚内表面低于环境 温度，因此为气流向大棚传热；白天，由于阳光板热容较小，阳光直射的原因， 阳光板内表面的温度高于气流温度，因此阳光板向气流散热。 图4 - 6 阳光板下表面与棚内气流的对流换热 f i g 4 6c o n v e c t i o nb e t w e e na i r f l o wa n di n s i d es u r f a c eo f p c 4 2 4 集热棚上下表面传热速率 阳光板内的传热速率可表示为下式 目一5 u 。一一( & 一一，。) ( 4 - 2 3 ) 式中，观为总传热系数，w ( m 2 。c ) ；4 。为阳光板面积，m 2 ；7 k f 、昂。为阳光 板上下表面温度，o c 。 一一。山口c日亘墓日c主丑co嚣兰oo 第四章太阳能烟囱强化海水蒸发的理论研究 图4 - 7 阳光板总传热系数计算单元和热网络图 f i g 4 - 7c o m p u t i n gu n i to fs u n l i g h tp a n e lo v e r h a l lh e a tt r a n s f e rc o e f f l e n t a n dt h e r m a ln e t w o r k s 总传热系数既的计算【9 2 1 ，假定各槽道间绝热，求出图4 _ 7 ( a ) 所示的虚线框 内单元体的传热系数，即为整块阳光板的传热系数。在总传热系数的计算中考虑 了中空阳光板的内的对流、传导、辐射三种传热方式，其热网络如图4 - 7 ( b ) 所示。 对流传热系数h - k a u , n u l 可以由如下经验关联式确定： n u = m x g 1 q c 2 r a ”8 ，1 】 “2 4 1 其中，c = o 1 5 ，c 2 = 1 o 。对流传热热阻就可表示为： r 。土 一ha(4-25、 式中，爿为计算单元的传热面积，4 ；l w 。 阳光板的槽道形成一个由三个表面( 上、下底面和侧面) 组成的封闭空间， 其中侧面由槽道的两个绝热侧面组成，属于再辐射表面，参考文献阳光板内辐射 传热热阻可以表示为 。瓦万毒而砖+ 上。 p c o + 石面1 也 件2 。、 式中，z k r 、品。为阳光板内外表面温度，k ：，、s ，为阳光板内外表面发射 比；瓦为阳光板内表面对外表面的角系数；为底面对侧面的角系数。 阳光板的热传导热阻可以表示为 足一旦 一“k p c 。硎 h 2 7 1 式中，k 。为聚碳酸酯阳光板的导热系数，w m o c ) ；h 为中空阳光板的槽道高 度，m ；6 为阳光板槽道间壁厚度，m ；g 为阳光板长度，m 。 忽略中空阳光板内外表面厚度上的传导热阻，即r 。d 。；r 。一0 。则阳光 板的总热阻可表示为 第四章太阳能烟囱强化海水蒸发的理论研究 肛亡+ 忐+ 净 故，阳光板总传热系数为 u ，： ! 口+ 6 形皿 f 4 2 9 、 在计算出阳光板的总传热系数观后，代入式( 4 - 2 2 ) 即可确定内外表面间的传 热速率。 从阳光板的总传热速率图4 - 8 看出：由于在中空阳光板中，存在对流、传导、 辐射三种辐射方式。在白天由于阳光板外表面受阳光直射，因此温升较大，因此 内、外表面的热传递速率较大；而在夜间由于阳光板内外表面的温差较小，因此 传递速率较小。 图4 - 8 阳光板上下表面的传热速率 f i g 4 8h e a tt r a n s f e r r a t eo f p c 4 2 5 水面与集热棚内气流的传热速率 热水水面向大棚内气流散热有两种形式：对流散热，蒸发散热。 ( 1 ) 对流散热 单位时间、通过水表面，水面传给空气的热量见，可用下式表示： q 。= a ( t o ) f( 4 - 3 0 ) 式中：。为散热系数w ( m 2 。c ) ，t 为水体的表面温度。c ，0 为空气的干球 温度o c ，f 为水气接触面积m 2 。 第四章太阳能烟囱强化海水蒸发的理论研究 图4 - 9 水面与集热棚内气流的对流换热 f i g 4 9c o n v e c t i o nb e t w e e na i r f l o wa n dw a t e r 图4 - 9 给出了阳光板与气流传热速率，在夜间由于气流的温度来源于水体， 因此水体与气流之间的温差较大，因此在夜间的对流换热为3 2 w 左右，在白天 由于水体与气流的温差较小，因此对流换热量较小维持在1 4 w 左右。 ( 2 ) 蒸发散热 在4 1 中计算了蒸发量随时间的变化，通过公式( 4 3 1 ) 计算蒸发散热量绕 g = 珊一， ( 4 3 1 ) 图4 - 1 0 水面的蒸发散热 f i g 4 - 1 0h e a tl o s sb ye v a p o r a t i o n 结合图4 1 0 、4 1 可以看出系统蒸发散热量较绝干空气温升的热量大的多。 在正午时间，水温较高、蒸发量较大因此蒸发散热量较其他时间大大增加，在夜 间系统内的水温较低且平稳，因此系统的蒸发散热量较小。 一一co一：l。ac8do一篇工 第四章太阳能烟囱强化海水蒸发的理论研究 4 2 6 集热棚下表面与水体辐射换热速率 辐射散热可按下式计算： g ，。= 。烈岳) 4 一而t 2 ) 4 ( 4 - 3 2 ) 式中：g ，。为总辐射系数；矿为常数5 6 x 1 0 ，w ( m 2 k 4 ) 。 = 蛊 喜 乐 笙 岙 吾 宅 善 意 叱 丌m o 图4 - 1 1 阳光板与水体的辐射散热 f i g 4 - i ir a d i a t i o nb e t w e e np ca n dw a t e r 在夜间水温比阳光板温度高，水面向阳光板进行长波辐射而散失热量；在白 天部分时问段，由于阳光的直射，阳光板的热容为1 1 7 k j ( k g o c ) l g 较小，因此在 白天1 0 ：0 0 1 6 ：0 0 时间段辐照度较强情况下，阳光板的温度较水体的温度高，因 此阳光板向水体辐射热量。 4 2 7 系统内其它部分与环境的换热速率 中型实验装置中水槽为导热系数较小的p v c ，同时四周包有保温材料，保 温材料外表面与环境的温差较小，因此对流换热量较小而忽略，下面简述水槽下 表面与地面的传导换热。 水槽底部与楼顶的传热散热，水槽与地面之间为o 0 3 m 的保温材料； qd f ：掣 ( 4 3 3 ) u 昂为p v c 水槽的外表面温度，巧为地面的温度，d 保温材料厚度， 为导 热系数。 从图4 1 2 看出：白天时，由于水槽下的地面不能直接接受太阳照射，因此 第四章太阳能烟囱强化海水蒸发的理论研究 温度较低，传导散热较大；夜间部分时段，由于水槽下地面温度高于水槽外表面 温度，因此为地面向水槽散热。 季 量 毛 昌 毛 羔 岩 墨 萼 暑 o 4 3 本章小结 t i m e 图4 1 2 地面与水槽外表面之间的传导散热 f i g 4 1 2h e a tl o s sb yc o n d u c t i n gb e t w e e n f l o o ra n df l u m e ( 1 ) 对中型实验装置进行了蒸发量随时间的理论分析：由于在集热棚内水 温与气流的温升是相互关联的，因此水分的蒸发量与水温的变化也密切相关，白 天水温较高、气流温升较大、蒸发较快，夜间水温较低，气流温升较小，蒸发缓 慢，白天高效阶段的蒸发速率是夜间的7 9 倍。 ( 2 ) 对中型实验装置的传热过程进行了理论分析：指出系统内水面的蒸发 散热量远大于气流中绝于空气的温升需要的热量，而系统热量损失主要为集热棚 与天空的辐射散热和集热棚与环境的对流散热。 第五章太阳能烟囱强化海水蒸发的数值模拟 第五章太阳能烟囱强化海水蒸发的数值模拟 上章对中型实验系统进行了热网络理论分析，但只有深入研究系统内微观 的流体流动、传热和传质过程机理，才能为系统放大提供根本理论依据。因此本 章对中型实验系统通过假设条件进行实物模型化，通过商用f l u e n t 软件进行数值 模拟，达到对系统内流体流动、传热和传质基本规律更深层次上的认识。 5 1 实物模型化 一天中太阳辐照强度是不断变化的，到正午时太阳的辐照强度相对比较稳 定，此时太阳能烟囱中的气流也认为达到稳定状态。我们取气流的这一定常状态 进行数值模拟计算。 模型简化假设： 流动过程为稳态； 集热棚下面的水为黑体； 常物性； 无内热源； 太阳以恒定的辐照强度( i = 1 0 0 0 w m 2 ) 垂直辐照于大棚表面； 太阳的辐射透过率为8 0 ； 5 2 数值模拟 计算流体力学是多领域交叉的学科，涉及计算机科学、流体力学、偏微分方 程的数学理论、计算几何、数值分析等学科。这些学科的交叉融合，相互促进和 支持，推动着这些学科的深入发展。 5 2 1f l u e n t 软件简介 f l u e n t 是用于计算流体流动和传热问题的程序。它提供的非结构网格生成程 序，对相对复杂的几何结构网格生成非常有效。可以生成的网格包括二维的三角 形和四边形网格，三维的四面体、六面体及混合网格。f l u e n t 还可根据计算结果 调整网格，这种网格的自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场有很实际的作 第五章太阳能烟囱强化海水蒸发的数值模拟 用。由于网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域里实施，而非整个流场， 因此可以节约计算时间。 5 2 2f l u e n t 软件的部分设置 5 2 2 1 网格生成 g a m b i t 用于建立几何结构和网格的生成，在生成网格的软件g r i d g e n 、i c e m c f d 中，其中g a m b i t 是可以生成最好的非结构化网格；对于曲率比较大的区域， 要避免负体积的出现，必须增加该处的网格密度。 5 2 2 2f l u e n t 的求解器 f l u e n t 中有三种不同的求解方法：非耦合求解、耦合隐式求解、耦台显式求 解。非耦合求解方法主要用于不可压缩或低马赫数压缩性流体的流动。耦合求解 方法则可用在高速可压缩流动。f l u e n t 默认的设置是非耦合求解，但对于高速可 压流动，或需要考虑体积力( 浮力或离心力) 的流动，求解问题时网格要加密， 采用耦合隐式求解方法求解能量和动量方程，可较快地得到收敛解，缺点是需要 的内存比较大。在本文中我们选用的是非耦合求解。 5 2 2 3f l u e n t 几种模型的简单介绍 ( 1 ) 浮力驱动模型 对于很多自然对流流动，你可以用b o u s s i n e s q 模型来得到更好的收敛速度， 它要比设定密度为温度的函数来解决问题收敛得快。除了动量方程的浮力项之 外，该模型在所有解决的方程中将密度看成常数。动量方程为： 一p o ) g 兰一p o n t r o ) g ( 5 1 ) 其中p 。是流体的常数密度，瓦是操作温度，是热扩散系数。只要真实密 度变化很小，该近似是很精确的。当在封闭区域内计算与时间相关的自然对流时， 使用b o u s s i n e s q 模型能取得较好的计算结果，如果温度变化很小，该模型也可 以用于定常问题。由于b o u s s i n e s q 模型和组分传输模型是不相容的，因此在本 论文中不采用浮力驱动模型， ( 2 ) 组分传输模型 f l u e n t 可以求解质量分数输运方程，通过第f 种物质的对流扩散方程预估每种 物质的质量分数y i ，守恒方程采用以下的通用形式： 云( 成) + v 协r ) = 一啦+ r ，+ 叠限，1 其中r ，是化学反应的净产生速率，s i 为离散相及用户定义的源项导致的额外 第五章太阳能烟囱强化海水蒸发的数值模拟 产生速率。在系统中出现n 种物质时，需要解n 1 个这种形式的方程。由于质 量分数的和必须为1 ，第n 种物质的分数通过1 减去n 一1 个已解得的质量分数得 到。在本文中我们选择组分传输模型。 ( 3 ) 混合物模型 混合模型的包括v o f 模型、混合模型和欧拉模型三种模型。 v o f 模型适合于分层的或自由表面流，而m i x t u r e 和e u l e r i a n 模型适合于流 动中有相的混合或分离，或者分散相的v o l u m ef r a c t i o n 超过1 0 的情形，流动 中分散相的v o l u m ef r a c t i o n 小于或等于1 0 时可选用离散相模型。 5 2 2 4f l u e n t 物性参数的设定 在本章模型中对重点的密度关系式的选择进行简介而其它参数略： ( 1 ) 对于可压流，理想气体关系式是较佳的选择。 ( 2 ) 对于不可压缩流需根据实际情况选择： 密度如果与温度无关，选择常数： 对于完全不可压流中压力有很小的变化，但是使用理想气体定律来体现密 度和温度之间的关系( 如自然对流) 时，应该使用不可压理想气体定律。但它不 能计算封闭区域与时间相关自然对流。 当密度是温度的函数时，应采用温度的多项式函数、分段线性函数或者分 段多项式函数。 对于温度有很小变化的自然对流问题，可以使用b o u s s i n e s q 模型。 在本文中密度选择温度地多项式函数。物性参数如下表所示 表孓1 物性参数 t a b l e5 - 1p a r a m e t e ro f p s y s i e a lp r o p e t y 5 2 2 5f l u e n t 边界条件的选择 边界条件的选择对计算来说是非常重要的，选择边界条件不仅和实际物理问 题有关，还和选用的计算模型、计算区域、网格等因素有关。设置边界条件的方 第五章太阳能烟囱强化海水蒸发的数值模拟 法一般是在利用g a m b i t 建模过程中设定的，也可以在f l u e n t 求解器中对边界类型 进行重新设定，其提供的多种边界条件如下： ( 1 ) 流动进口边界 速度入口边界条件：给定入口边界上的速度及其它相关标量值，该边界条 件适用于不可压缩流动问题，对可压缩问题不适合，否则入口边界条件会使入口 处的总温或总压有一定的波动。 压力入口边界条件：通常用于流体在入口处的压力为已知的情形，而进口 流量或流动速度为未知的流动，对计算可压和不可压问题都适合，同时压力入口 条件还可以用于处理自由边界问题。 质量入口：给出入口边界上的质量流量，这种边界条件主要用于可压缩流 动：对于不可压缩流动，由于密度是常数，可以用速度入口条件。 ( 2 ) 流动出口边界 一般选在离几何扰动足够远的地方施加。在这样的位置，流动是充分发展的， 沿流动方向没有变化，该边界只有在进入计算域的流动是以进口边界条件给定时 才使用，而且在只有一个出口的计算域中使用。 质量出口边界条件：用于在解决流动问题之前，所模拟的流动出口的流速和 压力未知的情况，在流动出口是完全发展的时候是适合的，因为质量出口边界条 件假定出了压力之外的所有流动变量正法向梯度为零，不适合于可压缩流动。 压力出口边界条件：用于定义流动出口的静压，当出现回流时，使用压力出 口边界条件来代替质量出口条件常常有更好的收敛速度。 ( 3 ) 给定压力边界 在流体流动分布情况未知，但边界的压力值已知的情况下，使用恒压边界条 件。应用该边界条件的典型问题包括：物体外部绕流、自由表面流、自然通风及 燃烧等浮力驱动流和有多个出口的内部流动。 ( 4 ) 壁面边界 对于湍流计算，在近壁面区要用壁面函数来做处理。壁面函数法的前提是： 流动平行于壁面而且只在垂直壁面的方向变化，流动方向不存在压力梯度，壁面 处不存在化学作用，雷诺数足够大，若这些条件之一不满足，则使用壁面函数法 的预测精度会大大降低。 ( 5 ) 对称边界 在对称边界上，垂直边界速度为零，而其它物理量的值在该边界内外是相等 的，即计算域外紧邻边界的节点值等于对应的计算域内紧邻边界的节点值。 ( 6 ) 周期性边界 流出循环边界出口的所有流动变量的通量等于进入循环边界的对应变量的 第五章太阳能烟囱强化海水蒸发的数值模拟 通量。 在本文中选择流动进出口边界条件。 5 2 3 数学模型 流体流动满足质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，这些定律在流 体力学上的体现就是相应的连续性方程和n s 方程。它比较准确的描述了实际的 流动，粘性流体的流动分析均可归结为对此方程的研究。由于其形式甚为复杂， 实际上只有极少量的情况可以求出精确解，故产生了通过数值求解的研究，这也 是计算流体力学进行计算的最基本方程。因此所有的流体力学都是围绕对n - s 方程求解开始的。 5 2 3 1 湍流数学模型 太阳能烟囱中的气流处于一种紊流状态。目前运用离散数值方法求解湍流场 的数学模型主要有零方程模型、一方程模型、二方程模型和雷诺应力模型。在四 种数学模型中，零方程模型和一方程模型计算速度最快，但计算精度偏低；而雷 诺应力模型计算量相当大，但计算精度在四中模型中最高。二方程模型介于二者 之间，其计算精度既可满足工程应用，计算速度又能被目前的计算机所承受，因 此在工程运用中最为普遍。二方程模型是在零方程模型的基础上，增加两个湍流 流量的偏微分方程，然后再设法使方程封闭。其中，选用k 和e 两变量的输运方 程的居多，因此该模型通常成为k - e 模型。在本文中，采用标准的k - z 模型。 。，、o ( p o ) + d i v ( p v ) ：d i v ( k g 阳d m ) + s 。 通用控制方程： o t ( 5 3 ) 其中。代表z ，方向的平均速度分量v ，湍流参数或平均温度，k 是扩散系 数，是变量中的源项。 5 _ 2 3 2 连续性方程 在流场中任取一封闭的空间，此空间称为控制体，其表面称为控制面。流体 通过其中一个控制面流入控制体，同时也会通过另一部分控制面流出控制体，在 这期间控制体内部的流体质量也会发生变化。按照质量守恒定