太阳能明托热机的理论和实验研究

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作者：

侯景鑫

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摘要：

随着人类社会文明的不断进步和人们生活水平的不断提高,人们对能源的需求量也越来越大。而常规能源日渐枯竭,因此大力发展各种可再生能源成为当务之急。太阳能集热和各种余热、废热等低品质热能来源广泛、总量巨大,但从中提取机械能难度较大。明托热机是一种可将太阳能或其他低品质热能转化为机械能的装置,具有低转速,高扭矩的特点,能在较小的温差下吸热做功,具在独特优势。但其较低的性能阻碍了自身的发展和应用。 明托热机的理论研究还不完善,此前关于明托热机的理论研究较少,仅一篇论文提出明托热机理论效率的计算方法,但公式在随后的应用过程中出现被误用的现象。本文将就明托热机目前存在的问题进行研究和探讨,在分析、计算和提高热机性能方面做出尝试。 本文主要内容包括明托热机的理论研究、数值模拟和实验研究。 研究首先阐述了明托热机原始结构模型的能量吸收和转化过程,分析原始结构模型效率低下的原因,提出了改进结构模型,通过添加绝热内壁面与绝热活塞等附属结构,按作用将工质分为相变做功和传导配重两个部分,仅使需要相变做工的工质吸热,使仅起传导配重作用的工质与热源隔离,以此减少大量吸热量和缩短吸热时间,大幅提高热机效率和功率。 理论分析部分,基于前人所做分析和假设,提出适用于明托热机原始和改进结构模型的显热法和焓差法两个改进的效率公式,以方便计算并避免被误用的问题;小温差条件下进一步简化明托热机改进结构模型的理论公式,结论显示其效率接近卡诺循环效率。针对太阳能集热器集热和聚光集热两种典型太阳能热利用方式,提出适用于恒定热源温度条件和恒定热流密度条件下明托热机原始和改进结构模型的功率公式,填补热机理论功率计算空白;在改进结构模型中,进一步的简化分析表明,其在恒定热源温度条件下最大功率出现在工质工作温差为冷、热源温差一半的时候。 应用数值模拟的方法,通过自主编程,选取6种常见工质,应用对应态理论求解工质热物性参数,分别计算了明托热机原始和改进结构模型在恒定热源温度和恒定热流密度条件下的性能表现。模拟结果显示,明托热机原始结构模型的效率和功率较低,且受工质热物性影响较大,恒定热源温度条件下热机最大功率出现在工质工作温差略小于冷、热源温差一半的时候;在恒定热流密度条件下,工质需要较高的工作温度,实用性较低。明托热机改进结构模型的效率和功率都很高,受工质热物性影响较小,在恒定热源温度条件下热机最大功率出现在工质工作温差略大于冷、热源温差一半的时候;在恒定热流密度条件下,工作温度明显低于原始结构模型,且顶部容器内工质温度随工作温差增大而减小,符合实际可能的应用条件,实用性较强。在恒定热源温度条件下,不同的传热系数对明托热机原始和改进结构模型的的效率影响不大,较高的传热系数可明显提高两种热机模型的功率。 为测试明托热机性能,一个采用丙酮作为工质的直径2米的原始结构型明托热机被用于实验研究中,在40℃、50℃和60℃热源温度条件下监测热机内部工质循环过程中的温度和压力动态变化情况,首次观测到了温度和压力变化趋势先一致、后背离的现象,并定性和定量分析其变化过程,计算出热机不同部分的具体吸热量,为探索热机能量转化分配规律,优化热机设计提供参考。 综上所述,本文着重于明托热机的效率和功率的理论研究,提出了明托热机改进结构模型,针对不同集热条件进行了模拟研究,同时进行了基于动态观测的实验研究,为明托热机的进一步发展和优化,尤其在太阳能热利用方面,提供参考和建议。

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关键词：

太阳能 明托热机 结构模型 能量转化 效率公式