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系統識別號 U0002-0207201211373000
中文論文名稱 太陽能儲熱槽之模擬
英文論文名稱 Simulation of solar thermal storage tank
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學工程與材料工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemical and Materials Engineering
學年度 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 張舜傑
研究生英文姓名 Shun-Chieh Chang
學號 699401195
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-06-12
論文頁數 124頁
口試委員 指導教授-吳容銘
委員-黃國禎
委員-鄭東文
委員-陳錫仁
委員-郭修伯
委員-蔡子萱
中文關鍵字 計算流體力學  太陽能  儲熱槽 
英文關鍵字 CFD  simulation  thermal tank  solar energy 
學科別分類
中文摘要 本研究中利用GAMBIT繪製儲熱槽幾何結構,再使用FLUENT設定邊界條件、液體性質、儲槽材料等設定,並讀取運算出的數據與溫度等量圖。
本研究主要目的是在於提升冷流出口溫度,以及藉由設計的不同,使得儲熱槽能夠達到加熱及儲熱的效果,儲存槽體積為493 L,槽內放置熱管與冷管的熱交換器,分別將340 K熱流,流率為0.235 L/min進入熱管中,另外將300 K冷流,流率為0.094 L/min進入冷管。使用FLUENT模擬不同的邊界條件後,進行數值模擬運算作比較,藉由改變熱流進口溫度、冷熱流進口流率、盤管與槽內液體的接觸面積、流體種類等各種方式,以了解儲熱槽內溫度分層狀況以及冷流出口影響。
英文摘要 This study use the GAMBIT to plan the geometric structure of the thermal storage tank, then use FLUENT to establish boundary condition, liquid properties, storage tank material. We read the data and the temperature contours by FLUENT.
The storage tank volume is 490 L. The heat coil and cold coil heat exchangers in the storage tank. The rate of discharge is 0.235 L/min passes over in the heat coil, and the rate of discharge is 0.094 L/min passes over the cold coil. Using FLUENT to simulate different boundary conditions. The numerical simulation to compute, by the change of heat flow inlet temperature, hot stream and cold stream inlet flow rate, the contact area of coil and tank liquid. To understand temperature stratification in thermal storage tank and compared with simulation results in different boundary conditions.
論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 V
表目錄 IX
符號說明 IX
第一章 緒論 1
1.2太陽能應用 3
1.3太陽能熱水系統分類 6
1.4太陽能熱水系統構造 7
1.5研究目的 9
第二章 文獻回顧 9
2.1 熱分層 9
2.2 促進熱分層產生的方式 10
2.3 儲存槽設計 10
2.3.1直接式熱傳 10
2.3.2間接式熱傳 11
2.4 影響熱分層的其他因素 14
2.5太陽能熱水系統於海水淡化之應用 15
第三章 理論分析 16
3.1 模擬軟體與計算模式簡介 16
3.1.1 數值模擬 16
3.2 溫度分層數 18
3.3 數值模擬 19
3.3.1 有限體積法 20
3.3.2 離散方法 21
3.3.3壓力-速度的耦合 21
3.3.4 收斂準則 23
第四章 儲熱槽之數值模擬 24
4.1 熱儲槽結構 24
4.2 模擬設定 28
4.2.1 儲熱槽Case A之架構與網格 28
4.2.2儲熱槽Case B之架構與網格 28
4.2.3儲熱槽Case C之架構與網格 29
4.3 邊界條件之設定 30
4.3.1 改變熱流進口溫度及槽起始溫度之模擬 30
4.3.2 改變冷熱流進口流率之模擬 30
第五章 結果與討論 31
5.1物流進口流速相同,儲熱槽起始槽溫不同 31
5.1.1 儲熱槽起始槽溫設定為300 K 31
5.1.2 儲熱槽起始槽溫設定為310 K 43
5.1.3 儲熱槽起始槽溫設定為320 K 55
5.1.4 儲熱槽起始槽溫設定為330 K 67
5.1.5 儲熱槽起始槽溫設定為340 K 79
5.2儲熱槽起始槽溫相同,熱物流進口溫度不同 91
5.2.1 熱物流進口溫度不同對於Case A之變化 91
5.2.2 熱物流進口溫度不同對於Case B之變化 93
5.2.3 熱物流進口溫度不同對於Case C之變化 95
5.3儲熱槽起始槽溫相同,熱物流進口流速不同 97
5.3.1 熱物流進口流速不同對於Case A之變化 97
5.3.2 熱物流進口流速不同對於Case B之變化 98
5.3.3 熱物流進口流速不同對於Case C之變化 100
5.4儲熱槽起始槽溫相同,冷物流進口流速不同 101
5.5真實日曬水溫為熱流進料溫度之模擬 103
5.5.1集熱板出口水溫為熱流進料溫度 103
5.5.2熱水槽出口水溫為熱流進料溫度 105
5.6相同邊界條件下,三種Case之比較 107
5.6.1不同的起始槽溫下,三種Case之比較 107
5.6.2 熱流進口溫度不同對三種Case之比較 111
5.6.3 不同的熱流進口速度,三種Case之比較 114
5.6.4 不同的冷流進口速度,三種Case之比較 117
5.6.5 熱流溫度為集熱板出口水溫及熱水槽出口水溫,三種Case之比較 118
第六章 結論 121
參考文獻 123



圖目錄
圖1.1 太陽能應用技術範圍 5
圖1.2 加熱循環方式示意圖 7
圖2.1 三種間接式熱傳設計方式 11
圖2.2 三種浸入式盤管交換器 12
圖2.3 外部熱管交換 13
圖2.4 二種金屬熱交換器 (a)躺臥式金屬交換器 (b)直立式金屬交換器 14
圖2.5 三種不同冷流進口設計 (a)楔子形 (b)排孔 (c)溝槽狀 15
圖4.1 太陽能儲熱槽系統流程圖 24
圖4.2 GAMBIT模擬儲熱槽Case A結構圖 (unit:cm) 25
圖4.3 GAMBIT模擬儲熱槽Case A內部蛇管結構圖 25
圖4.4 GAMBIT模擬儲熱槽Case B結構圖 (unit:cm) 26
圖4.5 GAMBIT模擬儲熱槽Case B內部蛇管結構圖 26
圖4.6 GAMBIT模擬儲熱槽Case C結構圖 (unit:cm) 27
圖4.7 GAMBIT模擬儲熱槽Case C內部蛇管結構圖 27
圖5.1 Case A模擬60分鐘XZ切面溫度分層圖 32
圖5.2 Case A模擬540分鐘XZ切面溫度分層圖 32
圖5.3 Case B模擬60分鐘XZ切面溫度分層圖 33
圖5.4 Case B模擬540分鐘XZ切面溫度分層圖 33
圖5.5 Case C模擬60分鐘XZ切面溫度分層圖 34
圖5.6 Case C模擬540分鐘XZ切面溫度分層圖 34
圖5.7 Case A模擬60分鐘XZ不同高度切面溫度分層圖 35
圖5.8 Case A模擬540分鐘不同高度切面溫度分層圖 36
圖5.9 Case A模擬60分鐘不同高度切面溫度分層圖 37
圖5.10 Case B模擬540分鐘不同高度切面溫度分層圖 38
圖5.11 Case C模擬60分鐘不同高度切面溫度分層圖 39
圖5.12 Case C模擬540分鐘不同高度切面溫度分層圖 40
圖5.13 Case A儲熱槽及冷熱物流溫度變化 41
圖5.14 Case B儲熱槽及冷熱物流溫度變化 42
圖5.15 Case C儲熱槽及冷熱物流溫度變化 42
圖5.16 Case A模擬60分鐘XZ切面溫度分層圖 44
圖5.17 Case A模擬540分鐘XZ切面溫度分層圖 44
圖5.18 Case B模擬60分鐘XZ切面溫度分層圖 45
圖5.19 Case B模擬540分鐘XZ切面溫度分層圖 45
圖5.20 Case C模擬60分鐘XZ切面溫度分層圖 46
圖5.21 Case C模擬540分鐘XZ切面溫度分層圖 46
圖5.22 Case A模擬60分鐘不同高度切面溫度分層圖 47
圖5.23 Case A模擬540分鐘不同高度切面溫度分層圖 48
圖5.24 Case B模擬60分鐘不同高度切面溫度分層圖 49
圖5.25 Case B模擬540分鐘不同高度切面溫度分層圖 50
圖5.26 Case C模擬60分鐘不同高度切面溫度分層圖 51
圖5.27 Case C模擬540分鐘不同高度切面溫度分層圖 52
圖5.28 Case A儲熱槽及冷熱物流溫度變化 53
圖5.29 Case B儲熱槽及冷熱物流溫度變化 54
圖5.30 Case C儲熱槽及冷熱物流溫度變化 54
圖5.31 Case A模擬60分鐘XZ切面溫度分層圖 56
圖5.32 Case A模擬540分鐘XZ切面溫度分層圖 56
圖5.33 Case B模擬60分鐘XZ切面溫度分層圖 57
圖5.34 Case B模擬540分鐘XZ切面溫度分層圖 57
圖5.35 Case C模擬60分鐘XZ切面溫度分層圖 58
圖5.36 Case C模擬540分鐘XZ切面溫度分層圖 58
圖5.37 Case A模擬60分鐘不同高度切面溫度分層圖 59
圖5.38 Case A模擬540分鐘不同高度切面溫度分層圖 60
圖5.39 Case B模擬60分鐘不同高度切面溫度分層圖 61
圖5.40 Case B模擬540分鐘不同高度切面溫度分層圖 62
圖5.41 Case C模擬60分鐘不同高度切面溫度分層圖 63
圖5.42 Case C模擬540分鐘不同高度切面溫度分層圖 64
圖5.43 Case A儲熱槽及冷熱物流溫度變化 65
圖5.44 Case B儲熱槽及冷熱物流溫度變化 66
圖5.45 Case C儲熱槽及冷熱物流溫度變化 66
圖5.46 Case A模擬60分鐘XZ切面溫度分層圖 68
圖5.47 Case A模擬540分鐘XZ切面溫度分層圖 68
圖5.48 Case B模擬60分鐘XZ切面溫度分層圖 69
圖5.49 Case B模擬540分鐘XZ切面溫度分層圖 69
圖5.50 Case C模擬60分鐘XZ切面溫度分層圖 70
圖5.51 Case C模擬540分鐘XZ切面溫度分層圖 70
圖5.52 Case A模擬60分鐘不同高度切面溫度分層圖 71
圖5.53 Case A模擬540分鐘不同高度切面溫度分層圖 72
圖5.54 Case B模擬60分鐘不同高度切面溫度分層圖 73
圖5.55 Case B模擬540分鐘不同高度切面溫度分層圖 74
圖5.56 Case C模擬60分鐘不同高度切面溫度分層圖 75
圖5.57 Case C模擬540分鐘不同高度切面溫度分層圖 76
圖5.58 Case A儲熱槽及冷熱物流溫度變化 77
圖5.59 Case B儲熱槽及冷熱物流溫度變化 78
圖5.60 Case C儲熱槽及冷熱物流溫度變化 78
圖5.61 Case A模擬60分鐘XZ切面溫度分層圖 80
圖5.62 Case A模擬60分鐘XZ切面溫度分層圖 80
圖5.63 Case B模擬60分鐘XZ切面溫度分層圖 81
圖5.64 Case C模擬60分鐘XZ切面溫度分層圖 81
圖5.65 Case C模擬60分鐘XZ切面溫度分層圖 82
圖5.66 Case C模擬540分鐘XZ切面溫度分層圖 82
圖5.67 Case A模擬60分鐘不同高度切面溫度分層圖 83
圖5.68 Case A模擬540分鐘不同高度切面溫度分層圖 84
圖5.69 Case B模擬60分鐘不同高度切面溫度分層圖 85
圖5.70 Case A模擬540分鐘不同高度切面溫度分層圖 86
圖5.71 Case C模擬60分鐘不同高度切面溫度分層圖 87
圖5.72 Case C模擬540分鐘不同高度切面溫度分層圖 88
圖5.73 Case A儲熱槽及冷熱物流溫度變化 89
圖5.74 Case B儲熱槽及冷熱物流溫度變化 90
圖5.75 Case C儲熱槽及冷熱物流溫度變化 90
圖5.76 熱水進口溫度330 K對於Case A儲熱槽及冷熱物流溫度變化 91
圖5.77 熱水進口溫度350 K對於Case A儲熱槽及冷熱物流溫度變化 92
圖5.78 熱水進口溫度360 K對於Case A儲熱槽及冷熱物流溫度變化 92
圖5.79熱水進口溫度330 K對於Case B儲熱槽及冷熱物流溫度變化 93
圖5.80熱水進口溫度350 K對於Case B儲熱槽及冷熱物流溫度變化 94
圖5.81熱水進口溫度360 K對於Case B儲熱槽及冷熱物流溫度變化 94
圖5.82熱水進口溫度330 K對於Case C儲熱槽及冷熱物流溫度變化 95
圖5.83熱水進口溫度350 K對於Case C儲熱槽及冷熱物流溫度變化 96
圖5.84熱水進口溫度360 K對於Case C儲熱槽及冷熱物流溫度變化 96
圖5.85改變熱流速率對Case A儲熱槽及冷熱物流溫度變化 97
圖5.86改變熱流速率對Case A儲熱槽及冷熱物流溫度變化 98
圖5.87改變熱流速率對Case B儲熱槽及冷熱物流溫度變化 99
圖5.88改變熱流速率對Case B儲熱槽及冷熱物流溫度變化 99
圖5.89改變熱流速率對Case C儲熱槽及冷熱物流溫度變化 100
圖5.90改變熱流速率對Case C儲熱槽及冷熱物流溫度變化 101
圖5.91改變冷流速率對Case A儲熱槽及冷熱物流溫度變化 102
圖5.92改變冷流速率對Case B儲熱槽及冷熱物流溫度變化 102
圖5.93改變冷流速率對Case C儲熱槽及冷熱物流溫度變化 103
圖5.94集熱板出口水溫對Case A儲熱槽及冷熱物流溫度變化 104
圖5.95集熱板出口水溫對Case B儲熱槽及冷熱物流溫度變化 104
圖5.96集熱板出口水溫對Case C儲熱槽及冷熱物流溫度變化 105
圖5.97熱水槽出口水溫對Case A儲熱槽及冷熱物流溫度變化 106
圖5.98熱水槽出口水溫對Case B儲熱槽及冷熱物流溫度變化 106
圖5.99熱水槽出口水溫對Case C儲熱槽及冷熱物流溫度變化 107
圖5.100起始槽溫對Case A儲熱槽冷水出口溫度之比較 109
圖5.101起始槽溫對Case B儲熱槽冷水出口溫度之比較 109
圖5.102起始槽溫對Case C儲熱槽冷水出口溫度之比較 110
圖5.103 起始槽溫340 K三種儲熱槽冷水出口溫度之比較 110
圖5.104改變熱流進口溫度對Case A儲熱槽冷水出口溫度之比較 112
圖5.105改變熱流進口溫度對Case B儲熱槽冷水出口溫度之比較 112
圖5.106改變熱流進口溫度對Case C儲熱槽冷水出口溫度之比較 113
圖5.107熱流進口溫度360 K對三種儲熱槽冷水出口溫度之比較 113
圖5.108 改變熱流進口速度對Case A儲熱槽冷水出口溫度之比較 115
圖5.109改變熱流進口速度對Case B儲熱槽冷水出口溫度之比較 115
圖5.110 改變熱流進口速度對Case C儲熱槽冷水出口溫度之比較 116
圖5.111 改變熱流進口速度對三種儲熱槽冷水出口溫度之比較 116
圖5.112 改變冷流進口速度對三種儲熱槽冷水出口溫度之比較 118
圖5.113 集熱板出口水溫對三種儲熱槽冷水出口溫度之比較 120
圖5.114 熱水槽出口水溫對三種儲熱槽冷水出口溫度之比較 120



表目錄
表3.1 離散方法設定 21
表3.2 收斂準則 23
表5.1起始槽溫不同,模擬540分鐘後平均槽溫之結果 108
表5.2起始槽溫不同,模擬540分鐘後冷水出口溫度之結果 108
表5.3起始槽溫不同,模擬540分鐘後熱流出口溫度之結果 108
表5.4熱流進口溫度不同,模擬540分鐘後平均槽溫之結果 111
表5.5熱流進口溫度不同,模擬540分鐘後冷水出口溫度之結果 111
表5.6熱流進口溫度不同,模擬540分鐘後熱流出口溫度之結果 111
表5.7熱流進口速度不同,模擬540分鐘後平均槽溫之結果 114
表5.8熱流進口速度不同,模擬540分鐘後冷水出口溫度之結果 114
表5.9熱流進口速度不同,模擬540分鐘後熱流出口溫度之結果 114
表5.10冷流進口速度不同,模擬540分鐘後平均槽溫之結果 117
表5.11冷流進口速度不同,模擬540分鐘後冷水出口溫度之結果 117
表5.12冷流進口速度不同,模擬540分鐘後熱流出口溫度之結果 117
表5.13熱流進口溫度為真實日曬水溫,模擬540分鐘後平均槽溫之結果 119
表5.14熱流進口溫度為真實日曬水溫,模擬540分鐘後冷水出口溫度之結果 119
表5.15熱流進口溫度為真實日曬水溫,模擬540分鐘後熱流出口溫度之結果 119
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