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m2 ? TP—集热器吸热板平均温度

发布时间:2019-11-13 01:26

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  太阳能集热器的布局与数学模子材料_其它_职业训诲_训诲专区。4 太阳能集热器的布局与数学模子 ? 主动式太阳能修设是通过集热安装来搜聚太阳能, 因而太阳能集热器的出力对一切编造来说至闭重 要。太阳能集热器是一种摄取太阳辐射能并向工 质通报热量的安装,以工

  4 太阳能集热器的布局与数学模子 ? 主动式太阳能修设是通过集热安装来搜聚太阳能, 因而太阳能集热器的出力对一切编造来说至闭重 要。太阳能集热器是一种摄取太阳辐射能并向工 质通报热量的安装,以工质品种可分为工质为液 体的集热器和工质为气体的气氛集热器。太阳能 集热器从闷晒式、平板式、全玻璃真空管不竭发 展到金属热管式。热管式太阳能集热器,运用真 空管集热,内置¤型翅片,把高温情况中的热量传 给热管、热管缓慢将热量传入水箱,出格正在众云, 辐射强度低的处境下,启动传热疾。本章厉重介 绍了热管式太阳能集热器编造的办事道理、特质 及集热器的布局与数学模子。 4.1 热管式太阳能集热器 ? ? 4.1.1 热管式太阳能集热器的办事道理 热管式太阳能集热器的办事道理是运用金属吸热板摄取紫 外线,当金属吸热板温度到达20℃时,热管中的工质就汽 化向上运动,正在运动进程中不竭摄取吸热板上的热量,到 达冷凝端时可到达250℃,正在冷凝端回流至热管底部,反复 加进程。热管沿轴向分为蒸发段、绝热段和冷凝段,蒸发 段使热量从管外热源传给管内的液相工质,并使其蒸发, 气相工质正在冷凝段冷凝,并把热量通报给管外的冷源。当 冷源和热源隔离时,绝热段使管内的工质和外界不作热量 通报,吸液芯靠毛细用意使液相工质由冷凝段回流到蒸发 段及使液相工质正在蒸发段沿径向分散。太阳能热水器中应 用的热管普通为两相闭式热虹吸管 (简称TPCT),又叫重力热 管,内部没有吸液芯,凝固的液体从冷凝段回到蒸发段不 是靠吸液芯所发作的毛细力,而是依赖凝固液的本身重力。 ? 会集供热的热管式集热器布局如图2-1所示, 几片集热器撮合构成一个集热编造,其特 点是采用两级热管布局,集热板摄取热量 后,源委第一级热管传入中央大直径的管 子,该管中充有工质,然后第二级热管从 中央的管子摄取热量传入水箱。如此 ,当一 片集热器或一根热管产生暴露时,不会导 致一切集热编造的失效,处理了真空管一 支损坏而导致一切集热器无法运用的坏处。 水箱 热管 集热板 图2-1 会集供热热管式太阳能集热编造图 4.1.1 热管式太阳能集热器的特质 ? 热管式太阳能集热器热管的热容极小,正在众云间 晴的低日照条目下能缓慢起动,有用搜聚热量。 因而纵然闭于日照条目不太高的地域也可有用使 用,运用区域很广;因为被加热的工质不直接流 入真空管内,因而编造管途可承担较高办事压力 (≤6kg/cm2),承压才气很强;热管式太阳能集 热器采用热管传热本事,集热管内无水,不会因 高寒地域气温过低而冻破集热管,从而影响运用, 况且因管中无水,若一支热管破损,不会影响整 机办事。热管式传热方法使编造即使正在-50℃的气 温条目下仍能平常运转,况且具有抗直径25mm以 下冰雹抨击的才气;集热器为单位式布局,便于 搬运、安设。当编造中某根真空管需求维修时, 可正在不障碍编造运转的处境下举行改换,安设维 修很利便。 ? 其余水压高,冷凝端换热,出格合用全体 编造的运用;热出力高,闷晒温度达250 ℃, 办事温度为70-120 ℃。由热管式真空管构 成的太阳能集热用具有热出力高和办事温 度高的长处,所以不单可能用于太阳能热 水,还可用于公用热水、太阳能采暖、太 阳能空调、热泵编造、海水淡化、医用杀 菌,等诸众范围。 ? ? ? ? 热管式集热器与守旧集热器对照,具有以下长处: (1)用热管传输热量,可避免寻常集热器生存的集 热管冬天晚间结冰题目。 (2)因为重力辅帮热管的“热二极管”的用意,热 量只可从吸热板向换热器输送,能避免黄昏或阴天 时的倒飘泊热。 (3)热容小,启动职能好。 (4)热管式真空管集热器兼有平板型集热器与玻璃 真空管平板型集热器的长处,热管式集热器因为热 管外外观涂有拔取性摄取涂层,况且真空绝热,因 此热耗损小,正在高的办事温度下仍有较高的集热效 率。热管选用相宜的工质使集热器温度横跨工质的 临界温度后,热管的传热就放弃,这就避免了集热 器正在无负荷处境下带来的高温题目。 4.2 热管式太阳能集热器的数学模子 ? 2.2.1 热管式太阳能集热器的布局 ? 如图2-2所示,太阳辐射穿过真空管玻璃外 壳,投射正在金属吸热板上。吸热板将太阳辐 射能转换为热能,使热管蒸发段内的传热介 质汽化。蒸汽上升到热管冷凝段后,通过导 热块将热量通报给集管内的工质,而本身又 凝固为液体,依赖重力流回蒸发段。上述过 程反复轮回,使集管内的工质不竭升温。与 此同时,被加热的吸热板和集管则不行避免 的经由各类途经向四周情况散失一个人热量。 为了便于对热管式真空管集热器举行传热分 析,作如下假设: (1)粗心真空管内气氛对流和传导热耗损; ? (2)真空管玻璃外壳与四周情况的传热系数 为常数; ? (3)真空管总热损系数UL正在必定温度边界 内为常数; ? (4)粗心热管管壁、导热块和集管管壁的传 导热阻; ? (5)粗心吸热板与热管蒸发段之间以及导热 块与热管冷凝段、集管之间的接触热阻; ? (6)热管内传热介质蒸汽的湿度平均相仿。 ? ? 4.2.2 根本方程 1/Kb-a QL S Ta S Ta 1/UL (a) Tp Qu Tp 1/Kg-a Tg 1/Kp-g Qu (b) 图2-3 热管式太阳能集热器热搜集图 图2-2(a)给出了热管式真空管集热器的等效 热搜集。按照能量守恒定律,单元时光内集 热器取得的有效能量等于集热器摄取的太阳 辐射能量减去集热器向四周情况散失的能量, 即 ? (2-1) Qu ? S ? Ql ? 式中S—单元时光内太阳辐射总量,W ? Qu—单元时光内集热器取得的有效能量,W ? QL—单元时光内集热器热耗损量,W ? 将S和QL的数学外达式代入式(2-1)可得 ? Q ? A I ??? ? ? A U (T ? T ) ( 2-2 ) u p p L p a e ? 式中 I—太阳辐照度,W/m2 ? UL—总热耗损系数,W/m2.℃ ? AP—集热器吸热板面积, m2 ? TP—集热器吸热板均匀温度, ℃ ? Ta—情况温度, ℃ ? ? ? 集热器出力可界说为集热器取得的有效功率与投 射到集热器上的太阳辐射功率之比,即 Qu (2-3) ?? As I ? ? 将式(2-2)代入式(2-3),取得热管式真空管 集热器的瞬时出力方程: (2-4) Ap ? T p ? Ta ? ?? ???? ?e ? U L As ? I ? ? ? ? 式中(ηα)e—集热器有用透过率与摄取率乘积, 无因次 AS—线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4.2.3 总热耗损系数UL 真空管集热器的总热耗损系数UL是真空管热耗损 系数Ut和保温盒热耗损系数Ub之和。 (2-5) U L ? Ut ? Ub Ut ? ( 1 K p? g ? 1 K g ?a 由图2-3(b)可知,Ut可外达为: ) ?1 (2-6) 式中 Ut—真空管热耗损系数,W/m2.℃ Ub—保温盒热耗损系数,W/m2.℃ Kp-g—吸热板与玻璃管的传热系数,W/m.℃ Kg-a—玻璃管与四周情况的传热系数,W/m.℃ ? ? 按照辐射换热道理,可推导出吸热板与玻璃管之间辐射换 热功率Qp-g的数学外达式: (2-7) 2 A ? ?T 4 ? T 4 ? Qp? g ? p p g 1 ?p ? ? ? ? ? 2 Ap ? 1 ? ? 1? ? Ag ? ??g ? 即 Qp? g ? K p? g Ap ?Tp ? Tg ? 2 2? ?T p ? Tg ? T p ? Tg2 (2-8) 撮合式(2-7)和(2-8)可得: K p? g ? ? ? (2-9) 1 ?p ? ? 2 Ap ? 1 ? ? 1? ? Ag ? ??g ? ? ? ? 式中 ζ—斯蒂芬—玻尔兹曼常数,W/m2.K4 εg—玻璃管的发射率,无因次量 Tg—玻璃管外壳温度,℃ ? ? ? 由图2-3(b)可知,真空管的热耗损还可外现为: ( 2-10 ) U ?T ? T ? ? K ?T ? T ? t p a p? g p g ? ? 用迭代法求解式(2-6)(2-9)(2-10)方程组, 可谋划出真空管热损系数Ut。保温盒热耗损厉重 由集管通过隔热质料的传导向四周情况散失热量, 用(UA)b它由隔热质料的导热系数、隔热质料的 厚度和保温盒外观积等成分裁夺。腾博会娱乐可外现为: (2-11) U b ? K b?a 谋划出Ut和Ub后,便可求得真空管集热器的总热 损系数UL。 (UA) b ? Ap 4.2.4 出力因子F′ ? 正在某些处境下,热管式真空管集热器的瞬时 出力方程需用热管温度Th外现: ? (2-12) ? Ap ? ? Th ? Ta ? ? ? ?? ? ? ? F ???? ?e ? U L ? ? As ? ? I ? 式中 F′—称为集热器出力因子,无因次 ? Th—热管温度,℃ ? 其物理事理是集热器实质的有效能与假思吸 热板温度为热管温度时有效能量之比。 ? DuffSe和 Beckman推导出差异布局格式吸 热板的F′外达式,假定吸热板是轧造、吹胀 而成的,其F′外达式为: 1 ? (2-13) F? ? ? UL ? 1 W? ? ? ? ? D ? W ? D F ? DK e ? ? 式中 Ke—吸热板与热管蒸发段的传热系数, W/m.℃ ? F—吸热板的肋片出力,无因次 ? ? ? F可用下式外现: tanh?m?W ? D ? 2? F? m?W ? D ? 2 (2-14) ? ?U L ? m?? ? ? ?? ? 12 (2-15) ? ? ? ? ? 式中 W—摄取板宽度,m D—热管蒸发段外径,m λ—吸热板导热系数,W/m.℃ δ—吸热板厚度,m 吸热板的各项参数W、D、λ、δ均是已知,热管蒸发段传热 系数Ke可从相闭文献中查得,总热损系数UL可谋划求得, 因而按照式(2-13)(2-14)(2-15)可谋划出真空管集热 器的出力因子F′ ? ? ? 4.2.5 热挪动因子FR 假使用集监工质进口温度Ti外现热管式真空管集热 器的瞬时出力方程,则有: ?A ? ? T ? Ta ? (2-16) ? ? ? p ? F ??? ? ? U i ? A ? ? s ? R ? ? e L I ? ? ? ? ? 式中Ti—集监工质进口温度,℃ FR—集热器的热挪动因子,无因次 FR其物理事理是集热器实质的有效能与假思吸热 板温度为工质进口温度时的有效能之比。为了推导 FR,正在粗心热管管壁、导热块和集管管壁的传导 热阻以及它们之间接触热阻的条件下,可能以为沿 集管滚动的工质是处于等壁温Th加热形态之下。 ? ? 正在集管长度L内任何隔断y处的工质与管壁的传热方程为: Ac dT ?T ? T ? (2-17) mC ?K p dy c L h ? ? ? ? ? ? ? ? 式中Kc—热管冷凝段的传热系数, W/m.℃ Ac—热管冷凝段面积,m2 将方程(2-17)沿y偏向积分,有 (2-18) T L K A dT c c ? o Ti Th ? T ?? 0 mCp L dy 求解后得: To ? Ti exp(? N m ) ? Th ?1 ? exp(? N m )? (2-19) 式中 N m ? Kc Ac mCp (2-20) 按照界说,集热器出力可写成 m Cp ?To ? Ti ? ? (2-21) ?? ? As I 将式(2-19)代入(2-21),并与式(2-12) 撮合求得Th,可得 I ??? ?e ? Ta ? Ti F1 ? (2-22) ? Th ? UL 1 ? F1 ? 式中 ? ? F1 ? ?1 ? exp(? N m )? N c N c ? F U L Ap mCp (2-23) (2-24) ? ? 将式(2-22)代入(2-19)式,清理后得 (2-25) ? I ??? ?e ? F1 To ? Ti ? ? ? ?Ti ? Ta ?? Nc 将(2-25)代入(2-21)并与(2-16)式兼并, 求得 F1 (2-26) FR ? F 1 ? F1 ? UL ? 1 ? F1 ? ? ? 式(2-26)是单根真空管处境下的FR谋划公式。 式中F1既包罗有又包罗有,这注脚热管式真空管 集热器的热挪动因子不单与集热器的总热耗损 ULAp相闭,况且正在很洪水平上取决于热管冷凝段 的传热量KcAc。 ? ? ? ? ? ? ? 当n根真空管相连正在统一根集管上时,每根真空管所对应集 管段的出口温度将是下一根真空管所对应集管段的进口温 度。使用雷同上述办法,可能推导出n根真空管处境下的FR 谋划式: F ?1 ? G n ? FR ? (2-27) Nc 式中 G ? 1? N c F1 n 1 ? F1 (2-28) (2-29) F1 ? 1 ? exp?? N m n? Nc n (2-30) N m ? n K c Ac mCp (2-31) 正在式(2-27)-(2-31)中,集热器各项参数Ap、Ac、n、 m均是已知的,传热系数Kc可从相闭文献中查得,UL和F′ 可能求得,于是就可能谋划出真空管集热器的热挪动因子 FR。 N c ? n F U L Ap mCp

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