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可得 ? 其中 ? 由于通常框架是由薄金属制成的

发布时间:2019-11-26 12:58

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  第2章 太阳能集热器 ? 太阳能集热器是汲取太阳辐射并将发生的热能传 递到传热工质的装配,是太阳能热使用编造的核 心兴办。 ? 太阳能集热器能够按众种要领举行分类。 ? 依据传热工质的类型,能够分为液体集热器和空 气集热器; ? 依据进入采光口的太阳辐射是否改动倾向,能够 分为聚光型集热器和非聚光型集热器; ? 依据集热器内是否有真空空间,能够分为平板型 集热器和真空管集热器; ? 依据集热器的做事温度界限,能够分为低温集热 器、中温集热器和高温集热器。 第1节 平板型集热器 ? 平板型集热器大凡正在100℃以内的低温界限内使用, 它不只组织简略,操作容易,代价也比拟低廉。 ? 众用于家庭供暖、供热水以及工农业的低温供热。 一、集热器的组织 ? 大凡来说,平板型集热器由下列5个部件构成。 ? (1)吸热体 汲取太阳能并转换成热能通报给工质。 ? (2)盖层 答应太阳辐射透过但阻塞吸热体的长波辐 射以节减吸热体的热损。 ? (3)保温层 节减吸热体不直接汲取太阳辐射局限的 热损。 ? (4)工质及活动通道 使工质能与吸热体发作热接触。 集热器的工质为流体(液体或气体)。 ? (5)支架及框架 将集热器的各个局限贯串成一个整 体并支柱其重力。 ? 液体集热器用水或者水-防冻剂搀杂物行为工质, 有时也用轻油、硅油、乙烯等行为工质。 ? 气体集热器以气氛为工质。 ? 大大批液体集热器都采用管-平板连合式吸热体, 管子能够正在板的前面、后面或与板焊接成一个整 体,有时也采用波纹金属板行为吸热体。 ? 气体集热器则使用吸热体与盖层之间的通道或吸 热体背后的通道,负气氛与吸热体发作热接触; 为了增大传热系数,还采用搅拌器、肋片和波纹 状吸热体以及众孔吸热体等。 ? 盖层既能够操纵玻璃,也能够采用透后塑料,层 数则由集热器的用处及其操纵所正在而定。 ? 正在低纬度处,普通只需一层,但正在中高纬度处, 则有时须要两层乃至三层,以造止过众的热失掉。 ? 一切盖层都必需对太阳辐射具有高透射率,而对 于热辐射则具有低透射率。 ? 正在集热器的后面和地方,必需安顿足够的保温材 料以节减热损,至于实在的数目则由本钱、用处、 所正在以及打算而定。 二、光学特征 ? 吸热体是低温集热器的最要紧的部件,哀求其对 太阳辐射具有较高的汲取率,优异的导热性,同 时看待做事温度下的低温长波辐射的发射率较低。 ? 黑体能够汲取一切波长的辐射,汲取率最大, α=1。 ? 依照基尔霍夫定律,黑体也具有最大的发射率ελ。 ? 吸热体对辐射的汲取和发射依赖于波长。 ? 使用这一点,能够对吸热体外外遮盖采取性涂层。 ? 采取性涂层正在可睹光区域具有很高的汲取率,但 正在红外区域具有很小的发射率。 ? 有许众采取性涂层正在可睹光区域的汲取率与红外 区域的发射率之比,即ε/α都很高,如黑镍、黑锌、 黑铬等。 ? 使用采取性涂层,平板型集热用具有较好的功能, 然则也有两个弊端: ? (1)采取性涂层对高温和天气条款比拟敏锐; ? (2)本钱较高。 ? 看待不透后的汲取外外,有α+ρ=1,个中ρ为反射 率。以是有:α =1—ρ。 ? 正在短波区域,反射率ρ很小,即α很大;而正在长波 区域,ρ 很大,即α很小,或者ε很小。 ? 吸热体上面的盖板该当具有很高的短波辐射透射 率(τ)和较低的长波辐射透射率。 ? 依照公式α+ρ+τ=1,可知高透射率就哀求具有低的 汲取率和反射率。 ? 盖板对辐射的汲取,无论是正在短波区域依然正在长 波区域都要比拟小。 ? 玻璃正在可睹光区域透射率约为97%,正在红外区的 汲取率约为94%。 ? 依照基尔霍夫定律,红外区的高汲取率导致高发 射率,使得辐射热失掉加多。 ? 通过喷涂正在红外区域透后的涂层(如氧化铟(In2O3), 氧化锌(ZnO2)),能够大大节减红外辐射热失掉。 ? 与吸热体的采取性涂层似乎,这些涂层透露正在高 温境况和区别的天气条款下,功能会低沉,同时, 本钱也比拟高。 低温集热器能够有区别的打算,但苛重的模范即是 或许向工质有用传热。 三、平板型集热器的能量判辨 ? 1、平板型集热器的能量平均 ? 平板型集热器吸热体的能量平均方程如下: 个中,QA为吸热体接纳的太阳辐射;Qu为工质得到 的有用热;QL为吸热体的热失掉。 ? 热失掉能够外现为 ? 个中,Qk为吸热体的传导热失掉,W;Qc为吸热 体的对流热失掉,W;Qr为吸热体向外的长波辐 射热失掉,W。 ? 正在本质工程中,热失掉常用下式外现: ? 个中,Qb为集热器后面热失掉,W;Qs为集热器 侧面热失掉,W;Qf为集热器正面热失掉,W。 ? 2、能量失掉判辨 ? 平板型集热器的热失掉QL能够外现为 ? 个中: ? T为吸热体温度,K; ? T∞ 为境况温度,K; ? Ac为集热器面积,m2; ? UL为总热损系数,W/(m2· K),为正面热损、后面 热损、侧面热损之和,即 ? (1)后面热损 ? 后面热损苛重席卷传导热损和对流热损。 ? 榜样的平板型集热器正在吸热体的后面装有保温层, 其热导率为k,厚度为t。 ? 使用热阻的观点,能够得后面的热阻Rb为 ? 个中,Ri和Rc分散外现保温层热阻和对流热阻;hb 为对宣传热系数。 ? 集热器通过后面的热损速度为 ? 式中,Ab外现后面的面积,Tb,∞为后面的气温。 ? 上式与前式比拟,可得 ? 个中 ? 大大批集热器都采用很厚的保温层,且所用质料 的热导率都很低。因而,t/k常庞大于1/hb,故背 面热损系数简化为 ? 对常用的平板型集热器,Ab=Ac,且Tb,∞=T∞,此时 后面热损系数即简化为k/t。 ? (2)侧面热损 ? 侧面热损苛重由热传导和对流形成。 ? 平板型集热器的侧面普通由框架与保温层组成。 ? 因为框架的内部面临几种区别的温度,故侧面传 热应是二维的。为了得到合于侧面传热系数的比 较落后|后进的测度,能够假定框架内部的温度处于最 高恐怕的温度(即吸热体温度T),如此传热就变为 一维的。 ? 侧面热阻Rs为 ? 个中,tm和km分散为框架的厚度和热导率;hs为 侧面的对宣传热系数。 ? 集热器通过侧面的热损速度为 ? 式中,As为笔直于传热倾向的侧面总面积,大凡 即等于侧面的高度与周长的乘积。 ? 与式 ? 比拟,可得 ? 个中 ? 因为普通框架是由薄金属造成的,即tm很小,且 t/k庞大于1/hs,即使Ts,∞=T∞,则侧面热损系数可 以简化为 ? (3)正面热损 ? 集热器正面的热损通过传导、对流和热辐射三种 方法同时发作。 ? 传导通过盖层发作,而对流和热辐射则正在吸热体 和盖层的空地之间以及最外层盖板与周遭气氛之 间发作。 ? 设所思虑的集热用具有两层盖板,则正在等效热回 道中的种种热阻如下: ? Rc,1∞:风力形成的对流热阻; ? Rr,1∞:外层盖板与天空之间的辐射热阻; ? R12:外层盖板的传导热阻; ? Rc,23:正在两层盖板之间气氛裂缝内的热阻; ? Rr,23:两层盖板之间的辐射热阻; ? R34:内层盖板的传导热阻; ? Rc,45:内层盖板与吸热体之间气氛裂缝内的热阻; ? Rr,45:内层盖板与吸热体之间的辐射热阻。 ? 全部正面热回道的净有用热阻Req为 ? 正面热损系数Uf即为Req的倒数,且通过集热器正 面的热损速度为 ? 给定境况温度和吸热体温度后,能够通过热阻回 道的判辨求得盖层外外的温度。 ? 比方,内盖层外外外的温度即为 ? 综上所述,求解Uf的方法为: ? (1)预估T1,T2,T3和T4的值; ? (2)依照测度值求出一切热阻; ? (3)使用热阻求得正面热损系数Uf; ? (4)使用Uf算计Qf; ? (5)依照热回道图从头算计T1,T2,T3和T4的值; ? (6)使用这些新的温度值,举行迭代算计,直到误 差正在给定界限内。 四、集热器的效劳 ? 集热器得到的太阳辐射为 ? 个中,Ig为太阳辐射强度,W/m2;τ为总透射率; α为吸热体的汲取率;Ac为集热器面积,m2。 ? 因而 热失掉能够外现为 ? 个中,UL为吸热体的总热损系数,W/(m2· K);T为 吸热体温度,K; T∞为境况温度,K。 ? 由上面两式能够获得 ? 单元集热器吸热局面积获得的有用能量即是 集热器的热效劳界说为 ? 个中,η0=ατ,为汲取率与透射率的乘积,普通称 为光学效劳或转换系数。 ? 1、光学效劳算计 ? 算计光学效劳,起首要确定盖板的总透射率。 ? (1)确定反射系数 ? 普通,反射率ρ和透射率τ能够用下式外现: 个中,下标b和s分散外现直射辐射和散射辐射, 下标R和e分散代外入射辐射的反射和透射局限。 ? 盖板内的辐射本质上是源委了众次反射。 ? 使用菲涅尔(Fresnel)公式,反射率能够外现为 ? 个中,θ1和θ2分散为入射角和折射角。 ? 依照光的折射定律,有 ? 个中,n1,n2分散为气氛和玻璃的绝折半射率; n21为玻璃相看待气氛的相折半射率。 ? 将上式带入前式,可得 ? (2)只思虑反射地步的透射率算计 ? 只思虑入射光正在玻璃盖板上下界面上的众次反射 和透射,不思虑玻璃汲取的情形,则总辐命中穿 过玻璃盖板的透射率τr算计如下。 ? 源委1次,2次,3次,? ,n次,?反射,各次透 过玻璃盖板的辐射量能够外现为 ? 总的透过辐射是 故 似乎地,能够获得N层盖板的透射率: ? (3)只思虑汲取地步的透射率算计 ? 玻璃的入射辐命中,有一局限会被玻璃汲取。光 线源委的门道越长,被汲取的就越众。 ? 与大凡传输定律似乎,有 ? 式中,τA为仅思虑汲取情形下玻璃盖板的透射率; K为汲取系数,1/m;m为光程,m。 ? 即使入射光的入射角为θ1,折射角为θ2,封盖为N 层,每层的厚度为t而且具有相像的汲取率,则 ? (4)总透射率 ? N层盖板的编造的总透射率是τr,N和τA,N的乘积, 即 或者 个中,θ2=arcsin(n12sinθ1)。 ? (5)光学效劳 ? 总透射率与吸热体汲取率的乘积即为光学效劳, 如下式所示: ? 2、其他形态的效劳方程 ? 因为吸热板温度阻挠易测定,而集热器工质的进 口温度Ti和出口温度Te比拟容易测定,以是集热器 效劳方程也能够用集热器均匀温度Tm来外现: 式中,F为集热器效劳因子,其物理事理是:集 热器本质输出的能量与假定全部吸热板处于工质 均匀温度时输出的能量之比;T∞是境况温度。 ? 尽量集热器均匀温度能够测定,但因为集热器出 口温度随太阳辐照度变更,阻挠易掌管,以是集 热器效劳方程也能够用集热器进口温度Ti来外现: ? 式中,FR为集热器热变化因子,其物理事理是: 集热器本质输出的能量与假定全部吸热板处于工 质进口温度时输出的能量之比。 ? 集热器热变化因子与集热器效劳因子之间的联系 为 式中,F为集热器活动因子。 因为F1,腾博会娱乐以是FRF1。 ? 3、集热器效劳弧线 ? 将集热器效劳方程正在直角坐标系中以图形外现, 获得的弧线称为集热器效劳弧线,或集热器瞬时 效劳弧线。 ? 正在直角坐标系中,纵坐标外现集热器效劳,横坐 标外现集热器做事温度和境况温度的差值与太阳 辐照度之比,有时也称为归一化温度。 ? 假定UL为常数,则集热器效劳弧线为一条直线。 ? 效劳方程 ? 从图中能够获得如下几点顺序。 ? (1)集热器效劳不是常数而是变数 ? 集热器效劳与集热器做事温度、境况温度和太阳 辐照度都相合系。 ? 集热器做事温度越低或者境况温度越高,则集热 器效劳越高;反之,则集热器效劳越低。 ? 统一台集热器正在炎天具有较高的效劳,而正在冬天 具有较低的效劳。 ? 正在餍足哀求的条件下,应尽量消浸集热器的做事 温度,以得到较高的效劳。 ? (2)效劳弧线正在y轴上的截距值外现集热器可得到 的最大效劳 ? 图中(a)、(b)、(c)中,最高效劳分散为FRτα,Fτα, τα。因为1FFR,以是τα FταFRτα。 ? (3)效劳弧线的斜率值外现集热器总热损系数的大 小 ? 斜率值越大,则集热器总热损系数越大;反之, 斜率值越小,则总热损系数越小。 ? (4)效劳弧线正在x轴上的交点值外现集热器能够达 到的最高温度 ? 当集热器的散热失掉到达最大时,集热器效劳为 零,此时集热器到达最高温度,也称为滞止温度 或闷晒温度,该温度为 第2节 真空管集热器 ? 为了节减传导、对流和辐射等换热失掉,有人提 出了将平板型集热器吸热体与透后盖层之间的空 间抽成真空的真空管集热器。 ? 因为密封工艺和受力强度两方面的因为,平板型 真空管集热器难以造造。 ? 将集热器的根本单位——集热管抽成真空则是可 以杀青的。 ? 一台真空管集热器普通由若干只真空集热管构成, 真空集热管的外壳是玻璃圆管,其内部的吸热体 能够是圆管状、平板状或其他样子。 ? 因为每台真空管集热器是由若干只真空集热管组 成的,因此真空管集热器的分类,本质上主假若 真空集热管的分类。 ? 按吸热体的质料品种,真空管集热器可分为两大 类。 ? (1)全玻璃真空管集热器,是吸热体由内玻璃管组 成的线)金属吸热体真空管集热器,是吸热体由金属材 料构成的真空管集热器,有时也称为金属-玻璃真 空管集热器,个中最具有代外性的是热管式真空 管集热器。 ? 目前,真空管集热器使用于太阳能热水、采暖、 造冷空调、物料干燥、海水淡化、工业加热、热 发电等诸众界限。 一、全玻璃线、根本组织 ? 全玻璃真空集热管由内玻璃管、外玻璃管、采取 性汲取涂层、弹簧支架、消气剂等部件构成,其 样子犹如一只颀长的暖水瓶胆。 ? 全玻璃真空集热管采用一端启齿,并将内玻璃管 和外玻璃管的一端管口举行环状熔封,另一端密 闭成半球形圆头;内玻璃管用弹簧支架支柱,而 且能够自正在伸缩;内玻璃管和外玻璃管之间的夹 层抽成高真空。 ? 内玻璃管的外外外涂有采取性汲取涂层,弹簧支 架上装有消气剂,用于汲取真空集热管运转时产 生的气体,坚持管内线、更正形态 ? 因为真空集热管内装水,正在运转进程中若有一只 管割裂,全部编造都要中断做事。 ? 能够采用两种要领举行更正: ? 一种是将带有金属片的热管插入真空集热管中, 使金属片紧靠正在内玻璃管的表里外; ? 另一种是将带有金属片的U形管插入真空集热管 中,也使金属片紧靠正在内玻璃管的表里外。 ? 这两种更正形态的全玻璃真空集热管,因为管内 没有水,不会因一只破损而影响编造的运转,因 而提升了产物的牢靠性。 二、热管式真空管集热器 ? 热管式真空集热管是金属吸热体真空集热管的一 种,它由热管、金属吸热板、玻璃管、金属封盖、 弹簧支架、蒸散型消气剂和非蒸散型消气剂等部 分组成,个中热管又席卷蒸发段和冷凝段两局限。 ? 热管是使用汽化潜热高效通报热能的深化传热元 件。 ? 蒸散型消气剂正在高频激活后被蒸散正在玻璃管的真 空侧外外,像镜面雷同,其苛重功用是提升真空 集热管的初始真空度;非蒸散型消气剂是一种常 温激活的长效消气剂,其苛重功用是汲取管内各 部件做事时开释的剩余气体,坚持真空集热管的 永恒真空度。 ? 正在热管式真空集热督工作时,太阳辐射穿过玻璃 管后投射正在金属吸热板上。 ? 吸热板汲取太阳辐射能并将其转换为热能,再传 导给苛密连合正在吸热板中心的热管,使热管蒸发 段内的工质敏捷汽化。 ? 工质蒸汽上升到热管冷凝段后,正在较冷的表里外 上冻结,开释出蒸发潜热,将热量通报给集热器 的传热工质。 ? 冻结后的热管液态工质依托其自己的重力流回到 蒸发段,然后反复上述进程。 ? 若干只真空集热管贯串起来,组成真空管集热器。 ? 当热管式真空督工作时,每只真空管将热量从热 管冷凝端开释出去,然后再通过导热块将热量传 导给贯串管内的传热工质。 ? 其结果是,若干只真空集热管接二连三地加热传 热工质,使其温度无间上升,直到到达操纵的目 的。 三、其他形态金属吸热体真空管集 热器 ? 金属吸热体真空管集热器的吸热体都采用金属材 料,并且真空集热管之间也都采用金属件贯串。 ? 苛重使用的形态有:专心套管式、U形管式、储 热式、内聚光式和直通式等。 ? 1、专心套管式真空管集热器 ? 专心套管式真空集热管,又称为直流式真空集热 管,苛重由专心套管、吸热板、玻璃管等几局限 构成。 ? 所谓专心套管即是两根内皮毛套的金属管,它们 位于吸热板的轴线上,与吸热板苛密贯串。 ? 做事时,太阳光穿过玻璃管,投射正在吸热板上; ? 吸热板汲取太阳辐射能并将其转换为热能; ? 传热介质从内管进入,通过外管时被吸热板加热, 然后热水流出外管。 ? 2、U形管式真空管集热器 ? U形管式真空集热器苛重由U形管、吸热板、玻璃 管等几局限构成。 ? 其冷、热水从U形管的一端流入,从另一端流出。 ? 3、储热式真空管集热器 ? 储热式真空集热管苛重由吸热管、内插管、玻璃 管等几局限构成。 ? 吸热管内储蓄水,外外外有采取性汲取涂层。 ? 白日,太阳辐射能被吸热管转换成热能后,直接 用于加热吸热管内的水; ? 操纵时,冷水通过内插管逐渐注入,同时将热水 从吸热管顶出; ? 夜间,因为真空夹层隔热,吸热管内的热水降温 很慢。 ? 4、内聚光式真空管集热器 ? 内聚光式真空集热管苛重由吸热体、复合掷物聚 光镜、玻璃管等局限构成。 ? 吸热体普通是热管,也能够是专心套管或U形管, 其外外有中温采取性汲取涂层。 ? 平行的太阳光无论从什么倾向穿过玻璃管,城市 被复合掷物聚光镜反射到位于其焦线处的吸热体 上,然后仍按热管式真空集热管或直流式真空集 热管的道理运转。 ? 5、直通式真空管集热器 ? 直通式真空集热管苛重由吸热管和玻璃管这两部 分构成。 ? 吸热管外外有高温采取性汲取涂层。传热介质从 吸热管的一端流入,经太阳辐射加热后,从吸热 管的另一端流出。 ? 直通式真空集热管普通与掷物柱面聚光镜配套使 用,构成聚光型太阳能集热器。 ? 金属吸热体真空管集热器有以下配合好处。 ? (1)运转温度高。 ? 一切集热器的运转温度都可到达70~120℃,有的 集热器乃至可达300~400℃,使之成为太阳能中高 温使用必不成少的集热部件。 ? (2)承压本事强。 ? 一切真空集热管及其编造都能承袭自来水或轮回 泵的压力,大批集热器还可用于发生1MPa以上的 热水乃至高压蒸汽。 ? (3)耐热进攻功能好。 ? 一切真空集热管及其编造都能承袭疾速的冷热变 化,纵然对空晒的集热器编造蓦地注入冷水,真 空集热管也不会因而而炸裂。 四、种种集热器的功能的比拟与采取 第3节 聚光型集热器 ? 一、聚光型集热器的构造 ? 聚光型集热器苛重席卷三局限:聚光器、汲取器 和跟踪编造。 ? 掷物线型的反射镜能够将平行于其对称轴的后光 凑集到其核心处。 ? 聚光型集热器恰是使用了这一特性,采用掷物线 型的聚光器并将吸热体安顿正在核心上。 ? 聚光器的苛重质料是反射镜面,如把铝或银蒸镀 正在玻璃上,或者蒸镀正在聚四氟乙烯及聚酯树脂等 膜片上。 ? 看待玻璃反射镜,可蒸镀正在镜子的正面或不和。 ? 镀正在正面,反射率高,没有光透过玻璃的失掉, 但不易珍爱,寿命较短; ? 镀正在不和,尽量因为阳光必需透过玻璃会惹起一 些失掉,但镀层易珍爱,操纵寿命较长,因此目 前使用较众。 ? 汲取器的苛重组成部件是吸热体,其样子有平面 状、点状、线状,也有空腔组织。 ? 正在吸热体外外往往有采取性汲取面,对太阳光的 汲取率很高,而正在吸热体外外温度下的发射率很 低。 ? 还能够正在围困吸热体的玻璃等外外镀上必然厚度 的钼、锡、钛等金属造成的采取性透光膜。 ? 这种膜使可睹光波长区域的光简直一起透过,而 对红外波长区域的光则简直齐备反射。 ? 如此,吸热体汲取了太阳辐射并形成热能再以红 外线辐射时,此膜可将热损耗掌管正在最低节造。 ? 集热器做事时,反射器的轴线要永远指向太阳。 因而,安静板型集热器区别,聚光型集热器对太 阳的处所举行跟踪是特地须要的。 ? 跟踪的方法,有反射镜绕一根轴或两根轴转动的 单轴或双轴跟踪。 ? 杀青跟踪的要领,有圭表掌管式和传感器式。 ? 圭表掌管式,是预先用算计机算计并存储修设地 点的太阳运转顺序,然后凭借圭表以必然的速率 转动光学编造,使其跟踪太阳。 ? 传感器式,是用传感器测出太阳入射光的倾向, 通过步进电机等驱动机构调节反射镜的倾向,以 消逝太阳倾向同反射镜光轴间的误差。 二、聚光比和最高集热温度 ? 聚光比界说为 ? 太阳的辐射光并不是齐备平行的,其发散角 αD=32。 ? 入射的太阳辐射经掷物形聚光器后变成焦平面。

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