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W/m.℃ ? ? 根据辐射换热原理

发布时间:2019-10-18 07:49

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  4 太阳能集热器的组织与数学模子 ? 主动式太阳能筑造是通过集热装备来搜集太阳能, 于是太阳能集热器的效果对全体编造来说至合重 要。太阳能集热器是一种招揽太阳辐射能并向工 质传达热量的装备,以工质品种可分为工质为液 体的集热器和工质为气体的氛围集热器。太阳能 集热器从闷晒式、平板式、全玻璃真空管不休发 展到金属热管式。热管式太阳能集热器,使用真 空管集热,内置¤型翅片,把高温境况中的热量传 给热管、热管急迅将热量传入水箱,尤其正在众云, 辐射强度低的环境下,启动传热疾。本章紧要介 绍了热管式太阳能集热器编造的职责道理、特征 及集热器的组织与数学模子。 4.1 热管式太阳能集热器 ? ? 4.1.1 热管式太阳能集热器的职责道理 热管式太阳能集热器的职责道理是使用金属吸热板招揽紫 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,正在运动进程中不休招揽吸热板上的热量,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,并把热量传达给管外的冷源。当 冷源和热源隔绝时,绝热段使管内的工质和外界不作热量 传达,吸液芯靠毛细效力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,凝聚的液体从冷凝段回到蒸发段不 是靠吸液芯所发生的毛细力,而是仰仗凝聚液的本身重力。 ? 聚合供热的热管式集热器组织如图2-1所示, 几片集热器连结构成一个集热编造,其特 点是采用两级热管组织,集热板招揽热量 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 中央的管子招揽热量传入水箱。云云 ,当一 片集热器或一根热管产生透露时,不会导 致全体集热编造的失效,处理了真空管一 支损坏而导致全体集热器无法操纵的短处。 水箱 热管 集热板 图2-1 聚合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征 ? 热管式太阳能集热器热管的热容极小,正在众云间 晴的低日照条款下能急迅起动,有用搜集热量。 因此纵然合于日照条款不太高的区域也可有用使 用,行使地区很广;因为被加热的工质不直接流 入真空管内,因此编造管道可继承较高职责压力 (≤6kg/cm2),承压才智很强;热管式太阳能集 热器采用热管传热技能,集热管内无水,不会因 高寒区域气温过低而冻破集热管,从而影响操纵, 并且因管中无水,若一支热管破损,不会影响整 机职责。热管式传热格式使编造即使正在-50℃的气 温条款下仍能寻常运转,并且具有抗直径25mm以 下冰雹障碍的才智;集热器为单位式组织,便于 搬运、安设。当编造中某根真空管需求维修时, 可正在不阻滞编造运转的环境下实行调换,安设维 修很简单。 ? 其余水压高,冷凝端换热,尤其合用整体 编造的行使;热效果高,闷晒温度达250 ℃, 职责温度为70-120 ℃。由热管式真空管构 成的太阳能集热用具有热效果高和职责温 度高的长处,所以不只能够用于太阳能热 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,等诸众规模。 ? ? ? ? 热管式集热器与古板集热器比力,具有以下长处: (1)用热管传输热量,可避免凡是集热器生活的集 热管冬天晚间结冰题目。 (2)因为重力辅帮热管的“热二极管”的效力,热 量只可从吸热板向换热器输送,能防范黑夜或阴天 时的倒流离热。 (3)热容小,启动功能好。 (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 管外皮相涂有遴选性招揽涂层,并且真空绝热,因 此热耗损小,正在高的职责温度下仍有较高的集热效 率。热管选用适应的工质使集热器温度越过工质的 临界温度后,热管的传热就住手,这就防范了集热 器正在无负荷环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组织 ? 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 热块将热量传达给集管内的工质,而本身又 凝聚为液体,仰仗重力流回蒸发段。上述过 程反复轮回,使集管内的工质不休升温。与 此同时,被加热的吸热板和集管则弗成避免 的经由各类途经向方圆境况散失一片面热量。 为了便于对热管式真空管集热器实行传热分 析,作如下假设: (1)粗心真空管内氛围对流和传导热耗损; ? (2)真空管玻璃外壳与方圆境况的传热系数 为常数; ? (3)真空管总热损系数UL正在必然温度限度 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匀称相仿。 ? ? 4.2.2 基础方程 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收集图 图2-2(a)给出了热管式真空管集热器的等效 热收集。遵照能量守恒定律,单元年华内集 热器取得的有效能量等于集热器招揽的太阳 辐射能量减去集热器向方圆境况散失的能量, 即 ? (2-1) Qu ? S ? Ql ? 式中S—单元年华内太阳辐射总量,W ? Qu—单元年华内集热器取得的有效能量,W ? QL—单元年华内集热器热耗损量,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—境况温度, ℃ ? ? ? 集热器效果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 集热器的瞬时效果方程: (2-4) Ap ? T p ? Ta ? ?? ???? ?e ? U L As ? I ? ? ? ? 式中(ηα)e—集热器有用透过率与招揽率乘积, 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—玻璃管与方圆境况的传热系数,W/m.℃ ? ? 遵照辐射换热道理,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) 连结式(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显示为: ( 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, 可揣测出真空管热损系数Ut。保温盒热耗损紧要 由集管通过隔热原料的传导向方圆境况散失热量, 用(UA)b它由隔热原料的导热系数、隔热原料的 厚度和保温盒皮相积等成分决心。可显示为: (2-11) U b ? K b?a 揣测出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 效果因子F′ ? 正在某些环境下,热管式真空管集热器的瞬时 效果方程需用热管温度Th显示: ? (2-12) ? Ap ? ? Th ? Ta ? ? ? ?? ? ? ? F ???? ?e ? U L ? ? As ? ? I ? 式中 F′—称为集热器效果因子,无因次 ? Th—热管温度,℃ ? 其物理意旨是集热器实践的有效能与假念吸 热板温度为热管温度时有效能量之比。 ? DuffSe和 Beckman推导出区别组织局面吸 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—吸热板的肋片效果,无因次 ? ? ? F可用下式显示: tanh?m?W ? D ? 2? F? m?W ? D ? 2 (2-14) ? ?U L ? m?? ? ? ?? ? 12 (2-15) ? ? ? ? ? 式中 W—招揽板宽度,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可从相合文献中查得,总热损系数UL可揣测求得, 因此遵照式(2-13)(2-14)(2-15)可揣测出真空管集热 器的效果因子F′ ? ? ? 4.2.5 热搬动因子FR 假设用集监工质进口温度Ti显示热管式真空管集热 器的瞬时效果方程,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—集热器的热搬动因子,无因次 FR其物理意旨是集热器实践的有效能与假念吸热 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,能够以为沿 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内任何隔绝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) 遵照界说,集热器效果可写成 m Cp ?To ? Ti ? ? (2-21) ?? ? As I 将式(2-19)代入(2-21),并与式(2-12) 连结求得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,收拾后得 (2-25) ? I ??? ?e ? F1 To ? Ti ? ? ? ?Ti ? Ta ?? Nc 将(2-25)代入(2-21)并与(2-16)式团结, 求得 F1 (2-26) FR ? F 1 ? F1 ? UL ? 1 ? F1 ? ? ? 式(2-26)是单根真空管环境下的FR揣测公式。 式中F1既包蕴有又包蕴有,这证据热管式真空管 集热器的热搬动因子不只与集热器的总热耗损 ULAp相合,并且正在很洪流准上取决于热管冷凝段 的传热量KcAc。 ? ? ? ? ? ? ? 当n根真空管相接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。应用相似上述技巧,能够推导出n根真空管环境下的FR 揣测式: 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可从相合文献中查得,UL和F′ 能够求得,于是就能够揣测出真空管集热器的热搬动因子 FR。 N c ? n F U L Ap mCp

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