（市政工程专业论文）内插管式全玻璃真空管空气集热器性能研究.pdf

太原理工大学硕士研触学位论文 y 6 2 0 0 7 0 内插管式全玻璃真空管空气集热器性能研究 摘要 本文在对国内外平板空气集热器和真空管集热器调研的基础 上，确立了内插管式空气集热器的基本结构，搭建了实验台，并在 冷态和自然辐照条件下实验和理论研究了内插管式空气集热器的 性能。 具体工作如下： 分别在冷态条件和自然辐照条件下实验研究了不同插管结构 对阻力和热性能的影响，得出了使集热器传热与阻力性能最佳的插 管尺寸。 建立了集流系统的流量分配模型，通过计算确定了真空管集热 器集流系统的尺寸。 在自然辐照条件下测试了内插管式空气集热器的时间常数、瞬 态效率，得到了不同流量下的瞬态效率方程。 最后本文在分析现有的集热器测试标准和实验基础上，建立了 一个真空管空气集热器的测试标准文本文件。 关键词：真空管集热器，流量分配，测试标准 t h ee x p e r i 舵n t a ls t u d yo np e r f o r m a n c eo ff e e d - - t u b e e y a c u a t e dt 聊l a rs o i 。 ra i rh e a t e r a b s t i 认c t t h et h e r m a la n df l o wp e r f o r m a n c eo ff l a tp l a t e a n d e v a c u a t e dt u b ec o l l e c t o r sw a si n v e s t i g a t e do nt h i sp a p e r a e l e m e n t a r yc o n f i g u r a t i o nw a sd e t e r m i n e df o rf e e d t u b es o l a r a i rh e a t e r t h eh e a tt r a n s f e ra n df l o wm e c h a n i s mw a ss t u d i e d e x p e r i m e n t a l l y a n d a n a l y t i c a l l yu s i n g a i ra st h e w o r k i n g f l u i d t h ei n f l u e n c eo fg e o m e t r i cp a r a m e t e ro ft h ef e e dt u b ew a s s t u d l e de x p e r i m e n t a l l y ，ao p t i m a ls i z ew a sf o u n df o rt h eb e s t p e r f o r m a n c e ad i s c r e e th y d r o d y n a m i cm o d e lw a su s e dt od e t e r m i n et h e f l o wd i s t r i b u t i o ni nap a r a l l e l r e v e r s es o l a rc o l l e c t o r t h e s i z eo fm a n i f o l d sw a sd e t e r m i n e db yc a l c u l a t i o n t h et i m ec o n s t a n ta n di n s t a n t a n e o u s e f f i c i e n c y o ft h e f e e d t u b es o l a ra i rh e a t e rw e r et e s t e do nt h es o l a ri r r a d i a n c e 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ee q u a t i o nf o ri n s t a n t a n e o u se f f i c i e n c yw a so b t a i n e da tt h e d if f e r e n tf l o wr a t e a t l a s t ，t h r o u g hs t u d y i n g t h e c o r r e s p o n d i n gt e s t i n g s t a n d a r d ，as t a n d a r dt e x tf o rt e s t i n gt h et h e r m a lp e r f o r m a n c e o fe v a c u a t e da i rh e a t e rw a sp u tf o r w a r db a s e do ne x p e r i m e n t k e y w o r d s ：e v a c u a t e dt u b u l a rs o l a rh e a t e r ，f l o wd i s t r i b u t i o n ， t e s ti n gs t a n d a r d 1 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 引言 ( 1 ) 太阳能利用研究的意义 绪论 随着世界经济的加速增长，人类对能源的需求逾日递增。而常规能源日趋紧 张，环保问题日趋严峻，如何实现可持续发展，实现人与环境和谐共生，资源、 环境和能源已成为新世纪人类所面临的共同问题。寻求新的清洁能源，可再生能 源已经成为解决能源危机和保护环境的根本出路。因此，太阳能作为一种可持续 利用的清洁能源，它的利用和开发已经成为人类寻求新能源的热点。 我国地处北半球欧亚大陆，处于太阳能利用的较有利区域，根据全国近7 0 0 个气象站长期观测所积累的资料表明，我国各地的太阳辐射年总量大约在 3 3 6 x 1 0 9 8 4 0 x 1 0 9 j ( 秆y ) 之间，其平均值约为5 8 8 x 1 0 9 j ( m 2 y ) 。有人曾经估 算过，如果把全年照射在全国广大面积上的太阳能加在一起，就相当于燃烧 1 9 2 x 1 0 “吨标准煤所发出的热量，这个数字大约是我国目前全年煤炭、石油、天 然气和各种柴草等全部常规能源所提供能量的2 0 0 0 多倍。由此可见，充分的开发 并有效的利用太阳能将会对我国的经济建设起到多么大的作用。 ( 2 ) 太阳能研究概况及遇到的问题 太阳能利用技术主要是指太阳能转换为热能、机械能、电能、化学能等技术， 其中的太阳能一热能转换历史最为久远、开发最普遍。我国太阳能热利用主要有： 太阳能集热器、太阳能温室、太阳能干燥、太阳能制冷等。其中太阳能热水器、 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 太阳房、太阳能干燥系统己为人们所熟悉。 我国的太阳能利用研究起步较晚，但发展很快。主要表现在： 取得了一批具有国际水平的研究成果，一些关键技术的利用逐渐成熟。 出现、成立了一批有相当规模的研究机构，科研队伍数量、质量日渐提高。 全国大规模出现了生产太阳能利用的单位与企业。从1 9 7 9 年清华大学研 制成功我国的全玻璃真空管并实现产业化后，现已有几百家企业生产全玻 璃真空管。我国生产的集热器、集热管等已销往欧洲。太阳能灯具的生产 企业也把产品销往到欧洲、美国。 总之，中国的太阳能产业方兴未艾。 但太阳能本身存在两大缺点：一是能量密度低；二是强度受各种因素( 季节、 地理位置、气候等) 的影响，不能维持常量，是一种不稳定的能量。因此太阳 能的利用存在以下制约因素：其一是源于太阳雒的特点，受制于天气、季节周期 变化、地点等因素。其二是经济制度方面，太阳能的成本结构属于资本密集型， 为提高能源供应的可靠性。需要建造贮能装备并建立备用的矿物性燃料能源，需 用较大的资金。其三是能源供应业的不成熟，标准的缺乏，能源基础设施在接纳 变化不定和分散的能源方面的能力不强等因素。其四是社会文化及教育方面，公 众对太阳能的真正潜力认识不足，最大限度利用太阳能需要人们改变现有的生活 方式。 2 平板集热器的研究现状 太阳能集热器是一种吸收太阳辐射能并向工质传递热量的装置。太阳能集热 器应用于太阳能热水系统是太阳能热利用中技术最纯熟、应用最广泛、产业化发 展最快的领域。太阳能集热器在工农业产品干燥领域也获得了广泛的应用。 平板集热器于1 7 世纪后期发明，直到1 9 6 0 年后才真正得到深入研究和规模 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 化应用。 平板集热器可以分以下种类：一是按工质分，有空气集热器和液体集热器， 目前更多为液体集热器。二是按吸热板芯材料分，有钢板铁管、全铜、全铝、铜 铝合金、不锈钢、塑料及其它非金属集热器。三是按结构分，有管板式、扁盒式、 管翅式、热管翅片、蛇形管式集热器，还有带平面反射镜集热器盒的逆平板集热 器。四是按盖板类型分，有单层或多层玻璃、玻璃钢或高分子透明材料、透明隔 热材料集热器等。目前，国内外比较普遍使用的是全铜集热器和钢铝复合集热器。 典型的平板型集热器的基本结构如图l 一1 所示。 8 l c o n o u e tl c 7 图l 一1 典型的平板型集热器 f i g u r e i 1t y p i c a lf l a tp l a ts o l a rc o l l e c t o r 国内外的研究人员对平板集热器进行了大量的研究。其中t a b o r “1 首先研究 了平板集热器的侧面与背部绝热层的最佳厚度。r a b l 。”则对平板集热器的原理 及应用进行了详细的总结。p a r k e r 研究了单层透明盖板、空气在吸热板与底板 之间流动的空气集热器的热效率、效率因子、热损系数等。葛新石”则给出了 空气在盖板与吸热板之间流动的集热器的各参数表达式。s o d h a 则对空气在吸热 板上下同时流动的集热器进行了理论分析。k o l a r 给出了适用于粗糙管与光滑管 集热器的n u 数之比，其结论：与流体在粗糙管和光滑管内作充分发展流动时的 阻力系数比的平方根成正比。w i j e s u n d e r a 详细分析了串联流道形式的空气集热 器，发现在相当大工作范围内，双流道系统的效率要比单流道系统高1 0 一1 5 。作为一种性能优越的于不透气型集熟器的多空吸收体空气加热器，z n g 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 k e 一1 i 等对只需一层拉网的吸热体结构的集热器进行了详细的研究，发现单层波 纹型多孔体的夹角对于效率影响很大，以夹角9 0 度为最佳，其最高热效率达7 6 。b a n s a i 则研究了以黑色树脂织物为多孔吸热体的空气加热器，最高效率也 在7 0 以上。r h e e 和e d w a r d s “1 提出拉一种热效率很高的溢流式空气集燕器， 通过空气流过一个多层金属丝网吸热体增强换热，但风机功率增加也较大。 因为选择性吸收涂层的发射率很低时，集热器盖板太阳吸热板间的对流换热 将成为集热器热损失的主要来源，人们开始致力于减低对流损失的研究。j o n e s 1 、a l b e a 1 、h e r r i c k ”1 等相继提出了使用一种普通真空管作为盖板的方案。 但是由于玻璃的高热发射率而未能达到预期的效果。另一条减小热损的途径是蜂 窝结构的使用。由h o l l a n d “1 首先提出。而后h u n c h b e r g “”、m e y e r g i l l f e ll a n d 12 1 h o l l a n d “3 1 “对此进行了大量研究。尽管蜂窝结构能有效的抑带对流与辐射， 减低热损失，但是在较大入射角度时，集热器的光学效率很低。同时，价格上的 原因也限制了它大范围的应用。 国内的研究人员也对平板集热器进行了大量的研究。罗棣庵等“”对不同集 热器倾角夹层内的空气自由流动换热进行了实验研究。提出了相应的计算公式。 陈则韶n 讨论了空气夹层的最佳间距问题。张诗针“”研究了蜂窝结构对空气夹 层的自然对流抑制原理并进行了热性靛实验。 此外，太阳能空气集热器的研究还被列为“七五”科技攻关项目的课题， 清华大学、天津大学、华中理工大学、中国科技大学、中国科学院广州能源研究 所、北京市太阳能研究所、上海市能源研究所单位对太阳能空气集热器进行了大 量的研究工作。主要是研究各种新型的太阳能空气集热器，集热器的传热分析和 计算模型，以及太阳能空气集热器定型设计、实现商品化和小批量生产，这些研 究得到了许多重要的研究成果，极大的推动了我国空气集热器的研究和产业发 展，但这些研究都是针对平板型空气集热器进行的 t a l 。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 真空管隽热器的研究现状 ( 1 ) 真空集热管综述 真空管集热器于2 0 世纪7 0 年代研制成功，我国19 7 8 年从美国引进全玻 璃真空集热管样管。真空集热管的吸热体封闭在高真空的玻璃管内，通过吸 热体与罩管之间的真空来抑制对流热损，通过在吸热体上的选择性吸收涂层 来增加辐射得热和减小辐射热损失，大大提高了热性能。其结构图1 2 所 示。 筐彗氢乜墓看三到 全玻璃真空集热管 1 一一内玻璃管2 外玻璃管3 真空夹层 t r 有暖气擒的卡子5 选择性捺堪 图l 一2 全玻璃真空集热管 f i g u r e l 2g r o s sg l a s s e v a c u a t e dt u b e 真空管集热器根据构成材料主要分为：全玻璃真空集热器、玻璃一金属 真空集热器。 1 9 7 5 年美国康宁公司率先推出金属一玻璃性真空管集热器。结构如图l 一3 所示。 一个u 型金属管被封接在单层的玻璃管内，玻璃管内抽真空。金属管上 焊有一块涂黑络的吸收热板。流体流过金属管内并把吸热板吸收的太阳能带 走。金属与玻璃管之间的热膨胀问题通过仅在玻璃管一端穿入金属管的方法 解决。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 ； 5 卜一r r 一 图1 3 康宁公司的金属一玻璃型真空管集热器 f i g u t e l - 3m e t a l g l a s s e v a c u a t e d t u b u l a rs o a | r c o l l e c t o r 1 9 7 9 年通用电气公司研制成功了最早的玻璃一玻璃型真空管集熟器 ( d e w a rf l a s kt h e r m o sb o t t l e ) 。集热器结构见图1 - - 4 。 图1 4 通用电气公司的玻璃一玻璃型真空管集热器 f i g u r e 卜4g l a s s - g l a s se v a c u a t e dt u b u l a rs o a l rc o l l e c t o r 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 两个同心的玻璃管一端被封接在一起，玻璃之间抽成真空。带有柱型铜 肋片的u 型管插入内管中，在内玻璃管的外表面渡有选择性涂层。内管吸收 的太阳能传给铜肋片并由u 型管内的流体带走。 此后出现的真空管集热器都是在这两种集热器基础上的完善和发展，但 太阳能吸收与热量传递的基本原理并未改变。 金属一玻璃型和玻璃一玻璃型真空管集热器存在各自的优点与不足： 金属一玻璃型真空管集热器的优点是：1 工作温度高( 主要指热管式真 空集热管) ，最高运行温度超过1 0 0 。2 承压能力强。可用于i ) a 的热水 甚至高温蒸汽。3 耐热冲击性能好。冷水突然注入不会引起炸裂。另外，外 层的玻璃管破裂不影响整个系统的运行。缺点是：金属与玻璃的热胀系数相 差很大，需要进行特殊的工艺处理才能达到要求，所以价格较高。而且封接 质量对管的寿命影响很大。 玻璃一玻璃型真空管集热器避免了金属一玻璃之间的封接问题。工艺较 简单，大幅度降低了成本。系统承压不大时，应用前景非常好。目前需要解 决的问题是：由于吸热体是内管玻璃，如何把热从内管上有效地传出，从热 阻网络图中可以发现：由于增加了一个传热热阻，其效率一般低于金属玻 璃型。通常流体与玻璃管内表面温差可达3 0 。 目前金属一玻璃型的真空管主要有以下几种：热管式真空管、同心套管 式真空管、u 型管式真空管、储热式真空管、直通式真空管、内聚光式真空 管等。 全玻璃真空管以澳大利亚悉尼大学的研究最为深入和广泛。研究对象主 要是外径2 2 r a m 和3 0 r a m ，管长1 3 5 m 两种真空管。国内研究全玻璃真空管清 华大学最早和最为著名。目前，皇明太阳能公司与悉尼大学和作，可以生产 外径4 7 r a m 、5 8 r a m 、7 0 r a m ，1 2 0 0 m m 、1 6 0 0 m m 、1 8 0 0 m m 管长等多种规格的全玻 璃真空集热管。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 全玻璃真空集热管提热方式研究 一、流体一玻璃型提热方式 w i n d o w s “钉研究了多种提热方式，其中主要包括： 隔板输入方式一条厚度0 m m 的青铜条带插入真空管中，把管分为流入、 流出两个通道。研究发现：管的倾角为1 0 。、4 5 。、8 0 。与管水平放置时 的换热效果相同。玻璃表面的相对温升( 与入口温度比较) 较平稳。最大 相对温升2 5 左右。 插管输入方式一个直径l o m m 、壁厚l m m 的玻璃管引入流体，从玻璃管与 真空管的环形区域引出，玻璃管不保证同心度。结果类似隔板输入方式。 最大相对温升3 5 。o w e n s i l l i n o i s 公司采用了类似的插管式的提热方 式。整个集热器采用串联的连接方式，水通过一个玻璃输入管进入，从二 者之间的环形流道中流出，并带走外管吸收的太阳能。 y i n z h i q i n g 和g l h a r d i n g ”研究了一种低阻力的真空管提热方式，没 有任何的装置用来引入流体进入真空管内，只用一根集流管连接通常倾斜 放置的真空集热管，吸收的太阳能通过真空管内的流体自然循环传输到集 流管流体中。 二、流体一金属型提热方式 流体一金属型提熟方式主要有： u 型管提热方式u 型管安装在真空集热管玻璃管内的，其间的间隙分别由 水与空气填充，流体由端进入，一端流出。并带走集热管内管所吸收的 太阳能。研究发现不同管径的u 型管及吸热管情况下，相对温升2 5 4 5 不等。 同心插管式一根与集流管连接的金属管同心插入到全玻璃真空管内，见图 l 一5 。r s c h m i da n dr e c o l l i n s “实验研究了内玻璃管与金属管问的 8 奎堡里三查兰堡主堑窭生堂篁笙苎一一 净热流与金属材料、玻璃特性的关系。得到了金属管表面温度与流体温度 与抉热量间的关系式。 躁 i l d t j ；，一：1 ： 图1 5 同心插管式真空管集热器 f i g u r e l t 5c o n c e n t r i cf e e dt u b ee v a c u a t e dt u b u l a rs o a kc o l l e c t o r 4 太阳能集热器测试方法的研究 国际上对平板集热器的研究从上个世纪4 0 年代开始，早在1 9 4 2 年h w b ( h o t t e l w o r t z b 1 i s s ) 根据能量平衡理论对平板集热器建立了稳态传热模 型，为平杉集热器热性能分析和试验奠定了理论基础。随着太阳能热水事业的蓬 勃发展，太阳热水市场的扩大，为规范市场，相应的平板集热器测试标准应运而 生。据所查资料显示现有的平板集热器热性能的测试标准主要有： i s o9 8 0 6 11 9 9 4t e s t i n gm e t h o d sf o rs 0 1 a rc o l l e c t o r s p a r tl ：t h e r m a l p e r f o r m a n c e o f g l a z e dl i q u i dh e a t j n gc o l l e c t o r si n c t u d in g p r e s s u r ed r o p 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 i s o9 8 0 6 - 31 9 9 5t e s t i n g m e t h o d sf o rs o l a rc o l l e c t o r s p a r t3 ：t h e r m a l p e r f o r m a n c e o f u n g l a z e d1 i q u i dh e a t i n g c o i l e c t o r s i n c l u d i n g p r e s s u r ed r o p a s h r a e9 3 8 61 9 8 6m e t h o d so f t e s t i n g t od e t e r m i n et h et h e r m a l p e r f o r m a n c eo fs o l a rc o l le c t o r s e n1 2 9 7 5 2 2 0 0 l ，t h e r m a ls o l a r s y s t e m sa n dc o m p o n e n t ss o l a rc o l l e e t o r s p a r t2 ：t e s tm e t h o d s c b t4 2 7 1 2 0 0 0 ，平板型太阳集热器热性能试验方法 以上这些测试标准均属于稳态测试方法，应用的理论基础以及测试的基本方法都 大同小异。只是对稳态条件气象参数等要求存在差异。 真空管集热器热性能的稳态测试，文献”“州做过一些讨论，但其中所提 的真空管集热器中的吸热体是平板或带翅片的u 形管，没有提到全玻璃真空管集 热器。国际上并没有专门的针对真空管集热器的测试标准，对用于热水系统的真 空管集热器，它的工作温度不会超过1 0 09 c ，可用i s 0 9 8 0 6 - i ( 1 9 9 4 ) 对它进行 稳态测试。国内关于真空管集热器的测试标准g b t1 7 5 8 1 1 9 9 8 其所用模型 仉= 。一q z 一嘎g 亿y 及测试方法基本上沿用了i s 0 9 8 0 6 1 。 上述的测试标准基本是基于传热工质仅为为液体的太阳集热器。但a s h r a e 9 3 8 6 是可用于水和空气为传热介质的测试标准。该标准对于以水或空气的太阳 能集热器的测试系统的组成、测试方法、测试参数以及测试后的数据处理给出了 详细的论述。但是应当指出该标准是针对当时大量使用的平板式太阳能集热器而 制定的，由于真空管集热器特殊的结构使之与具有平板集热器完全不同的光学特 性，因而对a s h r a e9 3 8 6 标准中的些条目应当具体的加以分析考虑。 对空气集热器目前国内还没有专门的测试标准。中国科学院广州能源所1 9 8 3 年设计并建造了一套太阳能空气集热器实验台。实验台包括手动跟踪台架、分机 及控制设备、入口处理等断。这些工作为空气集热器的测试提供了良好的借鉴。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 本论文的主要内容 综合上述文献及国内外研究现状，我们可以知道作为真空管形式的太阳能集 热器，由于其级低的热损系数，因而具有的在中高温方面良好的集热性能，必然 越来越多的被应用和研究。而太阳能空气集热器不仅在干燥、采暖、空调、食品 加工等领域有着广泛的应用前景，而且与水为介质的集热器相比，空气集热器不 存在防冻、腐蚀、结垢等问题，且具有更高的安全性。真空管应用于空气集热器 由于其更商的集热温度，必将迸步拓宽太阳空气集热器的应用范围。 本文应用同心插管提熟方式，设计和制作了空气集热器，理论和实验研究了 其流动、换热，并对全玻璃真空管空气集热器的测试方法进行了研究。 本文的技术路线是：集热器基本结构设计、制作一建立测试台、测定集热器 性能一优化集热器设计一确定集热器最佳结构。 本文的重点放在以下几方面： 1 冷态条件下单管阻力研究。 2 集流系统研究。 3 空气集热器热性能测试。 4 空气集热器测试方法研究。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章集热器基本结构 1 全玻璃真空管太阳空气集热器研究现状 国内外对全玻璃真空管太阳空气集热器的研究及应用并不多。1 9 8 0 年美国 俄亥俄州哥伦布市国际薄板金属工作者协会大楼屋顶上安装了由全玻璃真空管 太阳集热管与空气联集管组成的1 3 0 4 型太阳空气集热器。该集热器共有1 4 4 支 真空太阳集热管( 4 6 4 5m ) ，平行安装在屋顶，为这座大楼的一层提供采暖、 空调和生活热水。在澳大利亚墨尔本，1 9 6 9 1 9 7 1 年曾任国际太阳能学会主席的 r n m o r s e 研制的真空管集热器太阳蒸汽系统也是应用了全玻璃真空管太阳空气 集热器，它由1 7 7 支真空管组成“”。 在国内中科院工程热物理所的顾维藻、王志蜂研究员和他们的学生孙宏伟博 士，1 9 9 8 年首次研究了这种结构的全玻璃真空管太阳空气集热器，并制作了一 台样机，进行了热性能测试“。王志峰”7 ”1 对全玻璃真空管太阳能空气集熟器 热性能实验方法研究和全玻璃真空管空气集热器管内流动与换热的数值模拟进 行了研究。 从这些研究看，他们所采用的集热器结构基本是相同的，都采用了内插管式 的提热方式，真空集热管的进口和出口由插入到每个集热管中心的直径2 0 衄的 金属管和金属管和集热管内玻璃管之间的环形通道组成。风机驱动较冷空气进入 环形通道换热升温后离开。真空集热管的空晒温度能达到3 0 0 ：，风机驱动下可 以将冷空气有效地加热到l5 0 。 2 内插管式全玻璃真空管太阳空气集热器基本结构 1 2 奎堕里三查兰堡主婴窒生堂堡堡茎 一 内插管式全玻璃真空管太阳空气集热器基本结构如图2 - - 1 所示，表2 - - 1 列 出了皇明太阳能有限公司生产的直径4 7 r a m 和5 8 r a m 的两种真空管的结构及技术参 数。 p u r 保温层 荔蕊 i 辟 9 j ii l ， ，| j j 一 由 憩 ? 1l | 11 1。洲i 囤2 一i 全玻璃真空管空气集热嚣基本结构 f i g u r e 2 1t h ec o n f i g u r a t i o no f e v a c u a t e dt u b u l a rs o a l ra i rh e a t e r 表2 1 真空管单管技术参数 h q b t 5 0 0 l o b 一1 8 0 0 重量1 2 5 k g1 9 2 k g 结构全玻璃同轴双层圆管全玻璃网轴双层圆管 外管直径 由4 t r a mm 5 8 m m 内管喜径中3 7 m m中4 7 m m 管壁厚度1 5 m m15 m m 集热管长度 1 5 m1 8 m 外管透射率0 9 10 9 l 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 镀膜材料磁控溅射a l n a l a l n a l 吸收率 0 9 30 9 3 发射率 0 0 60 0 6 真空度 p 5 x i 03 p ap 5 1 0 。p a 空晒温度( 峰值)2 5 0 o c2 5 0 。c 热损系数0 8 0 w ( m 2 。c )o 8 0 w ( 舒。c ) 抗冰雹能力冰雹直径1 1 ) | 2 5 m m冰雹直径0 2 5 m m 承压能力l m p ai m p a 3 内插管式全玻璃真空管太阳空气集热器结构优化 榘热器优化研冗的关键问题是要改善吸热体与流体间的传热效果，同时减小 空气流动时的阻力，即使集热器流动阻力最小和热效率最大。 集热器的阻力是集热器结构形式，选用材料粗糙度，流体流速的函数。按一 元流体流动模型，将流动阻力分为沿程阻力和局部阻力。则沿程阻力是相对粗糙， 管长和流速的函数。 p ，= 五寺譬 入为沿程阻力系数，它的变化为 五：( r e ，) d 局部阻力是局部阻碍形状，相对粗糙和流速的函数。 旷 譬 t 为局部阻力系数，它的变化为 太原理工大学硕士研究生学位论文 善= 正( 局部阻碍形状， ，r e ) u 集热器的基本结构、集热管和内插管材料决定后，粗糙度和局部阻力形状就 已经决定了，可以改变的有内插管的长度，直径、流速。因而我们需要首先找出 最小阻力时的内插管长、管径。 各真空管内的流量分配对集热器的阻力和效率有很大的影响，当集热器各并 联真空管内流量分配均匀时，总的阻力和效率降达到最优。而并联管组的流量分 配与集联器的断面积、长度，各并联流道的阻力情况、流速等有关，因此需要对 这个问题进行研究得到集热器集联器的断面积和长度等的最佳值。 集热器的效率同样是集热器结构形式，内插管材料，流体流速的函数。因而 还需要研究不同内插管的长度等结构形式下的热效率等。 下面的章节将按照这一思路对集热器进行研究。 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章插管尺寸对集热器阻力影响的实验研究 1 实验装置及测量方法 ( 1 ) 实验系统 实验系统如图3 - 1 所示，采用开式系统，主要由风机、流量计、压差计和实 验管路等组成。 ( 2 ) 设备及测量仪器 离心通风机 真空管测压装置 图3 1 真空管测压系统 f i g u r e 3 - 1t h et e s t i n gs y s t e mf o re v a c u a t e dt u b e 1 6 0o m m 热管 太原理工大学硕士研究生学位论文 型号：9 - 1 9 4 a 电机功率：2 2 k w 空气玻璃转子流量计 型号：l z b 一2 5 微电脑数字压力计 型号：s t y - 2 0 0 0 2 实验内容 流量：8 2 4 1 2 6 4m j h 全压：3 5 9 7 - - 3 6 6 5p a 流量范围：2 5 2 5 m 1精度：1 5 测量范围：2 0 0 0 p a精度：1 0 ( 1 ) 插管管径对压力损失的影响 由于真空管内径固定，巾4 7 m m 的真空管为3 3 m ，因而插管直径的变化将直 接影响到插管内阻力和环形流道阻力，当插管直径增大时，插管阻力减小，环形 流道阻力增大，当插管直径减小时，插管阻力增大，环形流道阻力减小，因而存 在有一最佳直径使得集热器单根真空管内阻力最小。 选用直径1 6 m m 、1 9 m m 、2 2 m m 壁厚0 5 m m 的不锈钢装饰管分别进行测试，图3 2 所示为插管长1 4 7 0 m m 时不同内插管径在不同流量下的阻力变化图。用其它 的插管长度进行实验，可发现基本相同的变化规律。由此可以得出使单管阻力最 小的管径值大约为1 9 。6 m m ，插管长对这一规律没有影响。 ( 2 ) 插管管长对压力损失的影响 图3 3 和3 - - 4 为插管直径1 9 t a m 时阻力损失随管长和流速的交化规律，可 以发现总体趋势上阻力随插管长度增加而增加，在插管长度7 5 0 一1 0 0 0 n l f f l 间阻力 增加较慢。此外，还发现当插管长度超过1 4 7 0 m m 时，由于真空管底部回流区空 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 间变小，阻力迅速增加。 一v 。1 7 5 m 3 h 卜- v = l s m 3 h 一v = l zs m 3 h * 一v = 1 0 m 3 h e 卜v = 7 5 m 3 h 扣v = 5 3 h e v ：25 m 3 h 图3 2 阻力损失随管径变化规律( 插管长度l ：1 4 7 0 m m ) f i g u r e 3 _ 2t h ec u r v eo f p r e s s u r ed r o pv sf e e dt u b ed i a m e t e r ( t h el e n g ho f f e e d t u b e ：1 4 7 0 ) 3 集热器单管阻力特性分析 测量系统所测的阻力损失由测压装置的阻力损失、内插管进口、内插管沿 程、内插管出口回流区、环形区沿程、环形区出口损失几部分组成。分段进行计 算，可得回流区的阻力及阻力系数见表3 1 。 其中沿程阻力系数的计算按式3 - 1 ，3 - 2 计算m ： f = 6 4 r er e 2 0 0 0 1 8 f = 0 3 1 6 4 r e 0 2 5 2 0 0 0 v ，所以只 0 。但在实际中，支管处分流并非垂直进入支管， 在x 方向有上一分速度叱，因此式( 1 ) 的右边还应该减去v 。具有的动量。另外 由于分流和连接不光滑产生的漩涡和二次流还会造成局部损失。但因为分流处流 场的复杂性，很难用一个确切的函数来描述匕的大小，局部损失的大小也难以确 定，这两个因素都是阻碍支管处静压升高的趋势，因此用修正系数k 进行修正， 2 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 称为静压恢复系数，它的物理意义为集箱中流体经过分流后，进入支管的那部分 流体所具有的动压头转化为集箱中静压的比例。显然髟 1 。 由以上分析可知对并联管组分配集箱而言，由于伯努里分流增压效应和摩擦 阻力的作用，分配集箱总的静压分布趋势存在三种可能：即压力恢复型管组，伯 努里效应占主导地位静压总体趋势逐渐升高；阻力型管组，摩擦阻力占主导地位 静压总体趋势逐渐降低：平衡型管组，伯努里效应和摩擦阻力共同作用。静压变 化总体持平。 但对予汇集集箱来说由于摩擦阻力和伯努里效应的作用趋势相同，因而汇流 集箱静压沿流动方向总是下降的。 从以上分析可知对图4 1 的两种典型的太阳集热器并联管组型式，对应不同 的分配集箱静压分布型式，并联管组内流量分配会出现不同的情形。总体来说， 为了得到均匀的流量分配，对反向流( c 型) 的并联管组，我们希望分配集箱属 压力恢复型，丽平行流( z 型) 的并联管组分配集箱则应属于阻力型。 ( 2 ) 单相流体在并联管组中流量分配的研究 由于生产实际需要和流量分配问题本身的复杂性，并联管组流量分配问题从 上个世纪2 0 年代就有人不断进行典型系统的研究，较早主要是对锅炉再热器等 并联管组的研究，到7 0 年代研究领域拓展到太阳能集热器及热水系统等其他领 域。 袁益超”1 对单项流体在并联管组中流量分配研究的重要性做了论述，综合 评述了国内外学者在单项流体分配方面的研究工作，列出了1 5 种典型的并联管 组流量分配计算模型，并做了简单的比较。 总体讲，这些模型可以分为连续性和离散型两类，连续型模型一般的方法是： 假定流体足在一条孔带或在集箱上开一条均匀宽度的长槽中流动，即假设集箱中 太原理工大学硕士研究生学位论文 工质流速线性分布为前提，进而得出集箱内静压分布的函数表达式。对于支管数 目较多的分流系统来说，不受形式限制且能得到解析解的优点是突出的。还有就 是以一条较单的抛物线代替分配集箱的静压分布，这种算法的模型与实际情况相 差较远，误差也较大。 r a b a j u r an 5 1 汇集前人的研究成果，提出可适用于分流集箱、汇流集箱、 以及反向流和平行流的通用无因次压流微分方程组和流量分配二阶微分方程，并 进行实验验证和对影响并联管组的各参数进行了分析。 国内，赵镇南。”根据质量与动量守恒导出了分流和汇流联箱的无量纲数学 描述，给出了反映分流、汇流以及联箱轴向阻力和支管阻力影响的参数。对联箱 阻力的影响作了详尽的分析讨论，并给出了允许忽略联箱阻力的条件。王峻晔”1 等则研究了分配集箱速度对流量分配的影响。王恩禄等”通过建立质量和能量 守恒方程分析了分配集箱静压分布及动量转化系数c ，的取值范围。 离散型的解法是根据实际情况，将集流系统分为不同的流动单元，对不同的 流动单元分别建立起各自的数学模型，然后根据内在联系建立方程组联立求解。 国内罗永浩”1 首先提出了单项流体在并联管组分配集箱中流动特性的离 散型数学模型及其求解方法，通过实验进行了比较，得到了较好的结果。王兴安 等h 。应用这种离散型的模型到太阳热水系统，得到了集箱静压分布和支管流量 的数值结果，初步讨论了热水器结构尺寸对流动分布的影响。 此外，v o l k e rw e i t b r e c h t ”2 1 等避开伯努里效应，通过实测研究局部阻力系 数的变化，从局部阻力系数和沿程阻力系数变化的思路提出了一种新的参数法， 用这种方法研究了层流条件下太阳集热器的流动分布，并解释了g f j o n e sa n d n l i o r “”的实验集热器支管流量靠近出口逐渐变大( 平行流) 和w a n gx aa n d w ul g “”的实验集热器支管流量两头大中间小的现象。这种方法的计算结果， 在层流条件与实验结果的偏差在4 以内，但在紊流条件下偏差达到了3 0 。 综合考虑这些方法，本文采取了离散型计算模型。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 数学模型 ( 1 ) 数学模型的建立 数学模型采取的假定如下： 1 流体为单质、单相且不可压缩。鉴于本文所研究的流体变化范围仅为 5 0 5 0 0 p a ，上述的假定合理。 2 流体作等温、亚音速定常流动。 3 支管与集箱垂直连接，连接处为尖锐边缘。 4 流体进入支管前已充分发展。 5 不考虑热虹吸的影响。 集热器单元模型如图4 - - 3 ； 图4 3 集热器单元模型 f i g u r e 4 3t h em o d e lo f s o l a rc o l l e c t o r 2 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 将集热器分为不同的流动单元分别建立数学模型。符号的规定如下：下标d 表示分配集箱，c 表示汇集集箱。1 表示支管左侧，r 表示支管右侧。f 表示沿程 阻力，k 表示为局部阻力；上标和下标i 表示支管序号或集箱沿流动方向序号。 1 分流集箱分流处控制体如图： 五一p 2 = 嘞+ + p ( 1 一圭巴) ( v 一) 锄“宝( 1 一司d # i - i i p ( 如+ 彬 饥= 与；p ( 吃+ 埘 2 相邻两支管间管段取控制体如图： p 蘑州谨一 太原理工大学硕士研究生学位论文 萨力= i 百e - d b l + 屯肛 3 汇流集箱汇流处取控制体如图： 力一，= 衄r + 帆十加一三c ) ( v ：一以) 却玎吒鲁( 1 - 争扣h 嘁= 岛；p ( 心+ 彬 4 同理对汇流集箱相邻两支管间管段有： 协l 百e - d h 2 地弦 5 对第i 根支管如图控制体有： 2 7 ( 7 ) ( 8 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 f1r vc i v ， 圭陋+ 力) 一沁+ 力) 】= 华( 氓瓦l i + 屯 + 华( 6 连续性方程： 叱= v d r 1 12 i f i 。- 1 ：= ( ，) 2 ( v 二一v o 形：以。以 l ( 1 1 ) ( 1 2 ) o ”：似 ( 1 5 ) 边界条件： 分流集箱进口静压呓= r ： o土吖 无 q 奎墨垄三奎堂堡主堕塞圭堂堡鲨塞 一一一一 分流集箱进口流速v j , = v o ； 分流集箱末端流速：蟛= 0 ； 汇流集箱始端流速： 汇流集箱末端流速： v , = 0 。 圪? = “= 以i a 。- ( 2 ) 方程中系数的取值说明 1 摩擦因子，的计算按下式进行： f = 6 4 r e r e 2 0 0 0 厂= 0 3 1 6 4 r e “” 2 0 0 0 1 0 5 2 动量转换系数巴，c 动量转换系数。是对离开集箱孔口流体带有的部分轴向分量进行的修正，它 的物理意义为：流向分支管流体速度的轴向分量与集箱主流速度之比。它与式( 1 ) 中足，静压恢复系数存在关系：k = i g 2 。对分流集箱和集流集箱静压的转换系 数髟，k 人们进行了大量的研究，研究表明局，k 。是相对稳定的，对分发展流足。， 的值大约为0 5 2 ，它仅是集箱支管和集箱直径比的弱函数”。罗永浩的计算， 取平均值【，4 0 可以满足精度要求1 ：9 1 。汇集集箱支管连接处的情况更加复杂，支 管流出的流体在转弯处产生涡流不可避免，同时由于流体横向进入集箱，必然会 对流体产生影响。在流量较小时，冲击的影响也较小，相应足，的值较大。流量 2 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 较大时，冲击的影响也较大，流入的流体达到壁面上，使集箱下部的流速剧增， 而上部形成漩涡。若流量继续增加，一部分流体可能会向主流的反方向流动，作 用相当与支流己大于9 0 度的方向进入出流管，k 。的值将随半径比的增加从正值 变成负值。r a b a j u r a “”得出k c 的值当集箱支管和集箱直径比较小( 约0 1 5 左右) 可以看作常数，当集箱支管和集箱直径比增加到0 ，5 时k 。的值变化很大。 综上所述，本文计算中k 。，k 。值采用平均值按常数处理。髟取0 4 ，即c 。 取1 2 。c 。取0 。 3 转向阻力损失系数c 。，c 。 v o l k e rw e i t b r e c h t ”1 得出：通常分流和集流时的转头损失系数c m ，c 7 。是 一个数量级的，随着支管流与集箱流量比增大而增大，随着r e 的增大而减小。 m a n o m 指出，对于尖锐边缘，当支管的间距从无限远变化至两倍管径时，c 。的 变化范围是0 4 - 1 0 。罗永浩“”则指出c 。随着支管流与集箱流量比增大而减小， 对c 。取值按平均值0 4 3 可以得到满意的精度要求。 本文计算中c 。，c m 的取值分别为：0 4 3 和0 8 。 4 其它局部阻力系数t ，k 2 , 如，k 。，七， 毛，k ：所代表的这两项阻力已经综合考虑在静压分布系数q ，e 中，因此 k t , k ：的值取0 ；针对本集热器的设计七。，七，值o ；七，所代表的阻力是指从内插管 流出转向回到环形区的阻力，即回流区的阻力，由第三章结果当总流量在6 0 一 1 2 0 m 3 h 时，阻力系数取平均值0 4 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 其他参数取值 d 。内插管直径1 9 r