一种太阳能真空管空气集热器理论与实验研究

【摘要】：太阳能空气集热器结构简单、无系统腐蚀、系统承压要求低，并且冬季没有“冻管”问题，因此可以方便地用于冬季采暖、强化室内通风、太阳能干燥等场合。论文对一种新型内插式太阳能真空管空气集热器进行了研究。 论文搭建了内插式太阳能真空管空气集热器热性能测试实验台，测试了北京地区冬季气候条件下集热器的瞬时效率、时间常数以及安装倾角和流量改变对工作性能的影响等。通过实验探究了内插式真空管空气集热器的运行状况。并建立了内插式真空管空气集热器单组流道和十组并联流道的物理模型以及数学模型，用FLUENT软件对其进行数值模拟研究，对两种流道集热器的热性能进行了理论计算与分析。得到以下主要结论： 1）研究了内插式太阳能真空管空气集热器瞬时和平均集热效率。在北京地区冬季工况下，该种空气集热器在稳定运行期间的平均集热效率可以达到65%左右，在冬季太阳辐射条件较弱、入口空气温度较低的情况下，日平均集热效率也能达到55%左右。 2）得到了集热器的时间常数。结果表明：内插式真空管空气集热器单管和整体的时间常数分别为12min和25min，二者结果存在较大差异，表明在联集箱内，存在较多热容。 3）各组工况下的模拟结果与实验结果相吻合，最大偏差在20%左右。 4）采用单组流道的平均集热效率比采用十组并联流道的平均集热效率稍高5%左右。表明：采用单组流道进行热性能评价能更好地反映真空管集热器的传热性能。 5）对于论文研究的内插式太阳能真空管空气集热器来说，集热器倾角为45°，入口流量为48.6m~3/h（即流速为2.7m/s），内插管长度为1400mm，内插管管径为20mm时，集热效果最佳。在实际应用中，应根据使用要求来选取集热器的最佳结构尺寸、适宜流量和倾角范围。 【关键词】：内插式 空气集热器 数值模拟 集热效率 时间常数
【学位授予单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU832.2
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-6
• 目录6-8
• 符号说明8-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 研究背景10
• 1.2 太阳能集热器简介10-12
• 1.3 真空管式太阳能空气集热器研究现状12-15
• 1.3.1 影响真空管式太阳能集热器集热性能的因素分析12-14
• 1.3.2 影响热管式太阳能集热器集热性能的因素分析14
• 1.3.3 真空管式及热管式太阳能集热器传热介质的流场与温度场分析14-15
• 1.4 本研究的意义及主要内容15-16
• 1.4.1 北部偏远山区冬季太阳能取暖15
• 1.4.2 水资源匮乏地区冬季太阳能取暖15
• 1.4.3 弥补水质太阳能的缺陷15
• 1.4.4 研究内容15-16
• 第2章 内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试与分析16-37
• 2.1 空气集热器热性能测试系统16-23
• 2.1.1 搭建实验台16-22
• 2.1.2 真空集热管内的热工计算22-23
• 2.1.3 实验设计23
• 2.1.4 实验过程23
• 2.2 实验结果分析23-34
• 2.2.1 不同倾角对集热性能的影响23-26
• 2.2.2 不同流量对集热性能的影响26-28
• 2.2.3 集热效率分析28-31
• 2.2.4 空气流量对内插管表面温度的影响31-34
• 2.3 空气集热器热惯性测试34-36
• 2.4 小结36-37
• 第3章 内插式太阳能真空管空气集热器单组流道内部热性能的理论计算与分析37-54
• 3.1 数学模型介绍37-38
• 3.1.1 单管模型控制方程及基本假定37-38
• 3.2 初始以及边界条件38
• 3.3 三维网格划分和求解设置38-40
• 3.4 计算后处理及分析40-53
• 3.4.1 不同倾角下单组流道模拟结果分析45-47
• 3.4.2 不同流速下单组流道模拟结果分析47-49
• 3.4.3 不同内插管长度下单组流道模拟结果分析49-51
• 3.4.4 不同内插管管径下单组流道模拟结果分析51-53
• 3.5 小结53-54
• 第4章 内插式太阳能真空管空气集热器集热性能的理论计算与分析54-66
• 4.1 数学模型介绍54
• 4.2 三维网格划分和求解设置54-55
• 4.3 计算后处理及分析55-63
• 4.3.1 不同倾角下十组流道模拟结果分析59-60
• 4.3.2 不同流速下十组流道模拟结果分析60-62
• 4.3.3 不同内插管长度下十组流道模拟结果分析62-63
• 4.4 实验和模拟对比63-66
• 总结66-67
• 参考文献67-70
• 致谢70-71
• 攻读学位期间发表的学术论文目录71-72
• 附录72-79

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