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高效太阳能集热数学模型及空气升温特性研究

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摘要

1.1研究背景

1.2平板太阳能空气集热器

1.2.1基本结构和工作原理

1.2.2研究现状

1.3太阳辐射基础

1.4本文研究意义及研究内容

第2章高效平板集热器的设计与传热过程分析

2.1新型平板空气集热器基本结构

2.2太阳能平板集热器热平衡

2.2.1有效透过率和吸收率乘积

2.2.2热损失系数计算

2.3集热器效率方程

2.4流动阻力计算

2.4.1沿程摩擦阻力损失

2.4.2局部阻力损失

2.5本设计结构优势

2.5.1集热单元热损系数理论计算

2.5.2流动阻力损失理论计算

2.6本章小结

第3章高效平板太阳能空气集热器实验研究

3.1太阳能集热器热性能测试方法

3.2实验原理

3.3实验平台设计

3.4实验标准

3.5 PC板实际透射率的测量实验

3.6正弦波平板集热器出口升温实验

3.7正弦波平板集热器热效率实验

3.8入口质量流量对集热器热性能影响实验

3.9本章小结

第4章高效太阳能平板空气集热器数值模拟研究

4.1研究内容及目的

4.2 FLUENT软件概述

4.2.2太阳射线追踪算法

4.2.3环境温度函数

4.3模型的建立和网格的划分

4.3.1物理模型

4.3.2网格划分

4.3.3数学模型

4.4模拟结果与分析

4.4.1模型验证

4.4.2集热器内部流场及温度场模拟

4.4.3进口流量对集热器的影响

4.4.4进口温度对集热器的影响

4.4.5季节对集热器的影响

4.4.6吸热板波形对集热器的影响

4.5串联集热系统的研究

4.6本章小结

5.1结论

5.2进一步研究的展望

参考文献

致谢

附录

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摘要

平板太阳能集热器具有在中低温条件下效率较高,运行可靠,价格划算,且易与建筑结合等优势,在未来的太阳能热利用中有着广阔的发展空间。同时,与太阳能热水器相比,太阳能空气集热器来源广泛,成本低廉,加热工质不需要能量的二次转化,可在冬季等寒冷条件下使用,不存在结垢、腐蚀、泄露、冻裂等问题,运行可靠,在建筑采暖、生物质干燥、海水淡化、食品加工、污水处理等领域都有广泛的应用。 本文结合波纹板结构高效集热的优点和真空隔热的效果,设计了一种可在寒冷条件下使用的高效率太阳能平板集热器,分析了其主要传热过程,提供了各部分传热系数的计算方法,并对集热器的热损系数、流动阻力损失进行理论计算,以分析结构优势。设计并搭建高效太阳能空气集热器实验平台,对集热器的出口温升、集热效率、不同入口质量流量对集热器热性能的影响等进行了实验研究。基于合理假设和简化,建立了新型高效太阳能平板集热器数值模拟模型,使用Fluent软件对集热器内部流场、温度场进行数值模拟,研究和分析了不同进口质量流量、不同进口温度、不同季节、不同吸热板波形对平板太阳能集热器的影响,并进一步对集热器串联系统进行了模拟研究。 结果表明: (1)非真空时,顶部的热损系数是真空压力为0.05Pa时的17.6倍;本设计的流动阻力损失很小,一个集热单元仅为38.02Pa。 (2)当空气流量为75m3/h,环境温度在23℃~28℃之间震荡时,集热器单元可将空气温度升高16.21℃。在实验过程中,集热器的最大瞬时效率可达91%。 (3)随着空气入口体积流量的增加,空气流速增加,波纹板对其扰动明显增强,集热腔内流动分布更加均匀,温升梯度距离增大,集热器的出口温度和吸热板表面温度不断降低,集热效率升高,当流量大于75m3/h时,出口温度趋于平缓。 (4)随着空气入口温度的增加,集热器吸热板、流道内空气的温度迅速升高,升温均匀且温度梯度较为明显。当入口温度由-20℃变化到30℃,出口温升和集热器热效率均呈现出一种先增大,从0℃开始不断减小的趋势。 (5)夏季出口温升最大,当入口体积流量为12m3/h时,出口温升均超过40℃,6月份温升到达峰值,正弦波平板集热器为45.83℃,V形波平板集热器为45.03℃;春秋两季结果相似,在25℃~40℃之间;冬季出口温升最小,12月份时正弦波平板集热器为24.92℃,V形波平板集热器为24.63℃。 (6)正弦波平板集热器集热性能优于V形波集热器,优于普通平板形集热器。当入口体积流量为75m3/h,太阳平均辐照度为825.53W/m2,入口温度为293K,三种集热器瞬时集热效率均值分别为87.81%,86.68%和81.45%。 (7)在空气流量为12m3/h的条件下,一个集热器单元可将空气温度升高45.83℃,两级串联系统第二级出口温升为43.27℃,三级串联系统第三极出口温升为39.6℃。

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