新型U型管式真空管太阳能集热器研究.docVIP

PAGE  PAGE 6 新型U型管式真空管太阳能集热器研究 　　摘要：设计了一种新型U型管式真空管太阳能集热器（NEUSC），与传统的U型管式真空管太阳能集热器不同的是，该新型集热器（NEUSC）U型管被铜翅片包围，从而达到使其U型管完全处于恒定热流之下。通过计算机理论仿真模拟及实验数据结合的方法对NESCU在不同环境温度与不同天气晴朗度条件下做了详细的分析和研究，并对其环境影响和作用进行了深度分析。对该新型集热器（NEUSC）与传统类型的U型管式真空管太阳能集热器做了性能对比，结果表明：该新型集热器（NEUSC）能够充分收集利用太阳辐射能并为太阳能系统所用，在低耗费的情况下能提供更高的工作效率，并且能够减少环境污染。 　　关键词：太阳能集热器；热传递；U型管 　　中图分类号：TK513 　　文献标识码：A文章编号2016 　　1引?? 　　太阳能集热器是一种吸收太阳辐射能量并向其内部工质传递热量的装置，它是一种特殊的热交换器。在过去的20多年中，由于现存资源的逐渐短缺，特别是我国在2010年资源短缺已经达到了8 %，在2050年将会增长到24 %， 世界上关于新再生能源的研究已经达到了一个空前的高度，对于新能源的需求也是越来越迫切。太阳能作为取之不尽的新能源可谓首当其冲，因此关于太阳能利用的研究报告也是层出不穷并取得了不菲的成果。 U型管式真空管太阳能集热器是由铜管、吸热体、玻璃管和金属端盖关零部件组成。在经过循环管道，保温水箱以后，便可以利用太阳辐射发热，使水温升高。 　　近年来学者们提出了众多关于太阳辐射能量的理论与结果。笔者将结合自己的方法与前辈们的结论去评估NEUSC的效率，常规的U型管式真空管太阳能集热器 　　的U型管只有一小部分处于恒定热流之下， 而NEUSC使整个U型管都接受稳定热流，对此在本文中将做比较分析并且给出一个更为直观的结论。 　　研究表明[1，2]，在发达国家与发展中国家，利用太阳能来加热水生活用水的技术都是一个非常简单也是经济的选择。目前，真空玻璃管已经成为了太阳能集热器里一个核心部分，Georgiev[3]证实了真空玻璃管具有十分低的热损失因此常常被用于住宅设备当中，比如太阳能热水器等等。Tian[4] 利用能量守恒理论进行了分析，同时建立了U型管式全玻璃真空管太阳能集热器热效率方程， 并且利用实验与理论数据比较发现结果吻合程度良好。文中还指出涂层的发射比对集热器的热效率影响较大，降低涂层发射比是提高集热器效率的有效途径；采取适当的措施降低吸热管与肋片间的接触热阻后，采用U型管连接方式不会对热利用系统集热器效率造成太大影响。 　　Tong[5] 对于U型管式全玻璃真空管太阳能集热器中的工作介质的热传导性与努赛尔数做出了深入的研究，结合集热器的表现，得出利用纳米液体作为工作介质可以更好的提升集热器的热效率，从而达到更好的经济效应。 　　2仿真模拟计算 　　2.1新型U型管式真空管太阳能集热器的仿真计算 　　在本文中采用一维分析方式来分析单独的一根真空管，它是由双层玻璃真空管和一个吸热管组成，吸热管与双层玻璃中间部分是真空，在吸热管内部楔入了铜制的肋片。玻璃管的长度为1200 mm，外径与内径分别为47 mm与37 mm。U型管被安装在环形铜管之内，整个真空玻璃管的结构图如图1所示。 　　为了方便模拟计算同时也不会对结果产生影响，本文中采取了一些假设：真空管内部空气对流和传导热损失忽略不计；系统一直处于热平衡状态；真空管玻璃与周围环境传热系数为恒定值；包围U型管的铜圈上热能分布均匀；每个传热过程都被认为是稳定的。 　　根据能量守恒定律可以推导出，太阳能集热器的有用能应该等于被集热器吸收的太阳辐射减去和周围环境进行热传递损失的能量，如下式所示， 　　Qu=G-QL （1） 　　式中，G是被集热器选择性涂层吸收的太阳辐射，Qu是可被利用的能量，QL为与外界热交换的损失。集热器总的热损系数如式二所示为真空管热损系数与集热管热损系数之和。 　　UL=Ua+Ue （2） 　　真空管热损失Ua则是从集热管与周围环境之间的热损失，可由式3来计算， 　　Ua=11Hga+1hpg （3） 　　式中hga为玻璃管与周围环境的热传导系数，可参考Tian[4]的研究报告取12.7 W/（m2K），hpg是由吸热管与罩管玻璃管之间热传导系数hpgc和吸热管与玻璃管之间热辐射系数hpgr相加而成，根据先前的学者研究结果[4]可得hpgr为0.2796 W/（m2K），hpgc是关于吸热管表面温度和外层玻璃管的温度的函数，用公式（4）可求得， 　　hpgc=σεp1+εpdεgdg（1-εp）（T2b+T2g）（Tb+Tg）（4