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上海交通大学硕士学位论文摘要内插式太阳能真空管空气集热器集热性能研究摘要与以水为工质的太阳能集热器相比，太阳能空气集热器具有其优势，如不存在冬季防冻问题，少量泄漏对集热器运行性能影响不大，不存在系统腐蚀问题等，因此可方便地用于冬季采暖、强化室内通风、太阳能干燥等场合。空气集热器主要有平板和真空管式，目前研究和应用较多的是平板式空气集热器。内插式真空管太阳能空气集热器由于采用了全玻璃真空管作为太阳辐射接收器，与平板式空气集热器相比其吸热体和外界环境之间的热损大大降低，结构简单，集热效率较高。本文对内插管式太阳能真空管空气集热器的热性能进行了理论和实验研究。本文通过实验对一种新型的内插式真空管空气集热器不同季节工况下的瞬时集热特性进行了测试分析。研究发现不同季节工况下稳定工作阶段该空气集热器效率在60%左右，揭示了南北朝向集热器安装倾角对集热效率的影响规律。测试获得内插式真空管空气集热器和单管的时间常数分别为23min、12min，说明其热容较大。建立了内插管式真空管空气集热器管内空气流动与换热的三维瞬态模型，该模型能够反映真空管吸热层表面辐射热流随时间和各微元位置不同而变化的特点。理论和实验相结合分析了不同工况下集热器的集热温度、瞬时I 上海交通大学硕士学位论文摘要集热效率、热损系数等性能参数。该集热器春夏季在30~80℃的集热2温度范围内，热损系数集中在2~6W/mK的范围内。研究结果表明，该内插式太阳能真空管空气集热器热损系数较低、具有较高的集热效率，在供热采暖、干燥通风等场合有良好的应用前景。关键词：太阳能，空气集热器，真空管，集热效率，时间常数II 上海交通大学硕士学位论文AbstractSTUDYONTHERMALPERFORMANCEOFEVACUATEDTUBULARSOLARAIRCOLLECTORWITHINSERTEDTUBESABSTRACTComparedwiththesolarcollectorusingwaterasworkingfluid,solaraircollectorhassomeadvantagesuchasantifreezinginwinter,lesseffectofairleakageontheoperatingperformance,anticorrosive,etc.Sothesolaraircollectorcanbeusedforindoorheating,ventilation,solarpowereddryingandsoon.Amongthevarioustypesofaircollector,nowadaysflatplatesolaraircollectorsarematurecommercializedproducts.However,evacuatedtubularsolaraircollectorwithinsertedtubesismorepromisingduetoitssimplestructure,lowheatlosscoefficientandhighefficiency.Inthispaperexperimentalandtheoreticalstudieshavebeenconductedonthethermalperformanceofanovelevacuatedtubularsolaraircollectorwithinsertedtubes.Experimentalstudywascarriedouttoanalyzethedynamicandaveragethermalperformanceunderdifferentweatherconditions.Itwasfoundthatunderdifferentseasonconditionstheefficiencyisaround60%.Theaircollectorcanalsoachievegoodperformanceat0~90°underN-SIII 上海交通大学硕士学位论文Abstractorientation.Thetimeconstantoftheassembledsolaraircollectorandthesinglecollectortubeis23min,12minrespectivelywhichshowsthatit’smoreinert.A3D-unsteadynumericalmodelhasbeendevelopedtostudytheevacuatedtubularaircollectorwithinsertedmetaltube.Ittakesintoaccountvariationofradiantboundarywiththetimeandspacefortheevacuatedtubeabsorber.Soitcansimulatethecollectorperformancemoreaccurately.Thismodelisusedtopredictall-dayperformanceoftheevacuatedtubularsolarcollectorundervaryingradiantconditionsandweatherconditions.Thethermalperformanceofevacuatedtubularaircollectorwithinsertedtubeswasanalyzedexperimentallyandtheoretically.UndertypicalSpringandSummerconditionstheheatlosscoefficientwas22~6W/mKwhenthecollectingtemperaturevariedattherange30~80℃.Theresultsofthispaperindicatethatevacuatedtubularsolaraircollectorwithinsertedtubeshaslowheatlosscoefficientandhighefficiency,soit’sverypromisingintheapplicationofindoorheating,ventilation,drying,etc.KEYWORDS:solarenergy,aircollector,evacuatedtube,efficiency,timeconstantIV 上海交通大学硕士学位论文符号说明符号说明英文字母D全玻璃真空管外径，mmL真空管有效采光长度，mmoaD全玻璃真空管内径，mmW真空管有效采光宽度，mmiaL全玻璃真空管总长度，mmx轴向位置坐标，mmd内插管内径，mmcA集热器总热容，W/K2l内插管总长度，mmC0黑体辐射系数，W/m.k2ti集热器入口工质温度，℃Ain集热器入口截面面积，m.to集热器出口工质温度，℃集热器入口空气质量流量，kg/smintm集热器内工质平均温度，℃cpw,水的定压热容，J/kg.Kt环境温度，℃twin,换热器入口水温，℃a2UL集热器热损系数，W/m.Ktwo,换热器出口水温，℃.'换热器内水的质量流量，kg/sF集热器效率因子mwF集热器热转移因子tg,in换热器入口空气温度，℃R•m工质质量流量，kg/stg,o换热器出口空气温度，℃'cp空气定压热容，J/kg.K∆tm逆流换热温差，℃v空气流速，m/s∆tm空气-水换热温差，℃A集热器出风口截面面积，m2ψ温差修正系数1A集热器有效集热面积，m2k肋管换热器传热系数，W/m2.k22*集热器归一化温度，(m2K)/WI太阳辐射强度，W/mT2q2AG集热器总面积，meff(,)τα吸热体表面的有效热流，W/mVII 上海交通大学硕士学位论文符号说明2Aa集热器采光面积，mRe无量纲雷诺数22AA集热器吸热体面积，mqu集热器有效能量输出，W/mI集热器接收的直射辐射，W/m22b,αqdiss集热器单位热损，W/mI集热器接收的散射辐射，W/m2d,αB集热器真空管间距，mmh太阳高度角，度m大气质量I直射太阳辐射强度，W/m2bN,P大气透明度2ISG太阳常数，W/mTi真空管内壁面温度，K2Ai真空管内壁面面积，mTo真空管外壁面温度，K2T真空管吸热体表面平均温度，KAo真空管外壁面面积，mp希腊字母ρ空气密度，kg/m3δ赤纬角，度3ρw水的密度，kg/mω时角，度η瞬时集热效率，%θ微元面直射入射角，度r,αα吸热体表面微元中心角，度Ω投影入射角，度γ平面方位角，度Ω临界投影入射角，度n0β平面倾斜角，度γ日-地距离修正因子ϕ地理纬度，度τ真空管透射系数τ时间常数，minα'真空管吸收系数0ε真空管内壁面发射率ε真空管外壁面发射率ioVIII 上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：袁颖利日期：2009年2月19日 上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密√。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：袁颖利指导教师签名：李勇日期：2009年2月19日日期：2009年2月19日 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1.1研究背景太阳能是一种环保、节能的洁净能源，并且太阳能资源十分丰富。正是由于这些优势，在可再生能源中太阳能受到越来越多的关注，各种各样的太阳能产品逐渐走进千家万户，这一领域的探索研究也日益深入。目前太阳能的应用范围已[1][2]经相当广泛，如家用和公共建筑室内采暖和提供生活热水、农作物和水果干燥、[3][4,5]工业方面用于海水淡化和吸湿剂解析、绿色建筑复合能量系统等。集热器是整个太阳能热利用系统中的核心部件，其结构和工作性能对系统运行有重要影响。目前真空管太阳能集热器是最为普遍和成熟的技术。普通的真空管太阳能集热器冬季存在防冻问题，虽然采取一定的措施可以改善，但增加了系统成本和复杂性。相对而言空气集热器可直接引入户外新风产生热空气，由于内部工质为空气就不存在冬季防冻问题，少量泄漏对集热器的运行性能影响不大，系统承压要求低，基本上不存在系统腐蚀问题，因此可以方便地用于冬季室内采暖、强化通风、干燥、转轮除湿系统再生等场合。1.2太阳能集热器太阳能集热器的分类标准有多种，一般情况下可分为非聚焦型和聚焦型集热器。前者常用的有平板型集热器和真空管集热器。按照聚焦方式的不同可以将聚焦型集热器分为锥形、抛物面型、球形、塔式和反射式菲涅尔等使用反射光学系统原理的集热器以及透镜聚焦、折射式菲涅尔等使用折射光学原理的集热器。其中在中低温使用领域，平板式和真空管集热器目前推广应用最为广泛。平板式集热器的种类比较多，其基本结构都是由玻璃盖板（单层或多层）、吸热板、保温层和保护外壳组成的。吸热板是重要的部件，一般选用铜、铝合金、[6]铜铝复合材料、不锈钢、镀锌钢板等材料。吸热板与载流工质的结合方式有多种，比如管板式、翼管式、扁盒式、蛇形管式等。一般情况下为了降低吸热板表面的反射率常常在其表面涂覆黑色涂层，温度要求不高的场合可以选择用黑板漆、沥青、烟灰等非选择性涂层材料以降低成本。温度较高的使用场合要采用对短波辐射具有较高吸收率、而对长波的发射率较低的选择性涂层材料。太阳辐射透过1 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论透明玻璃盖板其光能转化为热能被吸热板吸收，集热器内的传热工质直接或间接将热量带走。为了减少系统对外界散热，要选用厚度合适的保温材料，一般情况下保温层的厚度设为30~50mm。平板集热器内的传热工质可以是水或防冻液，用集热器直接或间接产生生活热水。或者采用制冷剂作为运行工质通过热泵循环间[7,8]接产生热水。也可以空气为传热工质用平板集热器产生热空气。图1-1是平板式空气集热器的几种吸热板形式，吸热板上设置有各种形式的障碍，以增强空气[9]流动的扰动，起到强化换热的作用。也有学者将超临界CO2作为传热工质用于[10]太阳能真空管集热器。比较而言，直接以水为工质时结构简单、使用方便。以制冷剂为工质的热泵循环效率较高，节能效果明显，但是需要设置压缩机等部件，增加了系统的复杂性。以空气为工质时热空气可用于室内采暖、干燥，并且冬季不会“冻管”，缺点是平板式空气集热器吸热体结构设计比较复杂，与水相比空气的单位热容量较小。总体来说，平板式太阳能集热器使用安全可靠、结构简单、成本较低；但集热温度较低，吸热体和透明盖板之间存在较多对流散热。[9]图1-1平板空气集热器几种类型的吸热板Fig.1-1Typesofabsorberplates与平板集热器相比，真空管集热器的核心部件真空管由内部吸热体和外层玻-2璃管构成，吸热体与外玻璃管之间为高度真空夹层（≤5×10Pa），吸热体表面涂覆选择性吸收涂层。这样吸热体和外层玻璃管之间几乎不存在导热和对流散热，并且选择性吸收涂层具有极低的长波发射率（半球发射率≤0.09），大大降低了真空夹层内的辐射热损。按照吸热体的材质和结构可以将真空管太阳能集热器分为全玻璃、玻璃-金属真空管集热器。全玻璃真空管集热器主要由真空玻璃管、选择2 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论性吸收涂层、弹簧支架、消气剂等构成。目前全玻璃真空管的生产已经形成了一[11]定的标准系列，主要结构尺寸见表1-1。玻璃-金属真空管集热器有多种类型，比如热管式、同心套管式、U形管式、储热式、直通式等类型。这种集热器的吸热体采用金属材料，各真空管之间用金属件连接，因此运行温度较高、承压能力大、耐热冲击性能也较好。真空管集热器在普通家用太阳能热水器方面的应用比较成功，在整个太阳能热水器市场中占有绝对的优势。其优点是结构简单、实用性好，但是由于内部采用水作为传热工质，寒冷天气下使用时隔热保温要求高，否则会冻坏管道。采取防冻液可以改善这种状况，但是也增加了系统的复杂性。真空管集热器也可以采用空气为传热工质，可以避免防冻带来的问题，这样就构成了真空管空气集热器。表1-1全玻璃真空管结构尺寸单位：（mm）Tab.1-1Themainstructuralsizeofevacuatedtube(mm)内玻璃管外径罩玻璃管外径管长37471200,1500,180047581500,1800,21001.3太阳能空气集热器及其研究现状空气集热器具有不同的类型，平板式、真空管式等等，目前推广应用较多的[12,13]是平板式空气集热器，表1-2对常见的几种太阳能空气集热器的结构和特点进行了简要总结。平板式空气集热器主要分为无孔集热板型和多孔集热板型。两种形式的平板空气集热器主体结构大致相同，由单层或者多层玻璃盖板、集热板、保温材料和外壳构成。主要区别在于前者的集热板有V形、波纹形、平板、加肋平板（交错肋、U形肋等）等类型，空气在集热板上侧、下侧或两侧流动与集热板进行热交换，但是空气不能穿过集热板；后者多孔集热板有金属丝网式、多孔翅片式、金属刨花式、蜂窝式、多层重叠板式等，空气在多孔状的集热板微孔中流过，与集热板进行热交换。真空管式空气集热器主要由全玻璃真空管、金属插管、联集管、保温材料和金属连接件等构成，单根真空管和置于其中的金属管构成一组空气流道。联集箱内的空气首先进入内插管，然后由插管末端流入真空管与钢管构成的环形通道内加热后从真空管流出。多组流道并联构成一组内插式真空管空气集热器。就特点而言，无孔集热板型平板式空气集热器结构简单、价格较低，但空气与集热板间换热不充分，集热效率不高。多孔集热板型平板式空气集热器设计较3 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论复杂，但是增加了换热面积，增强了气流扰动，同时整体压降也有所降低，集热效率比较高。而内插管式真空管空气集热器结构相对简单，真空结构使得整体热损失较小，可以产生温度较高的空气，集热效率也比较高。总体来说由于空气集热器内部工质为空气不存在冬季防冻问题，少量泄漏对集热器的运行性能影响不大，系统承压要求低，基本上不存在系统腐蚀问题，应用范围较广泛。表1-2常用空气集热器的结构和特点Tab.1-2Thestructureandcharacterofaircollector类型结构工作原理特点由单层或者多层玻璃盖板、无孔集结构简单、价格较空气在集热板上侧、下侧或两平板式无孔热板、保温材料和外壳构成，集热低，但空气与集热板侧流动，与集热板进行热交集热板型板有V形、波纹形、平板、加肋间换热不充分，集热换，但是空气不能穿过集热板平板（交错肋、U形肋等）等类型效率不高设计较复杂，但是增主体结构同上，多孔集热板有金属加了换热面积，增强平板式多孔空气在多孔状的集热板微孔丝网式、多孔翅片式、金属刨花式、了气流扰动，同时整集热板型中流过，与集热板进行热交换蜂窝式、多层重叠板式等体压降也有所降低，集热效率比较高单根真空管和置于其中的金结构简单，真空结构属管构成一组空气流道，联集使得整体热损失较由全玻璃真空管、金属插管、联集箱内的空气首先进入内插管，真空管式小，可以产生温度较箱、连接件和保温材料构成然后由插管末端流入真空管高的空气，集热效率与钢管构成的环形通道内加也比较高热后从真空管流出。由于空气集热器具有以上优势，国内外不少太阳能研究工作者在这一领域进[14]行了研究。王志峰对全玻璃真空管空气集热器热性能评价方法进行了研究，并对集热器的时间常数、热延迟常数、角系数修正因子及瞬时热效率的实验方法进行了初步的实验研究。通过分析提出真空管集热器的角度修正因子最小值1.0出现在太阳垂直入射时，而平板集热器角度修正因子的最大值为1.0，出现在太阳垂直入射时。所以真空管集热器的日平均效率高于太阳垂直入射时的效率，而平板集热器日平均效率要低于太阳垂直入射时的值。[15]王佩明分别以单层玻璃盖板平板集热器和内插管型全玻璃真空管空气集热器为研究对象，在一阶系统基础上讨论了时间常数，提出判定集热器与一阶系统符合程度的方法。通过实验证明了内插管型全玻璃真空管空气集热器作为一阶系统处理时比较合理，而单层玻璃盖板平板集热器作为一阶系统处理存在较大的偏[16]差。王佩明等以12根外径47mm、长度1500mm的全玻璃真空管组成的插管4 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论22提热式空气集热器（采光面积为0.7896m，总面积为1.378m）为研究对象，通33过实验得到了集热器的流动阻力性能曲线以及流量为60m/h、90m/h情况下的瞬时集热效率曲线。采用V型反光板前后集热器总的能量收益分别占集热器平面上太阳辐射总量的56.93%和66.86%。[17]赵冰、王志峰等介绍了平板式太阳能集热器和热管式真空管集热器，分别按照“平板型太阳集热器热性能试验方法”（GB/T4271-2000）和“真空管太阳集热器”（GB/T17581-1998）标准通过实验对其热性能进行了测试和对比。得出结论：在集热器与外界环境没有换热情况下，平板型集热器的最高瞬时效率为0.675，热管式真空管集热器的最高效率为0.568。而随着集热温度的升高，平板集热器的热损较大，瞬时效率曲线比较陡，集热效率下降较快。而热管式真空管集热器热损较小，其瞬时效率曲线变化比较平缓。[18]侯宏娟、招玉春等介绍了储热式真空管热水器和直插式真空管热水器，按照“家用太阳热水器热性能试验方法”（GB/T12915-91）、“家用太阳热水系统热性能试验方法”（GB/T18708-2002）的标准对这两种形式的太阳能真空管热水器作了实验测试和对比。其中储热式真空管热水器由两组4根外径为150mm、长度2为2000mm的真空集热管以及容量为200㎏的储水箱组成，集热器面积为2.8m，集热器安装倾角为9.9°。直插式真空管热水器由20根外径为47mm、长度1500mm2的真空管以及容量为100㎏的储水箱组成，集热器面积为1.932m，集热器安装倾角为28.3°。在上海4-5月份的气候条件下，储热式真空管热水器的日平均集热效率处在40%~60%，直插式真空管热水器的系统效率在30%~40%。储热式真空[19]管热水器的日平均集热效率比直插式真空管热水器要高出20%左右。侯宏娟等在现有的集热器时间常数测试方法基础上经过理论分析提出了一种较为简便的时间常数测试方法，并通过实验进行了验证。理论和试验吻合较好，与采用ASHRAE93-86、ISO9806-1等标试验方法得到的结果相一致。大大简化了测试条件。[20]陈滨、薛静等对幕墙夹层太阳能空气集热器进行了实验研究，得到其在[21]10~12月之间不同工况下的集热性能和供暖效果。王崇杰、管振忠等对渗透型太阳能空气集热器集热性能进行了数值模拟和实验研究，分析了三种吸热板布置[22]形式下风量、太阳辐射、风速等因素对集热器运行性能的影响。颜军等在普通平板空气集热器的集热板上按一定规律打孔，并将表面涂黑板漆的铁丝固定在圆孔中构成平板式圆柱阵列空气集热器。通过实验得到这种空气集热器3月份工况下的出口温度、集热效率等。5 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论[9]HikmetEsen对几种具有不同折流板形式的平板空气集热器进行了实验研究和能量分析，测得不同流量下空气集热器的进出口温度、环境温度、太阳辐射以及吸热板温度，并与相同条件下无折流板的平板空气集热器性能进行比较。发现带有折流板的双流道空气集热器集热性能较好，而无折流板的空气集热器不可逆[23,24]损失较大，集热效率较低。A.S.Nafey等将单层玻璃盖板单通道平板式空气集热器用于太阳能海水淡化，产生的热空气使盐水中的水汽化并带走水蒸气，然后经过冷却器使水蒸气凝结，降温减湿后的冷空气经过集热器加热后可以循环利用。[25]用理论和实验的方法研究了影响盐水淡化效果的主要因素。BenSlamaRomdhane在单通道、多通道平板式空气集热器流道内增加了矩形和三角形折流板以增强空气湍流度，从而强化集热器吸热板与空气之间的换热，进行了可视化实验研究。32在0~70m/h/m流量范围内对空气集热器的集热效率、系统压降等进行了测试。[26]B.F.Parker等人对三种具有V型吸热板的平板式太阳能空气集热器（空气在吸热板上侧流动、空气在吸热板下侧流动、空气分别在吸热板两侧流动）的热性[27][28]能进行了测试和分析。毛润治和HidoEM研究了空气在吸热板上侧和下侧流[29]动的平板型空气集热器的集热效率随空气流量率的变化关系。谢红对以铜管作为内插管的真空管空气集热器的理论和实际集热效率进行了测试和分析。目前国内外也有一些学者对真空管集热器的热性能进行了模拟和分析。王志[30]峰等对全玻璃真空管插管提热式空气集热器管建立了三维模型。采用fluent对集热器在均匀加热条件下管内流动与换热情况进行了模拟计算，并对模拟结果进行了实验验证。整个装置由外径37mm、壁厚1.5mm、长度1190mm的玻璃管和外径19mm、壁厚1mm、长度可以自由伸缩的铜管组成。得出结论：插管长度为1135mm时，气流在真空管底部形成了类似平板射流速度分布，使管底换热情况[31]较好，而当内插管长度较小时，真空管底部的换热情况恶化。王志峰和杨军用几何光学理论对带有平面反射板的单根全玻璃真空集热管表面能流分布进行了分析，按照吸热涂层表面入射光来源不同分别对各种入射光源进行了分析。得到了反射板长度和真空管内管最下端与反射板之间距离变化时真空管表面能量分布情况。[32]E.Papanicolaou等以十二根内径为47mm，长度为1500mm的真空管以及直径为20mm的金属管、联集管等构成的并联结构内插管式真空管太阳能空气集热器为研究对象，对单管内的流场和温度场进行了模拟计算。分析了管子尺寸结构对集热性能的影响，同时通过实验得到了集热器工作温度和集热效率等参数，将计算结果与实验进行了对比。其中计算模型真空管表面采用均匀恒定法向热流6 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论[33,34]边界条件，未考虑真空管光学几何特性对热流的影响。林金清对三种形式的平板型太阳能空气集热器建立了二维稳态数学模型，采用数值方法研究集热器的[35,36]集热效率随空气流量、进口温度、入射强度的变化关系。OngKS在工质温度[37-39]线性变化的假设下建立集热器的数学模型。BhargavAK、WijeysunderaNE等以平板型太阳能空气集热器为研究对象，建立一维数学模型研究了集热器盖板、吸热体和传热工质沿工质流动方向的温度分布情况，但是未考虑集热器沿流道深度方向的温度变化。太阳能空气集热器国内外的主要研究情况总结见表1-3：表1-3太阳能空气集热器主要研究现状Tab.1-3Studyanddevelopmentstatusofsolaraircollector研究单位研究对象主要工作采用fluent对集热器在均匀加热中科院工程热物理研究所，条件下单管内流动与换热情况DepartmentofMechanical外径37mm、壁厚1.5mm、长度进行了稳态三维模拟计算，提出EngineeringandApplied1190mm的玻璃管和外径19mm、壁插管长度为1135mm时，气流在Mechanics,UniversityofRhode厚1mm、长度可以自由伸缩的铜管真空管底部形成了类似平板射Island,USA组成的空气集热器单管流速度分布，管底换热情况较王志峰，SunHongwei（2001）好，当内插管长度较小时，真空管底部换热情况恶化。中科院工程热物理研究所由12根外径47mm、长度1500mm通过实验得到了集热器的流动3太原理工大学，建筑与环境工的全玻璃真空管组成的插管提热式阻力性能曲线；流量为60m/h、23程学院王佩明，王志峰，空气集热器（采光面积为0.7896m，90m/h情况下的瞬时集热效率2费良斌（2004）总面积为1.378m）曲线。DepartmentofEngineeringSciences,FacultyofPetroleum将单层玻璃盖板单通道平板式andMiningEngineering,Suez空气集热器用于太阳能海水淡CanalUniversity,Suez,Egypt单层玻璃盖板单通道平板式空气集化，产生的热空气使盐水中的水DepartmentofMechanical热器汽化并带走水蒸气，用理论和实Engineering,Facultyof验的方法研究了影响盐水淡化Engineering,Alexandria,Egypt效果的主要因素。A.S.Nafey,H.E.S.Fath（2004）用几何光学理论对带有平面反中科院工程热物理研究所—山射板的单根全玻璃真空管表面东皇明太阳能有限公司联合实带平面反射板的全玻璃真空集热管能流分布进行了分析，得到了反验室单管射板长度和真空管内管最下端王志峰，杨军（2005）与反射板之间距离变化时真空管表面能量分布情况。7 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论在一阶系统基础上讨论了时间太原理工大学建筑与环境工程2集热面积为1.2m的单层玻璃盖板平常数，提出当集热器较好符合一学院，中科院工程热物理研究板集热器，内部工质为水；由12根阶系统时更准确的确定时间常所—皇明太阳能公司联合实验φ47×1500mm真空管构成的内插管数方法。通过实验证明了内插管室，上海交通大学制冷与低温型全玻璃真空管空气集热器，内部传型全玻璃真空管空气集热器作研究所热工质为空气为一阶系统处理时比较合理。王佩明，王志峰，侯宏娟（2005）在现有集热器时间常数测试方上海交通大学制冷与低温研究法基础上经过理论分析提出一所，中科院工程热物理研究所2采光面积为1.2m的带玻璃盖板平板种较简便的时间常数测试方法，—皇明太阳能集团联合实验室集热器，内部工质为水并通过实验进行验证。使集热器侯宏娟，王志峰，王如竹时间常数测试难度大大降低。（2006）3种变色幕墙太阳能空气集热器：2A型（采光面积1.1m）、B型（采光对3种幕墙夹层太阳能空气集热大连理工大学22面积1.1m）、C型（采光面积1.0m）。器进行了对比实验研究，得到其陈滨，薛静，杨文秀等盖板均为1.2mm厚的透光板，保温在10月~12月之间不同工况下（2007）层为20mm厚的聚苯乙烯板的集热性能和供暖效果。TheJointGraduateSchoolofEnergyandEnvironment,King用CPC集热器产生热空气对硅Mongkut’sUniversityof胶干燥剂进行再生处理，研究发TechnologyThonburi,ThailandCPC太阳能集热器，集热器集热面积现硅胶再生速率和效率主要受FacultyofScienceand2和接收器的面积分别为1.44、0.48m太阳辐射强度影响，而与硅胶的Technology,LoeiRajabhat初始含湿量、硅胶数量关系不University,Thailand大。SurajitrPramuang,R.H.B.Exell（2007）对几种具有不同折流板形式的平板空气集热器进行了实验研DepartmentofMechanical究和能量分析，与相同条件下无Education,FacultyofTechnical具有4种不同吸热板的双流道平板式折流板的平板空气集热器性能Education,FiratUniversity,空气集热器进行比较，发现带有折流板的双Turkey流道空气集热器集热性能较好，HikmetEsen（2008）而无折流板的空气集热器不可逆损失较大，集热效率较低。从目前的研究现状分析可以看出，现阶段对太阳能空气集热器的研究主要集中在试验和理论分析方面。存在的问题主要是：8 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论1）关于真空管太阳能空气集热器集热性能研究与应用方面，针对空气集热器集热性能测试以及空气在集热器内的流动和换热规律性，往往与具体结构有较大关系，如何从提高集热性能方面对集热器结构、流动规律进行研究等工作尚未深入开展。2）由于真空管集热器具有不同于平板集热器的结构和特性，附着在真空管内玻璃表面的环形吸热体具有非均匀和非对称的几何光学特性与热性能。在相同的时间段内，真空管截面上每个位置的热边界条件都不同，而且随着时间的变化太阳辐射强度和太阳方位也要发生变化。于是在特定时间段内真空管内表面吸热体接收的有效热辐射会发生很大变化，使得真空管表面热边界成为时间和空间位置的函数。如果在模型中简单地将其作为均匀恒定热流边界，得到的流场和温度场会与实际情况有较大地出入。以往真空管空气集热器的理论研究多以单管为研究对象，建立单管的二维稳态模型，并假定真空管表面为均匀法向热边界条件，不能充分反映上述因素的影响效果。1.4本文主要内容1）对一种新型的内插式太阳能空气集热器进行研究分析。与传统以水为工质的太阳能集热器相比，这种太阳能集热器冬季不存在“冻管”问题、少量泄露对系统整体性能影响不大、无腐蚀、系统承压要求低等。同时由于采用真空夹层和选择性吸收涂层，其总体热损失较小。2）搭建内插式太阳能空气集热器性能测试实验台，对集热器的瞬时集热效率、热惯性、系统阻力特性以及不同季节工况下该空气集热器的运行性能进行了测试。研究了安装倾角、工质流量、插管长度等对集热器性能的影响。上海地区气候条件下该内插式真空管空气集热器在不同季节工况下稳定运行阶段集热效率平均可以达到60%左右。南北朝向各倾角下的总体运行效果较好，所以这种内插式真空管空气集热器可置于水平及有坡度的屋面，也适用于垂直阳台和墙体，便于与建筑相结合。3）建立内插式真空管空气集热器单管的三维动态模型，综合考虑真空管吸热体表面热流随时间和空间位置变化的特点，对吸热体表面施加非均匀热流边界条件。采用FLUENT对集热管内的流场和温度场分布情况进行模拟计算，并用实验结果对模拟结果进行了验证。集热器出口温度和集热效率的计算和实验结果最大偏差在10%以内。对试验中难以测试的管内壁面温度进行了模拟计算。9 上海交通大学硕士学位论文第二章太阳能集热器性能测试方法对比分析第二章太阳能集热器性能测试方法对比分析集热器作为太阳能热利用系统的核心部件，其性能的好坏对整个系统的使用效果有重要影响。随着太阳能集热器应用范围和普及程度的提高，相关的性能测试标准、方法和技术条件逐渐成熟和完善。然而太阳能集热器的种类较多，对于同一种集热器来说可能有各种不同的测试程序和要求。本章提出一种新型的内插式太阳能真空管空气集热器，然后对国内外太阳能集热器相关的测试方法进行总结对比。之后介绍本文所采用的内插式太阳能真空管空气集热器性能测试实验方法和试验装置。2.1内插式太阳能真空管空气集热器如图2-1所示，本文研究的内插式太阳能真空管空气集热器主体由52组全玻璃真空管（管间距为75mm）、不锈钢管、联集箱、金属支架、密封件以及保温材料组成。其中全玻璃真空管为双层玻璃结构，内外管之间为真空夹层。内玻璃管外表面采用AL-N/AL选择性吸收涂层，玻璃管内径47mm，外径58mm，长度1800mm。真空管的规格：QB-AL-N/AL47/58-1800，执行标准为GB/T17049-1997。不锈钢管内径为19mm，壁厚1mm，长1800mm，作为内插管置于真空管内且两者处于同轴的位置，插管末端和真空管封闭端间距80mm。集热器入口设有小型轴流风机，额定功率为80W，风机的外观形式和性能参数分别见图2-2、表2-1。空气集热器各组件的规格参数见表2-2。图2-1内插管式真空管空气集热器结构简图Fig.2-1Evacuatedtubularaircollectorwithinsertedtubes10 上海交通大学硕士学位论文第二章太阳能集热器性能测试方法对比分析图2-2空气集热器入口风机外观和尺寸Fig.2-2Theappearanceanddimensionofinletfan表2-1空气入口风机参数Tab.2-1Themainparameterofinletfan型号风量功率额定转速频率温度区间噪声3-1m/hWminHz℃dB(A)W2E200-HK86-0110308028006015~6561表2-2太阳能空气集热器组件规格Tab.2-2Thespecificationofeachcomponentinthesolaraircollector组件规格参数联集箱210×220×2000mm出风口210×85×2mm真空管长度、直径、材料1800mm/58mm/硼硅玻璃真空管外侧透光比（太阳透射比）≥0.89真空管内壁镀膜材料AL-N/AL，其吸收比为0.92，法向发射比为0.06（100℃）内插管长度、直径、材料1800mm/19mm/不锈钢风机型号与尺寸W2E200-HK86-01(ebmpapst)，Φ225×225×80mm外界空气在风机驱动下进入联集箱内部空气通道，之后沿程分配给各组不锈钢插管内。真空管和置于其中的金属管构成一组空气流道，每组通道之间均为并联。图2-3显示了集热器单组流道的结构和主要尺寸。对于每一组流道而言，空气进入内插管之后从插管末端流入由真空管和不锈钢管构成的环形流道。在这个过程中空气逐渐被真空管内管表面的选择性涂层加热，温度升高后的空气从真空管出口进入联集箱外部通道。各组流道排出的热空气在联集箱外部通道汇合后从集热器出口流出。11 上海交通大学硕士学位论文第二章太阳能集热器性能测试方法对比分析图2-3内插式太阳能真空管空气集热器单组流道Fig.2-3Singletubeofevacuatedtubularsolaraircollectorwithinsertedtubes该内插式太阳能真空管空气集热器的主要特点：1）空气集热器的运动部件只有一个输入功率很小的风机，节能效果好；2）采用硼硅玻璃双层全玻璃真空管，其内管表面的AL-N/AL选择性涂层可以较好地接收太阳辐射，内外管之间的真空夹层最大限度地消除了吸热层通过对流和导热向外界的散热，辐射热损也大大降低；3）与普通全玻璃真空管集热器相比，该集热器内部传热介质为空气，因此冬季不用考虑防冻问题，特别适合于室外环境温度低而太阳辐射条件好的地区；4）冬季外界新风经过该太阳能空气集热器加热可用于室内采暖，通过多组集热器的串并联组合可以调节处理空气的温度和流量。2.2集热器性能测试方法和相关技术条件比较随着太阳能集热器应用的普及和推广，国内外出现了各种太阳能集热器的性能测试标准和技术要求。各种版本的集热器测试标准中对集热器测试项目做了较为全面的介绍，包括结构尺寸说明、外观检查标准、安装要求、测试仪器精度规[40-48]定、性能测试方法和步骤等。国内外常用的太阳能集热器测试标准见表2-3。其中集热器的性能测试方法是核心部分，本小节主要围绕集热效率、时间常数测试方面对太阳能集热器性能测试方法进行总结和对比。按照真空管的排列方式可以将真空管集热器分为竖单排、横单排和横双排三种形式，如图2-4所示。本文所研究的内插式真空管空气集热器的真空管排布方式为图2-4c）的形式。图中1为真空管集热器，2为联集管，3为尾架，L和W12 上海交通大学硕士学位论文第二章太阳能集热器性能测试方法对比分析分别为集热器的长度和宽度。图2-4真空管太阳能集热器的3种排列方式Fig.2-4Arrangementoftheevacuatedtubularcollector集热器室外效率测试要求在晴朗的天气条件下进行，试验期间集热器采光面22上的总太阳辐射应不小于700W/m，并且太阳辐射波动幅度在±50W/m以内。集热器效率测试过程中，在集热器工作温度范围内取至少4个间隔的工质入口温度，其中一个入口温度应使得其平均温度与环境温度差值在±3℃以内。根据集热器最高工作温度来确定工质最高入口温度，平板集热器的最高入口温度不超过70℃，真空管集热器的最高入口温度与环境温度相差40℃以上。标准中分别给出以集热*器总面积、采光面积和吸热体面积为参考的三种效率计算式，归一化温差T也给出了以工质入口温度ti和平均温度tm为参考的形式。集热器的稳态效率测试也可以使用室内太阳能模拟器来实现。模拟光源应在集热器采光口上产生至少80022W/m的平均辐照度，特殊情况下也可以使用300~1000W/m的模拟光源，在测试报告中应注明实验条件。采用太阳总辐射表按一定间距（不超过150mm）的网格形式来测量集热器采光口上的太阳辐照度分布，最后求得平均值。通过实验测试*得到集热器随归一化温差T变化的瞬时效率曲线。效率曲线的斜率反映了集热器13 上海交通大学硕士学位论文第二章太阳能集热器性能测试方法对比分析的热损失程度，曲线变化平缓表明热损较小，效率曲线斜率越大则集热器的热损越大。瞬时效率曲线的纵轴截距为零损失效率，即当集热器内工质温度与外界环境相同时在工质和环境之间没有换热的情况下集热器可以达到的最高效率。因此集热器的瞬时效率曲线在很大程度上可以反映其主要集热特性。表2-3太阳能集热器性能测试标准Tab.2-3Theperformancetestingstandardsofsolarcollector标准名称编号发布单位国家质量监督检查检疫总局，全玻璃真空太阳集热管GB/T17049-2005中国国家标准化管理委员会全玻璃真空太阳集热管用玻璃管QB/T2436-99国家轻工业局国家质量监督检查检疫总局，真空管型太阳能集热器GB/T17581-2007中国国家标准化管理委员会国家质量监督检查检疫总局，玻璃-金属封接式热管真空太阳集热管GB/T19775-2005中国国家标准化管理委员会平板型太阳集热器技术条件GB/T6424-1997国家技术监督局国家质量监督检查检疫总局，太阳能集热器热性能试验方法GB/T4271-2007中国国家标准化管理委员会MethodsofTestingtoDeterminetheASHRAEStandardsCommittee,ASHRAE93-1986ThermalPerformanceofSolarCollectorsAmericanNationalStandardsInstituteThermalsolarsystemsandcomponents-BSEN12975-2:2006StandardsPolicyandStrategyCommitteeSolarcollectors-Part2:TestmethodsThermalsolarsystemsandcomponents-BSEN12976-1:2006StandardsPolicyandStrategyCommitteeFactorysystems-Part1:GeneralrequirementsThermalsolarsystemsandcomponents-BSEN12976-2:2006StandardsPolicyandStrategyCommitteeFactorysystems-Part2:Testmethods时间常数是确定集热器过渡性能的重要参数，它反映了集热器的热惯性。如图2-5所示，在GB/T4271-2007中将时间常数定义为太阳辐照度从开始有阶跃式增加后集热器出口温度上升到(to-ta)∞的0.632时所用的时间。ISO9806-1和EN12975-2中集热器时间常数的测试方法与GB/T4271-2007的规定相类似。这些标准在集热器时间常数测试方面都要求集热器工质入口温度与环境空气温度近似相等（偏差在±1℃以内）。而在实际操作中这一条件有时候很难达到，增加了测试难度。在ANSI/ASHRAE93-1986中时间常数有两种测试方法，其中一种和GB/T4271-2007类似，要求集热器入口工质温度接近环境空气温度。集热器的时间常数14 上海交通大学硕士学位论文第二章太阳能集热器性能测试方法对比分析TT()τ−fo,,fi为从1变化至0.368所用的时间。另一种测试方法不要求集热器入口TT−foinitial,,fi,工质温度等于环境温度，时间常数为式（2-1）从1变化至0.368所需要的时间。这种方法不再要求集热器入口工质温度与环境温度相等，但是需要事先知道FRUL的值，在大多数情况下实验之前这个数值也是未知的。[44]图2-5集热器时间常数曲线Fig.2-5Thetimeconstantcurveofsolarcollector.AFUT()[−+TmcT(τ)]−TCRLfi,,apfofi,（2-1）.AFUT()(−+TmcT−T)CRLfi,,apfoinitial,fi,[19]侯宏娟提出了一种集热器时间常数的确定方法，并且通过实验进行了验证。测试步骤如下：1）采用室内模拟光源或者室外自然光源，使集热器采光面上的太阳辐照度不小于2800W/m。2）用遮光板隔绝集热器采光口上的太阳辐照，达到稳态之后移去遮光板，在太阳辐照之下再次达到稳态。也可以先在太阳辐照下达到稳态后用遮光板隔绝集热器采光面上的太阳辐照，在无光源情况下再次达到稳态。TT()τ−fo,,foinitial,3）集热器的时间常数即为从0变化至0.632所用的时间。TT−fo,,∞foinitial,,这种方法既不需要控制集热器入口工质温度与环境空气温度相同，也不需要事先知道FRUL的值，大大简化了测试条件，更有利于实际操作。15 上海交通大学硕士学位论文第二章太阳能集热器性能测试方法对比分析关于入射修正的测试方法在GB/T4271-2007中分别针对可跟踪太阳方位角的移动式实验台和只能调节安装倾角的固定式实验台给出了两种测试方法。两种方法均要求集热器入口工质温度接近环境空气温度。[49]相对于目前比较常用的集热器热性能稳态测试方法，侯宏娟以U形管式真空管集热器为研究对象建立了集热器的性能预测模型，为该类太阳能集热器热性能动态测试实验提供了一定的理论基础。但是该模型采用了集总参数法，假定在特定时刻下真空管和U形管内的液体工质温度均匀分布，各处温度均相同。[50]毛润治采用数学和传热学分析得到了3种平板式太阳能空气集热器（空气在吸热板下流动、空气在透明盖板和吸热板之间流动、空气穿过吸热板流动）有用得热量的理论表达式。将空气集热器的UL、F′、FR与以水为工质的太阳能集热器进行对比，分析两者的异同之处。通过理论分析和讨论，认为以水为工质的太[51]阳能集热器的热性能分析和测试方法同样适用于平板式空气集热器。王佩明在现有集热器测试标准的基础上整理出一套较为完整的空气集热器测试方法。该测试方法采用开式实验台对空气集热器主要性能指标的测试方法进行了详细阐述，包括集热器安装要求、仪器和设备精度规定和使用说明、室外稳态效率测试、时间常数、入射角修正和压力测试等方面。其中集热器的有效得热量考虑了系统漏热造成的热损失。2.3内插式太阳能真空管空气集热器性能测试实验装置不同安装倾斜角度以及空气流速、内插管长度等结构参数变化对该内插式真空管空气集热器性能会有不同程度的影响。本文采用实验的方法基于空气集热器单组流道研究了倾角以及结构参数变化对空气集热器工作性能的影响，测试了单组集热管的热惯性。以内插式太阳能空气集热器以研究对象，搭建热性能测试实验台，对集热器的瞬时集热效率、时间常数、阻力特性进行了测试。同时对该空气集热器在上海地区气象条件下不同季节工况的工作性能进行了测试分析。2.3.1空气集热器单组流道实验台本文研究的空气集热器具有52组空气流道，而各组流道均为并联连接，假定联集管对各分支流量分配均匀，则各组流道内的流动和换热情况基本相同。为了便于研究，采用单组流道来研究不同安装倾角以及主要结构参数改变对集热器集热性能的影响。测试实验台如图2-6所示，由全玻璃真空管和不锈钢管组成的单组空气流道结构见图2-3。不锈钢材料制作的固定支架起支撑作用，加厚钢板制作16 上海交通大学硕士学位论文第二章太阳能集热器性能测试方法对比分析的角度调节支架和固定支架配合可以在0~90°范围内调节空气集热器的倾斜角；实验台可整体移动实现不同朝向调节。轴流风机和不锈钢管入口处用保温管连接，在风机驱动下外界空气进入内插管，然后从插管末端进入由真空管和内插管构成的环形通道内逐渐被加热，最后热空气从真空管出口处排出。采用Pt100热电阻测量空气集热器进出口温度和环境温度，精度为±0.2℃；采用TBQ-2总辐射表来-2测量太阳辐射强度，该表的灵敏度为7.464µV/W·m，测量精度小于2%；用ALNOR8585热线风速仪测量出风口空气流速，该仪表测速范围为0.1~50m/s，精度为3%。内插管进出口处布有Pt100热电阻温度传感器，太阳总辐射仪就近安装在实验台旁边的位置，高度适中。同时在不锈钢内插管上部表面以400mm的间距均匀布置温度测点，从而可以得到不同工况下集热管内部沿插管轴向的温度分布。通过数据线将各数据信号传至实验室内的数据自动采集系统，为了保证测试可靠性，采用四线制接线，在测试之前对传感器进行基本标定。同时采用计算机和Keithley数据采集仪以10s的时间间隔进行高密度数据实时采集。主要测量物理量包括不同朝向和倾角下内插管进出口温度、插管表面测点温度、空气流速、太阳辐射强度等，进而可以得到不同安装情况下集热温度和集热效率随时间的变化情况。集热效率计算采用式（2-2）：图2-6单管测试实验台Fig.2-6Experimentsetupofsingletube17 上海交通大学硕士学位论文第二章太阳能集热器性能测试方法对比分析.cmt∆cAρν()tt−PP1oiη==（2-2）IAIA22式中ti、to分别为空气进出口温度、ρ为空气密度、Cp为空气定压热容、v为空气流速、A1为出口风道截面面积、I为太阳辐射强度、A2为有效集热面积。集热器有效集热面积A2有三种测量基准，即总面积AG、采光面积Aa、吸热体面积AA。根据国标GB/T17581-1998，计算全玻璃真空集热管太阳能集热器瞬时效率时推荐以采光面积Aa为基准，真空管集热器采光面积按照式（2-3）确定。ALW=×（2-3）aaa式中L—除去联集管和尾架遮挡部分外的真空太阳能集热管长度；aW—对无反射器的真空管太阳能集热器，WnD=×，D为玻璃罩管外径。aaoo该空气集热器，n=52，D=58mm，WnD=×=3016mm，L=1670mm，oaoa2故集热器采光面积ALW=×=5.037m。aaa2.3.2集热性能测试实验台以横双排内插式太阳能真空管空气集热器为研究对象，热性能测试实验台及测点布置如图2-7所示。该空气集热器有两个空气出口，测试时在联箱出风口侧加一段连接风道，使两个出风口的空气流均匀混合后测量混合空气流的温度和流速。整个实验台主要包括温度控制调节单元、空气集热器、测试转换和数据采集单元。空气集热器包括52组由全玻璃真空管和不锈钢管构成的空气流道，集热器2采光面积约为5m，空气集热器东西向水平放置于建筑物楼顶。空气集热器入口处设有W2E200-HK86-01型轴流风机，额定功率为80W。在空气集热器入口处风机前方设有两组翅片管换热器和小型恒温槽，可以调节和控制集热器入口空气温度。通过实验分别测得不同季节工况下通过集热器的空气流量以及环境温度、太阳辐射、进出口空气温度和集热效率随时间的瞬时变化情况。实验所测物理量及所用仪器设备见表2-4。18 上海交通大学硕士学位论文第二章太阳能集热器性能测试方法对比分析图2-7内插式真空管空气集热器热性能测试实验台Fig.2-7Experimentsetupofevacuatedtubularaircollectorforthermalperformancetesting表2-4主要测试物理量及设备Tab.2-4Themainparameterandequipment物理量设备精度环境温度(℃)Pt100热电阻0.2℃环境平均风速(m/s)热线风速仪3%集热器进出口温度(℃)Pt100热电阻0.2℃空气流速(m/s)热线风速仪3%2太阳辐射强度(W/m)TBQ-2总辐射表2%文中空气集热器和单组集热管时间常数的测试采用侯宏娟提出并经过实验验[19][41,43,44]证的方法，瞬时效率和压力特性测试依照相关标准进行。与以往的研究相比，本文从瞬时及平均集热效率、集热温度、管内壁面温度分布等方面对其热性能进行测试分析，并且研究了安装倾斜角、流速、内插管长度的改变对集热性能的影响。2.4小结本章介绍了内插式太阳能真空管空气集热器的结构、工作原理以及主要特点，并对国内外太阳能集热器测试标准和技术条件进行了对比分析。在此基础上对空气集热器的集热效率、时间常数等性能测试方法进行了简要总结。介绍了本文采用的内插式太阳能空气集热器性能测试实验装置及测试方法。19 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试本章以横双排内插式太阳能真空管空气集热器为研究对象，采用实验方法针对单组流道分析了安装倾角、空气流量和内插管长度改变对空气集热器性能的影响。通过实验得到了其瞬时效率曲线、热损系数和空气集热器的时间常数。同时测试了上海地区气候条件下该空气集热器在不同季节工况下的瞬时运行性能，包括集热效率、集热温度等，根据实验结果对此类空气集热器的应用进行了初步讨论。3.1安装倾角以及结构参数变化对集热器性能的影响3.1.1安装倾角对集热器性能的影响测试实验台如图2-8所示。将实验台移至南北朝向，在0~90°范围内调节集热管的倾角，同时保持集热管正面朝南，在不同倾角下测试其全天运行性能。图3-1为南北朝向不同倾角测试当天太阳辐射条件、入口空气温度和集热管的日平均效率以及出口平均温度分布情况，其中内插管入口空气流速为4.2m/s。各安装工况2对应的全天平均太阳辐射强度均在350~500W/m之间。其中图(a)为南北朝向的平均太阳辐射条件和入口空气温度，图(b)为不同倾角下的出口平均温度和日平均集2热效率分布情况。0°倾角下对应的平均太阳辐射接近于500W/m，入口空气温度在25~30℃之间。全天平均出口温度约为52℃，日平均集热效率略低于65%。10°2倾角对应的平均太阳辐射强度接近450W/m，入口空气平均温度在25~30℃之间，在当天的环境条件下日平均集热效率为68.1%，出口空气平均温度与0°倾角时相2近。20°倾斜角时的平均太阳辐射强度在450W/m左右，入口空气温度平均为15℃。当天出口空气平均值为40℃，日平均效率约为66%。30°倾角对应的日平均2太阳辐射强度在350~400W/m之间，入口平均温度略高于20℃。30°倾角测试当天的日平均效率在80%以上，出口空气温度在50℃左右。随着倾角的增大，在30~70°调节集热管倾角时，在当天的测试条件下全天平均集热效率均在80%左右。继续增加倾斜度，当集热管调节至90°垂直放置时，集热效率有下降趋势，日平均效率略高于60%。分析原因，当集热管垂直安装时集热管接收太阳辐射的效果变差，并且管内空气流动阻力变大，不可逆损失有所增大。同时还与测试环境条件有关，当天环境温度较低，入口空气温度接近5℃，使得热损失有一定的增加。20 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试600302550020]2400C15o/tiI/[W/m300solarirradiation10inlettemp200510000102030405060708090100oinstallationangle/(a)太阳辐射和入口温度1006090508040Co//%7030toη60efficiency20outlettemp50104000102030405060708090100oinstallationangle/(b)平均效率和出口平均温度图3-1南北朝向不同倾角下测试条件和集热管日平均效率以及出口温度分布Fig.3-1Experimentconditionsandaverageefficiency&outlettemperaturedistributionofevacuatedtubeunderS-Ndirectionatvariousinstallationangles总体来说，南北朝向下集热管倾角在0~90°内变化时，正常工作阶段平均集热效率不低于60%。安装倾角在30~70°之间变化时对应的集热效率较高，集热管垂直安装时由于管内空气流动阻力增大以及接收太阳辐射的效果变差，使得集热效率有所下降。由于南北朝向0~90°倾角下集热管的总体效率都比较好，所以这种内插式真空管空气集热器可置于水平及有坡度的屋面，也适用于垂直阳台和墙体，21 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试与建筑相结合比较方便。3.1.2空气流速和插管长度改变对集热器性能的影响本节在室外自然环境条件下通过实验的方法测试了空气流速和内插管长度改变对内插式太阳能空气集热器性能的影响，为实际应用和集热器主要结构尺寸选择提供了一定的数据支持。3.1.2.1流速影响实验设备及测点布置如图2-8所示，调节集热管为南北朝向，正面朝南30°倾斜角。调节集热管入口风机转速从而改变进入内插管的空气流速。在入口风速2.63.84.2m/s下分别测得集热管入口空气温度、太阳辐射强度、环境温度、出口空气温度和集热管内插管表面各测点的温度分布，从而可以得到不同风量下集热管的集热温度范围、瞬时效率以及管内温度分布情况。各风量的测试工况（太阳辐射情况、入口空气温度）以及不同风量下的瞬时效率分布、集热管进出口温差随时间变化情况分别见图3-2、3-3：图3-2不同风量的实验工况（太阳辐射和入口温度）Fig.3-2Experimentconditions(solarirradiationandinlettemperature)undervariousairflowrate22 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试图3-3不同风量下的集热效率和进出口温差随时间分布情况Fig.3-3Efficiencyandairinlet-outlettemperaturedifferenceversustimeundervariousairflowrate由图3-2可知各个风量对应的实验工况基本相似，试验周期内太阳总辐射大2致在50~600W/m之间平稳变化，入口空气温度以20℃为中心在15~25℃范围内波动。根据图3-5可知14:00之前太阳辐射条件较好时入口流速分别为2.73.84.2m/s对应的集热管进出口温差均在25℃以上。其中入口流速为2.7m/s和4.2m/s时的温升高于30℃，且二者范围比较接近，入口流速为3.8m/s时温差偏小些在25℃左右波动。而在14:00之后进出口温差开始逐渐下降，三者的变化趋势相同，其中入口流速为2.7m/s和3.8m/s时的温差比较接近，风速4.2m/s对应的温差偏小些。分析各流速工况对应的太阳辐射条件可知，以上进出口温差的变化情况与太阳辐射变化趋势非常一致。大致在13:30之前2.7m/s和4.2m/s对应的太阳辐射强度偏高且平稳变化，而这段时间内3.8m/s对应的太阳辐射偏低些。13:30之后太阳辐射开始逐渐下降，和4.2m/s的情况相比2.7m/s和3.8m/s对应的太阳辐射强度稍高一些。表明集热管内工质的温升幅度主要受太阳辐射强度影响。同时从图3-3可以看出三种流速工况下空气集热器的效率均在50%以上。相对而言，入口流速为2.7m/s时，全天的整体集热效率偏低处在50~70%之间。空气流速增加至3.8m/s时集热效率增大，此时的集热效率在70%左右波动。入口流速继续增加达到4.2m/s的时候，集热效率分布范围没有明显变化。这是因为入口空气流速较小时集热管内流动和换热效果不太好，随着流速逐渐增加增强了集热管内工质的扰动，能够改善空气和内玻璃管壁面之间的换热条件。但是当工质流速进一步增加时换热效果的改善就不再明显了。对于本文研究的内插式真空管空气集热器单组流道来说，入口流速为在4m/s左右时的集热效果较好。所以在实际应用中应当根据使用要求和集热器的结构尺寸选取一个合适的流量范围。23 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试图3-4不同流量下内插管表面轴向温度分布Fig.3-4Temperaturedistributionofinsertedtubewithaxialdirectionundervariousairflowrate不同流量下内插管上表面各测点的温度分布随时间变化情况如图3-4所示。入口流速为2.7m/s时，实验开始60min后内插管末端（1800mm）出口温度达到55℃左右，从插管末端开始向入口（0mm）的方向表面各点温度沿轴向逐渐升高，一直到800mm的位置达到最高温度80℃左右，之后温度开始有下降趋势。可以看出末端至800mm之间温度上升比较快，而800mm至400mm之间温度变化趋于平缓。这与文献[30]得到的集热管内表面温度变化趋势相一致。分析原因，温度较低的空气从插管入口处流入，然后由内插管出口进入外部真空管和插管构成的环形通道逐渐被加热并从环形出口流出。在这个过程中插管一方面受到环形通道中热空气的加热温度升高，另一方面又被插管内温度较低的空气所冷却，因此就呈现出从出口到入口之间内插管上表面温度首先快速上升，然后逐渐平缓甚至下降的趋势。120min后内插管表面各点温度整体升高2℃左右，轴向变化趋势和60min时刻相同。180min后各测点温度开始下降，但变化幅度不大。然后随时间的增长太阳辐射开始逐渐下降，于是插管表面温度开始大幅度降低，300min时刻表面各点温度已经趋于平缓，插管表面温度开始趋于一致。入口流速为3.8m/s和24 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试4.2m/s时内插管上表面沿轴向的温度分布和上述情况相似，但是随流量增加各个时刻管表面的平衡温度下降，并且各点温度达到平稳所需的时间也更短。这是由于单位时间内工质所带走的热量随着流量的增加而增大，而在固定的时间段内，初始温度和集热量一定的情况下流量越大工质所能达到的终温会有所下降。3.1.2.2内插管长度改变的影响插管长度对内插式真空管空气集热器的性能有重要的影响，当太阳辐射、环境温度等外界条件相近时，内插管末端和真空管封闭端之间间距的大小对管内空气的流动和温度分布有决定性意义。本小节在内插式真空管空气集热器南北朝向水平放置情况下通过实验测试了不同内插管长度对该空气集热器工作性能的影响。选取不同长度的不锈钢插管12001400160018001840mm，则内插管末端与真空管封闭端之间的间距分别为6804802808040mm。由于集热管入口管径较小，而其出口为环形尺寸相对较大，因此在插管入口处布置一个Pt100热电阻温度传感器，环形出口处则均匀布置3支Pt100热电阻温度传感器。此外在内插管上部壁面沿轴向以400mm的间距布置若干支温度传感器，具体数量由内插管长度来决定。在大量实验工况中选取相似的环境条件，对于每一种管长通过实验测定其全天内的进出口空气温度、太阳辐射强度、内插管壁面温度分布随时间变化情况。从而比较改变管长后集热管的加热温差、集热效率以及管内工质的换热效果。图3-5不同内插管长度的实验工况（太阳辐射和入口温度）Fig.3-5Experimentconditions(solarirradiationandairinlettemperature)undervariousinsertedtubelength25 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试图3-6改变内插管长度后集热效率和进出口温差随时间分布情况Fig.3-6Efficiencyandairinlet-outlettemperaturedifferenceversustimeundervariousinsertedtubelength图3-5为不同管长测试的实验工况，包括实验当天的太阳辐射条件和集热管入口空气温度随时间变化情况，可知各种管长的测试工况非常相似，太阳总辐射2在200~600W/m之间平稳变化。管长为1600mm时的入口空气温度稍高一些，在10~14℃范围内变化，其他情况下入口空气温度均分布在4~8℃范围内差别不大。图3-6为改变内插管长度后集热管的瞬时效率和集热温差随时间变化情况。入口空气温度波动不大的情况下，集热管的加热温差变化趋势与太阳辐射随时间变化趋势基本一致。太阳辐射强度大致在中午12：30达到最高值，进出口温差在13：30左右达到最高值，与太阳辐射相比有一定的延迟。管长为1800mm时，加热温差和集热效率的综合效果比较好，内插管长度减小后集热效率略有下降。改变内插管长度后插管上部表面和真空管流道中心轴向温度分布随时间变化情况如图3-7所示，x为轴向位置坐标，t为插管表面以及流道内温度，图(a)~(c)中的Ⅰ和Ⅱ表示内插管和插管末端与真空管封闭端之间构成的空气流道区域。插管长度为1800mm时内插管末端与真空管封闭端之间的间距为80mm，此时管道内温度分布见图（d）。太阳辐照60min后内插管上表面温度在20~40℃之间变化，插管末端（1800mm处）温度为23℃，从插管末端向管道入口（0mm处）的方向温度逐渐上升，在距离入口800mm的位置开始温度变化开始减缓。接下来的3小时内插管表面温度整体升高，然后随着太阳辐射的减弱内插管表面温度也开始大幅下降。在300min时刻管子表面温度变化已经开始趋于平缓，而到360min时刻插管表面各轴向测点的温度基本上表现一致。将内插管长度减少至1600mm，这时内插管末端距离真空管封闭端距离增至280mm。26 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试(a)(b)(c)(d)(e)图3-7改变内插管长度后插管表面以及流道轴向温度分布Fig.3-7Temperaturedistributionofinsertedtubeandflowchannelwithaxialdirectionundervariousinsertedtubelength插管上表面轴向温度随时间变化情况如图（c）所示，与1800mm相比此时的温度分布特点发生了较大变化。从插管末端（1600mm处）开始插管表面温度27 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试缓慢升高，在距离入口800mm处温度变化趋于平缓甚至是下降。但是在流道轴心距离真空管出口1800mm处管道内温度较高，与插管末端的温差较大。这表明内插管长度减小到1600mm后插管末端和真空管封闭端之间的间距增大，从插管末端出口吹出的空气流没有到达真空管末端，不能完全将真空管吸热体接收的太阳辐照热带出集热管，造成真空管末端出现局部滞留，不利于换热。继续减小内插管长度分别至1400mm和1200mm，此时管道内的温度分布情况见图（a）和图（b）。可以看出此时内插管表面的温度分布趋势和之前类似，但是随着管长的减小真空管末端的滞留现象愈加明显，流道内轴心距离真空管出口1800mm处温度急剧上升。在内插管长度为1200mm时，真空管末端与内插管末端之间的温度差已经高于80℃，说明此时管道内的流动和换热状况已经严重恶化，有大量的热量以对流和辐射的形式散失于外界环境。因此内插管长度减小后真空管吸热体吸收的太阳辐照能不能被有效利用。将内插管长度增至1840mm，此时内插管末端出口和真空管封闭端间距仅有40mm，管道内的温度分布见图（e）。可知此时插管上表面的温度分布特点和管长为1800mm时比较相似，并且此时集热管的瞬时集热效率与改变管长之前相差不大。假若进一步增加内插管的长度，插管与真空管封闭端间距会过小，造成插管末端出口空气流动不畅通，在流动未完全发展的情况下被强行转向，不利于换热反而造成了材料的浪费。因此综合考虑管道内部流动与换热效果以及成本因素，插管末端与真空管封闭端间距为80mm时较合适。3.1.3单组流道热惯性测试通常来说，由于集热器本身的材料、吸热体、管道、工质等都具有热容量，所以集热器有一定的热惯性，对于空气集热器来说也是如此。从某种程度上来说集热器的时间常数可以反映其热惯性的大小。ASHRAE93-86中时间常数的定义见[14]式（3-1）、（3-2）：KcAτ=（3-1）0GcPdTdTff,e=K（3-2）ddτt其中cA为集热器的总热容（包括集热器进出口之间的流体工质、管道和联箱等）；cP为集热器内工质的总热容；Tf为工质平均温度；Tf,,e为工质出口温度。28 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试GB/T4271-2007中时间常数τ0定义为太阳辐照度从一开始有阶跃式增加后，集热器出口温度上升从(to-ta)1上升至(to-ta)2总增量的0.632时所用的时间。这些定义的形式有所不同，但实质都一致反映了集热器对瞬变阶跃输入响应的速度快慢。在实际测试过程中注意到国内外针对集热器的性能测试标准中关于集热器时间常数的测试要求中有一个前提条件，即在整个实验周期内要保证集热器入口工质温度近似等于周围环境温度。这一条件大大限制了集热器时间常数测试的时间段，为实际测试带来了不便。例如对于内部工质为水的集热器来说，在北方地区的冬季外界环境温度低于0℃的情况下，集热器入口水温是不可能等于环境温度的。因此就需要找到一种更加便于实际操作的集热器时间常数测试方法。侯宏娟[19]等在现有的集热器时间常数测试方法基础上经过理论分析提出了一种较为简便的时间常数测试方法，并通过实验进行了验证。与采用ASHRAE93-86、ISO9806-1等标准实验方法得到的结果相一致，大大简化了测试条件。本文采用这种方法对内插式太阳能空气集热器的时间常数进行测试研究，测试步骤如下：1）实验周期内保证投射在空气集热器采光面上的太阳辐射强度大于8002W/m。2）调整内插管空气集热器内的空气流量使其与效率测定时的流量保持一致。3）打开风机和数据采集系统，使空气集热器在室外太阳辐照下达到稳定状态。这个稳态的定义与瞬时效率测定过程中一致，即测试中各个测定参数的偏差量不[44]超过表3-1规定的范围。4）用遮光板或者遮光布将空气集热器完全罩住，隔绝外界的太阳辐射源，在不接收太阳辐射的条件下集热器运行再次达到稳定状态。TT−fo,()τfoinitial,,5）则内插式真空管空气集热器的时间常数为由0变化到0.632TT−fo,,∞foinitial,,所需要的时间。表3-1实验周期内测量参数允许偏差范围Tab.3-1Theallowabledispersionofparametersduringexperimentperiod参数平均值允许偏离范围2太阳辐照度±50W/m环境空气温度±1℃工质质量流量±1%集热器入口工质温度±0.1℃29 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试按照以上测试步骤得到在入口流速为4.2m/s时空气集热器单组流道的时间常数曲线。如图3-8所示本文研究的内插式真空管太阳能空气集热器单管时间常数约为12min。相对而言真空管集热器的时间常数较长，热惯性较大。由于内部传热工质空气的热容较小，与水相比单位时间内空气携带的热量较少，在太阳辐射强度下降的初始阶段空气集热器的热惯性表现比较明显，即此时的集热效率可能反而要升高。图3-8内插式真空管空气集热器单管时间常数曲线Fig.3-8Thetimeconstantcurveofevacuatedtube3.2空气集热器的集热性能测试及分析3.2.1空气集热器瞬时效率测试瞬时效率曲线是太阳能集热器的一个重要的热性能指标，但是目前国内外太阳能集热器性能测试的行业标准一般都是仅适用于水、防冻液等液体工质或者是以液体工质为基准制定的，还没有专门针对于空气等气体工质的测试标准和技术条件。本文在参考现有集热器测试方法的基础上结合空气作为传热工质的具体特性对内插式太阳能真空管空气集热器进行瞬时效率的测定。3.2.1.1集热器入口换热器设计和选择集热器瞬时效率的测定需要在其工作温度范围内取至少4个工质入口温度。然后对于每个入口温度得到若干个瞬时效率数据点。如图2-9所示，空气集热器入口处的恒温槽和空气-水换热器用于调节和控制集热器入口空气温度达到设定值。30 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试首先根据集热器入口温度的设定要求来确定翅片管换热器的结构尺寸和换热面积，设计目标：使入口空气温度分别达到30℃、40℃、50℃、60℃。假定环境温度为20℃，空气的物性参数分别按照20℃时计算，3ρ==1.205kgmc/,1.005kJ/(kgK⋅)。入口空气流量按照进出口阀门全开时确定，p2此时入口空气流速为vm=1.49/s，入口截面面积Am=0.1152，可以得到入口inin.空气质量流量mv==×ρA1.2051.490.1152×≈0.21kg/s。为简化计算，将实际ininin空气看作干空气，这样得到的加热量与实际加热量相比差别很小，可以满足精度要求。.加热至30℃时，所需加热量Qcmt=∆=××1.0050.21(3020)−≈2.1105KW；11pin.加热至40℃时，所需加热量Qcmt=∆=××1.0050.21(4020)−≈4.221KW；22pin.加热至50℃时，所需加热量Qcmt=∆=××1.0050.21(5020)−≈6.3315KW；33pin.加热至60℃时，所需加热量Qcmt=∆=××1.0050.21(6020)−≈8.442KW。44pin按照加热至60℃时所需要的最大加热量来确定换热器面积。入口空气升温至60℃时所需加热量QK=8.442W。41）确定换热器出口水温假定换热器入口水温为80℃，循环所用水泵扬程8m，额定流量为8L/min，33水的物性参数：ck=⋅4.2J/(kgK),ρ=110×kg/m，则水的额定质量流量约为pw,w0.13kg/s，从而根据热平衡可以得到换热器出口水温：Q48.442ott=−=−80≈64.54Cwo,,win.4.20.13×cmpw,w2）确定空气-水换热温差由以上假定条件和热平衡计算可知两种介质的进出口温度：ooootC====20,tC60;tC80,t64.54Cgin,,,,gowinwo按照逆流计算时得到的换热温差为：31 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试()tttt−−−()(64.5420)(8060)−−−'wo,,ginwin,,goo∆=tC=≈30.65mtt−64.5420−lnwo,,ginlntt−8060−win,,gottgo,,−gin6020−ttwin,,−wo8064.54−P==≈0.67，R==≈0.39tt−−8020tt−−6020win,,gingo,,gin肋管换热器内两种流体的流动可以看作一次叉流无混合的情况，查相关图表[52]可以得到修正因子ψ=0.94，则空气-水的换热温差为'o∆=∆=ttψ0.9430.65×≈28.81Cmm3）确定肋管换热器的传热系数k[53]查相关资料可知对于气体-水（肋管换热器，水在管内）的情况，传热系数2为30~60WmK/()（此处的传热系数应该是基于肋管外表面积的，并且与空气2流速有关），此处取作kWm=50/(K)。4）确定换热面积A3Q48.44210×2Qk=∆At，故Am==≈64mkt∆×5028.81m5）确定换热器结构尺寸假定肋管换热器的肋化系数为10，铝管管径为10mm，肋片间距为5mm，2铝翅片厚度为1mm。单位管长光管侧面积为Ad==××πl3.140.0110.0314=m12单位管长的肋管侧面积为Am=×100.0314=0.314，则所需管长2lm=≈6/0.31419.11，这里取作20m。当肋化比为10时，确定肋高h：单位管长的肋片数量为[1000/6]=167，则肋'''管侧单位管长的面积AAA=+，其中2''2Ad==××πl3.140.01(11670.001)−×≈0.026m''222Ah=×2167=334hm'''2由AAA=+=0.026334+h=10A可以得到：hm≈0.03=3cm2132 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试入口风道截面尺寸为36×32cm，故换热器的框架尺寸取作34×30cm。假定换热器管路采取蛇形管形式，若采用5管程单程管长0.34m，则总共需要的管排数为20/(5×0.34)≈12，这样沿流动方向换热器的长度为12×6cm，于是换热器的外观尺寸为30×34×72cm。考虑到流动方向上换热器的尺寸过长，可以将集热器分作两组并联，这样换热效果会好一些。根据以上设计原则和计算参数选取FNH-1.2/4型号的翅片管换热器成型产品2两组，单组换热器的换热面积为4m，与最大加热量需要的换热面积相比有一定的安全系数。换热器的外观尺寸与集热器入口风道相适应。3.2.1.2瞬时效率测定测试之前将两组换热器放入空气集热器入口管道内，同时固定连接两组换热器使其成为一体（接头朝向外侧以便于拆装）；用彩钢板制作一个小遮雨棚来保护水泵同时还可以起到防止太阳暴晒的作用；恒温槽置于空气集热器右侧，将进出口软管放于恒温槽开口侧。恒温槽内的水通过翅片管换热器和空气进行换热从而调节集热器入口空气温度，用保温管来减少换热器和恒温槽之间的热水管道向外界的散热。内插式真空管空气集热器瞬时效率测试步骤如下：1）初次试验之前，提前一小时打开集热器风机电源，排除实验之前集热器内蓄存的热量，使其达到平稳状态，同时打开数据采集系统。然后将恒温槽内充满水（使得换热器和管路中几乎充满，排出气泡），打开水泵让冷水先循环一段时间（此时管道入口没入恒温槽液面以下，出口保持在液面以上）。这样一方面可以进一步排除换热器和管路内的空气，另一方面看系统循环是否正常。2）待系统正常工作时（水泵没有异样噪声，气泡基本排空，出口水流连续）先停止水泵，开启恒温槽加热电源并设定加热温度（加热温度应从低到高依次设定，比如40、50、60、80℃），到达设定温度后再次开启水泵。3）根据数据采集仪的显示结果判断整个系统的运行效果，并作相应的调整。4）在正常运转的情况下，测量出口截面各点风速。5）对于每一个设定温度数据采集时间间隔设为1min（进出口温度、环境温度、太阳辐射强度），然后3min内作积分平均得出一组数据点。每个设定温度值根据实际情况共测得若干组（不小于5组）数据点。6）改变设定温度，待系统运行达到新的稳定状态时，再次按照步骤5的方法得出该设定温度下的若干组数据点。33 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试7）按照效率计算公式（2-2）由各组测点值得出该流量下的瞬时效率，进而得到随归一化温度变化的瞬时效率曲线。需要注意的是，应保证空气集热器在整个实验周期内处于准稳态，即各个测定参数的偏差不超过表3-1规定的范围。1.0experimentdata0.9regressioncurve0.80.7η0.6η=0.75-2.39(T-T)/Ima0.50.40.30.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0302(T-T)/I(mK/W)ma3图3-9瞬时效率曲线（253m/h）3Fig.3-9Instantaneousefficiencycurve(253m/h)如图3-9所示，通过实验得到该内插管式太阳能真空管空气集热器以采光面3积为基准的瞬时效率曲线。瞬时效率曲线在集热器253m/h的流量下测定得到，可拟和为式（3-3）的形式：tt−maη=+aa（3-3）12I其中I为总的太阳辐射强度，T*=(tm-ta)/I为以工质平均温度为基准的归一化温度，系数a1=0.75，a2=-2.39。可知(tm-ta)/I=0时空气集热器对应的零损失效率比较高，瞬时效率曲线的斜率绝对值较小，表明该空气集热器的总体热损失较低。3.2.2热惯性和系统阻力特性测试3.2.2.1空气集热器热惯性测试本文在3.1.3单组流道热惯性测试小节中阐述了集热器时间常数的定义式以及物理意义，对集热器时间常数测试方法作了简要总结并且详细介绍了本文所采用的时间常数测试方法。通过实验得到该内插式太阳能真空管空气集热器单组流道的时间常数为12min。在这一小节将采用相同的实验步骤和方法对该空气集热器进行热惯性测试，得到东西朝向水平放置的内插式真空管空气集热器在25334 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试3m/h流量下的时间常数。具体测试方法和注意事项见3.1.3小节的介绍。如图3-10所示，该内插式太阳能真空管空气集热器的时间常数为23min。KcA从集热器时间常数定义式τ=来看，理论上若不考虑集热器联集管的热0GcP容量，则整组真空管集热器和集热器单管的时间常数应该相同或者相差不大。本文通过实验测试得到内插式真空管空气集热器和空气集热器单组流道的时间常数分别为23min、12min，二者相差较大，表明该空气集热器联集管的热容量较大。在集热器开始启用的初始阶段有大量的太阳辐射热用于加热联集管和空气集热器内部管道，对空气的加热有一定影响。然而在集热器稳定运行阶段集热器本身有大量较为稳定的蓄热，当下午太阳辐射条件逐渐变差时，集热器内部蓄热开始用于加热内部工质。并且在太阳辐射迅速下降的情况下这种辅助加热效应会更明显，因此在下午太阳辐射逐渐下降过程中该内插式真空管空气集热器的名义集热效率有时反而会升高。由于该集热器内部传热工质为空气，与水相比单位热容较小，单位时间内带走的热量较小，于是集热器本身蓄热造成的热惯性就更为明显。图3-10内插式真空管空气集热器时间常数曲线Fig.3-10Thetimeconstantcurveofevacuatedtubularsolaraircollectorwithinsertedtubes35 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试3.2.2.2系统阻力特性分析图3-11内插式真空管空气集热器压降测试实验装置Fig.3-11Experimentsetupforpressurelosstest在太阳能利用系统中集热器进出口之间的压降特性是一个重要的参数，它直接决定着实际工程应用中的系统配管设置以及动力源选择。如图3-11所示，对空气集热器阻力特性的测试采用开式实验系统，外界空气在入口风机的驱动下流入，被加热后排出集热器。内插式真空管空气集热器的具体结构见图2-1，该空气集热2器采光面积约为5m。采用Pt100热电阻测试空气集热器进出口温度，热线风速仪测量流经集热器的空气流速，采用U型管测压计测试工质流经集热器产生的压降，在风机和电源之间串接一个风速调节面板来控制和调节空气流量。图中1、5分别为空气集热器进出口温度传感器，2、4分别为集热器进出口压力测点，3为U型管测压计，6为热线风速仪，7为内插式真空管空气集热器，8为风速调节面板。应确保压力测点处的接管内畅通无杂物。在集热器正常工作的流量范围内选取5个以上的流量工况，分别测试不同流量下集热器的压降，测试结果见表3-2。表3-2不同流量下集热器的压降Tab.3-2Variationofpressurelossunderdifferentairflowrate风量进出口压差3m/hPa91.325114.7915143.0835233.7955278.9465260.5175271.2380图3-12为根据集热器压降测试结果得到的系统阻力特性曲线。由图可知在36 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试350~300m/h的流量范围内，空气流经该空气集热器时产生的压降在100Pa内，随着空气流量的增加系统阻力呈缓慢增加的趋势。总体来说集热器的流动阻力不大，在太阳能利用系统中用于克服该空气集热器的动力源要求不高，这也是这种空气集热器的一种优势。但是在实际工程应用中系统中往往同时有多组集热器经过不同的串并连接组合而成，在这种情况下应注意集热器之间以及集热器与建筑使用末端之间管道的走向、尺寸和结构优化设计。因为集热器的总体阻力所占比重不大，整个热利用系统的阻力可能主要决定于各连接管道的结构设计。图3-12内插式真空管空气集热器系统阻力特性曲线Fig.3-12Pressurelosscurveoftheevacuatedtubularsolaraircollectorwithinsertedtubes3.2.3不同季节工况下空气集热器的工作性能采用图2-9所示的实验台对该内插式真空管空气集热器不同季节工况下的工作性能进行测试。通过实验分别测得上海地区2008年3月到2009年1月份之间不同季节工况下通过集热器的空气流量、环境温度、太阳辐射、进出口空气温度和集热效率随时间的瞬时变化情况。图3-13为上海地区2008年3月份到2009年1月份之间各季节典型工况的环境条件以及内插式真空管空气集热器的集热温度和集热效率瞬时变化情况，测试3流量为253m/h。2由图3-13可知，3月24日在实验周期内太阳总辐射处在200~900W/m，集热器入口温度在15~25℃之间波动。出口温度在20~60℃之间变化，大致在接近13：00时刻达到一个波峰，与太阳辐射最高值出现时刻相比有所延迟，这是由于集热器本身有一定的热惯性。在15：00之前太阳辐射、入口温度变化比较平缓，对应集热效率在这段时间内也比较稳定，基本上处于60%左右，而在15：00之后37 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试集热效率波动较大是由于太阳辐射的骤降以及入口温度大幅波动造成的。7月172日太阳辐射在100~800W/m之间，入口温度在32~38℃之间且波动较大。出口温度在40~80℃之间变化，13：00之前出口温度稳定在70~75℃，之后出口温度开始逐渐下降。在13：00之前集热效率比较稳定处在65~80%之间，之后集热效率2波动较大。11月28日太阳辐射在50~600W/m之间变化，入口温度处于12~20℃。从10：00~14：20左右的时间段内集热效率稳定在70%以上，出口温度在40~60℃之间，而在14：20之后集热效率快速下降且波动较大，出口温度也开始较快地下降。综上，在各季节工况环境条件下稳定工作阶段该空气集热器的集热效率可以达到60%以上，而在太阳辐射和入口温度波动较大的情况下集热效率会有一定幅度的波动。1月2日为多云转阴的天气，太阳辐射条件较差。当天中午12：00之2前太阳辐射在300~500W/m之间，集热器入口空气温度在8~12℃之间；而在12：200之后太阳辐射降至100~200W/m，入口空气温度也逐渐下降，在6~8℃之间变化。在这样的天气条件下集热器出口温度在12：00之前处于20℃以上，随后受太阳辐射减小的影响有下降趋势。实验周期内集热效率波动较大，全天的平均效率在60%左右。不同季节典型工况下该空气集热器进出口温差和瞬时效率随时间变化情况的对比见图3-14。可知3、7、11月份一般的天气条件下在14：00之前集热器进出口温差可以达到30~45℃，之后随着太阳辐射的减弱进出口温度差开始逐渐下降。1月份在太阳辐射条件较差的情况下集热器进出口温差可以达到5~20℃左右。与3~11月的情况相比，1月份的加热温差在14：00之后变化比较平稳，波动不大。各季节工况下空气集热器的瞬时效率主要处在50~85%之间，1月份的集热效率分布相对比较分散，这由其对应的天气条件所决定。各季节工况下稳定工作阶段该空气集热器集热效率可以达到60%左右，14：00之前春夏秋季集热器进出口温差在30℃以上，1月份太阳辐射条件较差时温差在5~20℃之间。太阳辐射和入口温度波动较大的情况下集热效率会有一定幅度的波动。38 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试（a）03.24太阳辐射强度、进出口空气温度和集热效率一天内随时间变化（b）07.17太阳辐射强度、进出口空气温度和集热效率一天内随时间变化（c）11.28太阳辐射强度、进出口空气温度和集热效率一天内随时间变化（d）01.02太阳辐射强度、进出口空气温度和集热效率一天内随时间变化3图3-13不同季节工况下太阳辐射、进出口空气温度和集热效率瞬时变化情况(253m/h)Fig.3-13Solarirradiation,inlet-outlettempandefficiencyversustimeatdifferentseasonconditions39 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试(a)集热器进出口温差随时间变化情况(b)瞬时集热效率图3-14不同季节工况下集热器进出口温度差和集热效率随时间变化对比Fig.3-14Comparisonofairinlet-outlettemperaturedifferenceandefficiencyversustimeunderdifferentseasonconditions各工况下该内插式真空管太阳能空气集热器出口温度区间在实验周期内的时间段分布情况见图3-15。1月份入口温度为8~15℃，出口温度主要在30℃以下和30~40℃区间，分别可达2小时以上，40℃以上的温度区间持续时间较短。可以在冬季将该空气集热器用于室内采暖通风。3月份入口温度为15~25℃，出口温度多集中在40~50℃区间，实验周期内这个温度区间可以达到4小时以上，其次是30~40℃区间，可达2小时左右。春夏过渡季大部分时间出口温度可以达到50~60℃，40 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试50℃以下区间占2小时左右。7月份入口空气温度在30~38℃之间，出口温度集中在40~80℃，其中60~80℃温度区间所占比重较大，可以考虑夏季将该空气集热器用于转轮除湿空调，为吸湿后的转轮提供再生热源。11月份入口温度在10~30℃范围内变化时，稳定工作阶段出口温度主要集中在50~70℃区间。可以根据各季节出口温度的不同区间来设计不同的应用场合。图3-15不同工况下空气集热器出口温度分区Fig.3-15Outlettemperatureextentoftheaircollectorundervariousseasonconditions3.3小结本章在总结国内外集热器测试方法和标准的基础上搭建了内插式太阳能真空管空气集热器性能测试实验台，对该空气集热器主要性能参数进行测试分析，得到以下结论：1）内插式真空管空气集热器水平放置时，上海地区气候条件不同季节工况下在稳定运行阶段集热效率平均可以达到60%左右。在冬季入口温度低、太阳辐射条件较弱的情况下空气集热器全天可以产生5~20℃的加热温差，平均集热效率在50%~60%之间。2）1月份出口温度主要在30℃以下和30~40℃区间，3月份集热器出口温度多集中在40~50℃区间，春夏过度段大部分时间出口温度可以达到50~60℃，7月份60~80℃温度区间所占的比重较大，11月份在稳定工作阶段出口温度主要集中在50~70℃区间，可以根据各季节出口温度的不同区间来设计不同的应用场合。3）南北朝向下倾斜角在30~70°之间变化时对应的集热效率较高，集热管垂直安装时由于管内空气流动阻力增大以及接收太阳辐射的效果变差，使得集热效率有所下降。南北朝向下集热管倾角在0~90°内变化时，正常工作阶段平均集热效率41 上海交通大学硕士学位论文第三章内插式太阳能真空管空气集热器集热性能测试不低于60%，总体效率比较好。所以这种内插式真空管空气集热器可置于水平及有坡度的屋面，也适用于垂直阳台和墙体，与建筑相结合比较方便。34）50~300m/h的流量范围内，空气流经该内插式真空管空气集热器时产生的压降在100Pa内，随着空气流量的增加系统阻力呈缓慢增加的趋势。总体来说集热器的流动阻力不大，在太阳能利用系统中用于克服该空气集热器的动力源要求不高。5）对于本文研究的内插式真空管空气集热器单组流道来说，入口流速为在4m/s左右时的集热效果较好。在实际应用中应当根据使用要求和集热器的结构尺寸选取一个合适流量范围。42 上海交通大学硕士学位论文第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型本章建立了内插管式太阳能真空管空气集热器的单管三维瞬态模型，采用微元法得到真空管表面随时间和空间位置变化的辐射热流边界。对模拟结果进行了实验验证，并对空气集热器的动态运行性能进行了模拟分析。4.1数学模型介绍集热器是整个太阳能热利用系统中的核心部件，其结构和工作性能对系统运行有重要影响。以往的研究往往是基于整个系统的一维模型，或是针对集热器本[30]身建立二维、三维稳态模型，很少有针对集热器的三维、瞬态模型研究。本节以东西朝向水平放置的横双排内插管式真空管空气集热器为研究对象，建立起单管的三维、瞬态模型。集热器本体由联集管、52根全玻璃真空管以及内插钢管、支架、连接件以及保温材料组成。单根真空管和置于其中的钢管构成一组空气流道，进入联集箱的空气首先进入内插管，然后进入真空管与钢管构成的环形流道内被加热后从真空管流出。每组流道之间为并联关系，因此研究集热器单管内的流动和换热情况有重要意义。4.1.1单管模型控制方程图4-1柱坐标下单管三维模型图示Fig.4-13Dsingle-tubemodelundercylindricalcoordinate如图4-1所示，以真空管出口截面圆心为原点建立柱坐标系，建立集热器单管三维、瞬态模型。模型假定：1.流体不可压缩；2.忽略流体轴向导热；3.管壁43 上海交通大学硕士学位论文第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型很薄，忽略管壁热阻；4.流动和换热充分发展。真空管内管直径Di，外管直径Do，长度L1；内插不锈钢管内径d，长度L2，壁厚∆；内插管末端与真空管封闭端间距∆d。内插管入口为均匀恒定流速u，真空管吸热层表面施加与实际太阳辐射等效的热流qeff(τ,α)，该热流边界是时间和真空管表面各微元空间位置的函数。根据单管入口流速u、入口管径d决定的Re判定管内流态，对于过渡流和紊[54]流选用标准k-ε紊流模型壁面函数，紊流模型中各参数按推荐值设置。考虑温度场不均匀引起的浮升力，空气密度选用Boussinesq模型。真空管吸热层表面随时间和各微元面位置变化的热流边界确定之后，采用FLUENT对内插管式太阳能真空管空气集热器管内空气流动与换热情况进行三维瞬态模拟。为了便于描述，单管内空气流动与换热的三维、瞬态控制方程采用以下守恒方程的统一形式，控制方程中各变量φ对应的扩散系数Γ和源项S见表4-1。φ∂∂()()1()1()ρφρurφ∂ρvwφρ∂φ+++=∂∂txr∂rr∂θ（4-1）∂∂φφφ11∂∂∂Γ∂Γ+Γ+rS+φ∂∂∂∂∂∂xxrrrrrθθ表4-1控制方程中各变量φ对应的扩散系数Γ和源项SφTab.4-1DifferentvariableφandthecorrespondingparameterΓ,SingoverningequationsφφuvwTKεµµµµtttΓµ+µtµ+µtµ+µt+µ+µ+PrσσσTKεSφSuSvSwSTSKSε本文提出的模型重点在于给出真空管吸热体表面微元面随时间和空间位置变化的辐射热流边界，因此为了便于描述，各源项的表达式在此不再具体列出。集热器能量输入为太阳辐射能qtotal，能量输出主要有两项即用于加热集热器管内流体的有效能量输出qu以及通过真空管与外界之间的对流和辐射产生的热损输出qdiss。可把这几部分能量输入输出作为边界条件考虑，即通过平衡分析将其作为真空管吸热层微元表面的有效热流边界qeff(t,α)。在地理纬度、集热器结构参数44 上海交通大学硕士学位论文第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型和摆放方位、倾角确定的情况下，真空管吸热层微元面获得的有效热流为时间t、微元面位置中心角α和日期date的函数。综合考虑真空管集热器的能量输入和热量散失情况，从而对真空管吸热层的微元面施加与微元中心角和时间相关联的瞬时热流密度作为其表面热源边界条件。将此热源边界作为FLUENT的用户定义函数，采用数值方法可以得到内插式真空管空气集热器单管内部的流场和温度场。进一步可以得到集热管环形出口的平均温度随时间变化情况，根据公式（3-1）可以得到不同工况下全天的瞬时集热效率。4.1.2初始以及边界条件该问题的边界条件包括流动边界和热边界，其中流动边界和初始条件均可根据不同的工况直接给出，而真空管吸热层表面的热边界比较复杂，这里将此项单独列出。真空管的吸热量和散热量共同构成其热边界。对于没有反射板的集热器而言，集热器接收的总热量主要包括两部分：集热器正面照射到集热管的直射辐射量Ib,α和集热管直接拦截的散射辐射Id,α。同时又通过真空管外壁面与环境之间的对流和辐射向外界散热qdiss。4.1.2.1集热器正面照射到集热管的直射辐射量[6]对于方位角为γn倾角为β的斜面而言，太阳直射入射角可由式（4-2）确定：cosθ=+cossinsinβϕδcosβϕδωβγδωcoscoscos+sinsincossinrn（4-2）+−sinβϕδωγsincoscoscossinβγδϕcossincosnn可知太阳直射相对于平板集热器平面的入射角与当地地理纬度φ、赤纬角δ和时角ω以及集热器倾斜角β、方位角γn有关。但对于真空管集热管而言，直射辐射在同一时刻同一根真空管的各个位置上的直射入射角却不相同，还与真空管表面各点所处的中心角有关。如图4-2所示，以真空管吸热层表面P点处的微元面∆S为研究对象。该微元面对应的中心角为α，可知∆S的倾角为β，则有下列关系成立：0/≤≤απα2时,/+=βπ2;παπα/2<≤3/2,时−=βπ/2;（4-3）3/2παπα<≤2,时+=βπ5/245 上海交通大学硕士学位论文第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型图4-2单管吸热体表面微元面Fig.4-2Finitevolume∆Sintheabsorbersurfaceofsingle-tube对于东西向放置的集热器，此微元面∆S为南北朝向。微元面朝南时方位角γn=0；微元面朝向北时方位角γn=180°，带入式（4-2）可得此微元面处的太阳直射入射角：∆=S朝南,cosθcos(ϕβ−+)coscosδωsin(ϕβδ−)sinr（4-4）∆=S朝北,cosθcos(ϕβ++)coscosδωsin(ϕβδ+)sinr从而可以得到：∆S朝南0≤α≤π/2或3π/2≤α≤2π或者∆S朝北π/2≤α≤3π/2时：cosθ=+sin(ϕα)coscosδω−+cos(ϕαδ)sin（4-5）r,α∆S朝南π/2≤α≤3π/2或者∆S朝北0≤α≤π/2或3π/2≤α≤2π时：cosθ=−sin(ϕα−)coscosδω+cos(ϕα−)sinδ（4-6）r,α如图4-3所示，需要考虑真空管之间的相互遮挡对辐射接收的影响。当投影入射角Ω>Ω时会出现遮挡，其中投影入射角临界值的确定见式（4-7）：o−1()DDio+Ω=cos（4-7）o2B式中Di和Do分别是真空管内外罩管管径，B为相邻真空管中心距。46 上海交通大学硕士学位论文第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型图4-3真空管之间辐射光线遮挡情况示意图Fig.4-3Sketchofradiationshadingbetweenadjacentevacuatedtubes对于东西向水平放置的集热管，直射投影入射角Ω为：−1sinhΩ=cos（4-8）cosit式中h为太阳高度角，sinh=coscoscosϕδωϕδ+sinsin；i为直射光线在集t热管横断面上的投影与阳光直射线之间的夹角，当集热管东西放置时，sini=cossinδω。t[6]定义g()Ω为真空管遮挡系数，则有：Ω≤Ω,()1;gΩ=oB1D（4-9）oΩ>Ω,()gΩ=cosΩ+(1−)oDD2ii到达地球表面法线方向的太阳直射辐射表达式如下：mI=γIP（4-10）bN,SG2πn其中γ为日-地距离修正因子，γ=+10.034cos，n为距离1月1日的天3652数。I为太阳常数，取I=1370Wm/。SGSGm和P分别为大气质量和对应的大气透明度。太阳能工程计算中大气质量m47 上海交通大学硕士学位论文第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型可以按照式（4-11）确定，大气透明度P根据文献[55]中大气质量和大气透明度的对应关系确定。21/2m=+[1229(614sinh)]−614sinh（4-11）另外I还可以通过实测确定。bN,所以真空管吸热层微元面∆S处的直射辐射量为：'II=Ωcosθg()(τα)（4-12）bb,,αNr,αα式中的τ和α′当直射入射角小于45°时可以分别按集热管玻璃平面的法向透[31]射系数和法向吸收系数取值，当入射角大于45°时吸收系数乘以0.9的减弱系数。4.1.2.2集热管直接拦截的散射辐射仍然取空气集热器单管吸热体表面P点处的微元面∆S为研究对象，∆S与地[31]平面的夹角为β，采用各向同性模型可以得到微元面接收到的散射光：π1cos(+−α)2'（4-13）II=()ταdd,αα21/sinh11−P其中散射辐射强度II=sinh，散射辐射亦可取实测值。dSG211−.4lnP于是可以得到真空管内表面接收的总热量为qII=+。totalb,,αdα4.1.2.3真空管向外界的散热量真空管内表面吸热体接收的太阳辐射热流绝大部分用于加热管内流体qu，其余部分通过内外壁面之间的真空夹层辐射散失，外壁面通过辐射和对流向环境散热，假定以真空管内表面积为基准的散热热流为qdiss，则有44TTioC−0100100q=（4-14）diss11Ai+−1εεAioo稳定情况下由热平衡可知，44TToaqAAhTT=−()+εC−（4-15）dissiooaoo10010048 上海交通大学硕士学位论文第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型式中qdiss为以真空管内壁面面积为基准的散热热流，Ti和To分别为内外壁的壁面温度，Ai和Ao分别为内外壁面积，εi和εo分别为内外壁的壁面发射率，h为真空管外壁与环境之间的表面对流换热系数，C0为黑体辐射系数，取值25.67W/(mK)。则真空管吸热层微元面获得的有效热流为qq=−q。给定时刻真空efft(,)αtotaldiss,α管吸热层微元面热流边界确定流程见图4-4。4.1.2.4流动和热边界汇总以上采用微元思想对内插式真空管空气集热器单管吸热体表面的热流分布进行了详细分析，单管模型流动边界和热边界条件见表4-2：表4-2单管模型边界条件Tab.4-2Boundaryconditionsofsingle-tubemodel项目边界条件温度T，流速u，v=ω=0插管入口x=−80mm,0≤≤r9.5mm−1/8湍流强度I=0.16Re，水力直径DDH,iH,iPa=1tm，水力直径DDd=−Ho,o环形出口x=<0,9.5mmr≤23.5mm−1/8∂φ湍流强度I=0.16Re，=0DH,o∂x真空管内表面0≤≤x1800mmr,=23.5mmq=qeff(t,α)，uv===ω0插管表面−≤80mmx≤1720mmr,=9.5mmuv===ω0真空管封闭端面x=<1800mm,0r≤23.5mmq=049 上海交通大学硕士学位论文第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型图4-4真空管吸热层微元表面有效热流边界确定流程图Fig.4-4Flowchartofeffectiveradiantthermalboundaryon∆Sinabsorbersurfaceofevacuatedtube50 上海交通大学硕士学位论文第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型4.1.3三维网格划分和求解设置在采用FLUENT计算之前首先要对空气集热器计算模型进行网格划分。将内插式真空管空气集热器单管简化为图4-1所示的模型，用网格划分工具gambit对真空管、内插管以及内部流道进行三维网格划分。考虑到集热管的结构特点，其轴向管长为1800mm，而内插管和真空管的内径分别为19mm、47mm，可见轴向与周向尺寸相比相差较大。因此在划分网格时，真空管和内插管构成的流道横截面采用1~2mm的小尺寸，而沿管长方向采取不小于10mm的大尺寸。这样一方面可以得到流动方向上各截面上的温度与速度分布的精细结果，另一方面轴向粗化网格使得总体网格数量大大减少，有利于提高计算速度、节省内存空间。集热管的三维网格划分结果如图4-5所示，insertedtube是内插不锈钢管道；evacuatedtube为真空管；inlet为内插管入口；outlet是由内插管和真空管构成的环形出口。51 上海交通大学硕士学位论文第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型图4-5单管三维网格模型Fig.4-5SchematicdiagramofsingletubemeshingmodelsinFLUENT在FLUENT软件中选择三维单精度选项，读入集热管模型的网格文件，然后进行计算相关的选项设置。主要步骤如下：1）求解器设置。Define→models→solver：选择分离、隐式求解器，选择三维、非稳态选项以便于表达吸热体表面随时间和三维空间位置变化的热流边界，最后取绝对速度。2）打开能量方程，设置湍流模型。Define→models→viscous：设置标准κ-ε方程，标准壁面函数，其中湍流模型常数按照默认的推荐值设定。3）流体及管道物性设置。Define→materials：真空管材料为硼硅玻璃3.3，内插管为不锈钢材料，考虑温度场不均匀造成的空气浮升力，管道内部空气密度选取Boussinesq模型。4）定义操作条件。Define→operatingconditions：参考压力设为标准大气压，参考点设在集热管环形出口处；考虑到重力作用对管道内流体流动的影响，设置垂直向下方向的重力加2速度-9.8m/s。5）边界条件设置。Define→boundaryconditions：真空管吸热体表面由自定义热流边界文件来定义；真空管封闭端设为绝热面；内插管末端出口设为interior边界；插管入口为流速边界。具体设置情况参见表4-2。6）初始化及监视器设置。52 上海交通大学硕士学位论文第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型Solve→controls→solutioncontrols：压力速度耦合选择simple选项，松弛因子取默认值。Solve→initialize：本计算分为两部分，首先按照内插管入口条件对计算域进行初始化，进行稳态计算；计算收敛之后用稳态结果作为下一步非稳态计算的初始场。-6Solve→monitors→residual：稳态计算部分能量方程的残差收敛标准设为10，其-3他方程的残差收敛标准均设为10；稳态收敛之后，非稳态计算中质量、动量、-6能量以及湍流κ-ε方程的残差收敛标准均设为10。Solve→monitors→surface：除了进行残差收敛监视之外，对集热管环形出口平均温度进行实时监视。7）迭代计算。Solve→iterate：初始阶段稳态计算一直到收敛为止。非稳态计算时间步长设为60s，从计算残差和集热管出口温度变化趋势两方面进行收敛程度判断。4.1.4计算后处理及分析进行非稳态进算之前，首先以内插管入口条件对整个计算域进行初始化，然后进行三维稳态进算。收敛之后将稳态计算结果作为非稳态计算的初始化条件，进行三维瞬态计算直到收敛为止。以2008年3月2日环境条件下的算例对计算结果进行简要说明。首先输入实验当天初始时刻的环境及入口条件：太阳辐射强度2324W/m、内插管入口空气流速3.52m/s、入口温度17℃，进行稳态计算。迭代84次后计算收敛，图4-6为稳态计算收敛后的残差曲线。图4-6稳态计算残差曲线Fig.4-6Residualcurveof3D-steadysimulation53 上海交通大学硕士学位论文第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型图4-7稳态计算集热管出口温度分布Fig.4-7Temperaturedistributionofevacuatedtubeoutletundersteadysimulation图4-7为稳态计算收敛之后内插式真空管空气集热器单管环形出口温度分布情况。对真空管整个圆柱吸热体施加均匀恒定的热流密度，恒定热流由腔体外表面施加，于是两圆柱壁面形成了温差，在温差和浮升力作用下空气在环形截面柱体腔内形成了自然对流。温度分布出现了上下分层现象，环形出口上部表面温度整体高于下部。图4-8非稳态计算30min时刻残差曲线Fig.4-8Residualcurveof3D-unsteadysimulationat30min54 上海交通大学硕士学位论文第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型将稳态计算结果作为非稳态初始条件进行三维瞬态计算。二者除了一些基本选项设置不同之外，最主要的区别是非稳态计算中对吸热体表面施加随时间和集热管微元面空间位置变化的热流边界，这个边界条件采用用户自定义函数UDF来实现。基本设置完成之后，以60s的时间步长进行非稳态迭代计算。在给定环境条件下采用该模型可以得到一天内集热管的瞬时工作性能，包括内部温度、速度分布、出口温度分布、吸热体表面热流、壁面温度，进而得到集热效率、热损系数等随时间的变化。30min之后计算残差曲线如图4-8所示。此时集热管吸热体表面热流分布和环形出口温度分布情况分别如图4-9、4-10所示。与稳态计算结果相比出口温度有较大的下降，并且上下温度分层现象更加明显。这是由于稳态计算的目的是为后续非稳态计算提供一个较为稳定的初始场，因此最开始对吸热体表面施加了一个恒定的热流，没有考虑其随位置和时间的变化。而在非稳态计算中这些因素均要考虑在其中。对于没有安装反射板的真空管空气集热器来说，在实际工作中其上部能够较好地接收太阳辐射，而集热管下部由于受到遮挡只能接收小部分甚至不能接收到太阳辐射。因此管内出现较大的温度分层，温差产生密度差，从而产生浮升力，热气流逐渐向管道上部流动。图4-9非稳态计算30min时刻集热管圆柱吸热体表面热流分布Fig.4-9Heatfluxboundaryoftheabsorberunderunsteadysimulationat30min55 上海交通大学硕士学位论文第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型图4-10非稳态计算30min时刻集热管出口温度分布Fig.4-10Temperaturedistributionofevacuatedtubeoutletunderunsteadysimulationat30min图4-11非稳态计算30min时刻内插管出口流速分布Fig.4-11Velocityprofileattheentranceofinsertedtubeunderunsteadysimulationat30min在集热管内沿着流动方向取一个轴截面，该截面上内插管出口附近靠近真空管封闭端的空气流动情况见图4-11。内插管末端出口和真空管封闭端之间构成一段圆柱流道，由该图可知空气从插管出口流入真空管内相当于从小空间流道进入大空间，形成射流，对真空管封闭端有一定冲击。之后空气进入真空管和内插管56 上海交通大学硕士学位论文第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型构成的环形截面流道内，由图4-11可以清楚地看到从插管出口开始有部分空气出现折流现象，真空管底部附近的空气流速逐渐减缓。图4-12非稳态计算30min时刻内插管上部表面轴向温度分布Fig.4-12Temperaturedistributionofinsertedtubewithaxialdirectionunderunsteadysimulationat30min内插管是该类空气集热器的一个重要组件。温度较低的空气首先进入内插管，由插管末端出口流出，然后进入真空管和内插管构成的流道内，最后加热后的空气从集热管环形出口排出。因此内插管对两个流道内空气的换热有重要影响。计算30min时刻插管上部表面沿轴向的温度分布如图4-12所示。插管末端出口（1720mm）处温度较低，从出口到插管入口的方向插管表面温度首先在短距离内（200mm以内）缓慢升高，之后温度快速上升。在距离插管入口700mm左右的位置开始温升减缓，然后温度开始逐渐下降。分析原因，温度较低的空气从插管入口处（-80mm处）流入，然后由插管出口进入真空管和钢管构成的环形通道逐渐获得加热并从环形出口流出的过程中内插管一方面受到环形通道中热空气的加热温度升高，另一方面又被插管内温度较低的空气所冷却，因此从出口到入口插管上部表面温度首先快速上升，然后逐渐平缓开始下降。由于从插管入口开始的80mm管段位于真空管之外，直接与外界环境相接触，因此这段距离内插管表面温度与环境温度非常接近。这样插管上部表面温度沿轴向的分布就呈现出从出口开始逐渐升高，然后缓慢下降的趋势，进出口之间形成温度峰值。由图4-12可知此时内插管上部表面温度最高和最低值相差10℃以内。太阳辐射条件和环境温度随时间在变化，集热管内的温度场和速度场也在随57 上海交通大学硕士学位论文第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型时间发生变化，导致集热管出口空气温度发生变化。图4-13为不同时刻集热管环形出口的温度分布情况。各个时刻集热管出口温度分布均有分层现象，管道上部温度高于下部。由该图可知出口温度随时间逐渐升高，180min时刻出口温度模拟结果要高于其他时刻的结果，之后集热管出口温度开始逐渐下降，360min时刻出口温度开始逐渐趋于均匀。这与当天的太阳辐射条件有关，实验当天太阳辐射首先随时间逐渐增强，大致在150~180min太阳辐射强度达到稳定最高值，随后太阳辐射开始逐渐减弱。图4-13不同时刻集热管出口温度分布Fig.4-13Temperaturedistributionofevacuatedtubeoutletatdifferenttime4.2模型实验验证以横双排内插管式真空管空气集热器为例，通过实验对计算结果进行验证。空气集热器东西向水平放置，由联集管、52根全玻璃真空管和内插钢管、支架、连接件以及保温材料组成。真空管内管直径47mm，外管直径58mm，长度1800mm；内插不锈钢管内径19mm，长度1800mm，壁厚1mm；内插管末端与真空管封闭端相距80mm。真空管吸热体为AL-N/AL选择性吸收涂层，集热器入口为80W的W2E200-HK86-01型轴流风机。实验设置及测点布置情况参考图3-4。其中集热器进出口温度采用Pt100热电阻测量，精度为±0.2℃；采用TBQ-2总辐射-2表来测量太阳辐射强度，该表的灵敏度为7.464μV/W·m，测量精度小于2%；58 上海交通大学硕士学位论文第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型用热线风速仪测量出风口空气流速，精度为3%。同时采用计算机和一套Keithley数据采集仪，对数据自动实时采集。通过实验分别测得通过集热器的空气流量以及环境温度、太阳辐射、进出口空气温度和集热效率一天内随时间的变化情况。同时采用本文模型在不同的环境条件（太阳辐射、环境温度等）下分别确定真空管吸热层微元面的等效热流边界。本文的处理措施能较好反映热边界的动态变化以及由于空间几何位置的不同而受到的影响。计算模型输入量包括空气集热器结构及位置参数（真空管和内插管的内外管径、长度、吸热层参数、集热器朝向、倾角、当地纬度等）、计算日期、插管入口边界（实测空气流速和环境温度）、真空管出口边界（常压1atm）、真空管吸热层微元面热边界（瞬态热流qeff(t,α)），真空管端面设为绝热壁面。计算得到不同工况下空气集热器出口温度和集热效率随时间的变化情况以及不同时刻真空管吸热层和内插管表面温度沿轴向和周向分布情况。（a）太阳辐射和环境温度随时间变化情况（b）单管出口温度图4-142008年3月2日环境条件与对比结果（单管入口流速3.5m/s，开始时刻09：24AM）Fig.4-14Environmentconditionandsimulation-experimentcontrastingresultonMar2,2008图4-14为2008年3月2日的环境条件以及出口温度计算与实验结果对比情况。其中图（a）显示了当天实测得到的太阳辐射与环境温度随时间变化曲线。从2上午09：24开始的3小时内太阳辐射在500~600W/m之间波动，大致在200min2时刻达到最高值，然后开始随时间逐渐减弱，在400min降至100W/m以下。环境温度在15~19℃之间变化，平均温度在18℃左右。图（b）为当天环境条件下采用本文模型得到的单管出口温度随时间变化的计算结果与相应实验结果对比情况。大概在220min时刻出口温度达到最大值，与太阳辐射最高值出现时刻相比有所延迟，这是由于集热器本身有一定的热容，与实际情况相符。可以看出两者随时间的变化趋势非常一致，在240min之前各时刻出口温度的计算和实验结果59 上海交通大学硕士学位论文第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型偏差在4%以内。由于场地的限制，下午空气集热器局部会受到周围建筑物的遮挡，使得出口温度的实测值较计算值偏小；同时由于集热器的管道及支架等本身会逐渐蓄积热量，对管道内的空气有辅助加热作用，下午随着太阳辐射的降低管道等对空气的辅助加热作用会增强，使得出口空气温度的实测值较计算结果偏高。在这两个因素的影响下造成了下午时刻的模拟结果与实测结果偏差变大，从图（b）可知计算开始的270min（12：24）之后计算与模拟结果偏差有所增加，最大偏差为10%，原因如上所述。（a）太阳辐射和环境温度随时间变化情况（b）单管出口温度图4-152008年7月17日环境条件与对比结果（单管入口流速5m/s，开始时刻10：20AM）Fig.4-15Environmentconditionandsimulation-experimentcontrastingresultonJul17,2008（a）太阳辐射和环境温度随时间变化情况（b）单管出口温度图4-162008年8月21日环境条件与对比结果（单管入口流速5m/s，开始时刻10：30AM）Fig.4-16Environmentconditionandsimulation-experimentcontrastingresultonAug21,2008图4-15和图4-16分别为2008年7月17日、8月21日的环境条件以及出口60 上海交通大学硕士学位论文第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型温度计算与实验结果对比情况，各时刻出口温度的计算和实验结果最大偏差分别为7%、10%，总体上计算与实验得到的出口温度随时间变化趋势比较吻合。图4-17春夏季典型工况下瞬时集热效率计算与实验结果对比Fig.4-17Contrastofsimulation-experimentinstantaneousefficiencyundertypicalSpringandSummercondition将2008年3、7、8月份典型工况下瞬时集热效率的实验与计算结果进行对比。如图4-17所示，由于3月2日和7月17日两天的太阳辐射和环境空气温度变化比较平稳，空气集热器出口温度随时间变化非常稳定没有剧烈波动的情况，因此集热器的瞬时效率变化也比较平稳。这两天的瞬时集热效率都在50%以上，集热效率的计算结果和实验趋势比较一致。与实验结果相比，3月2日和7月17日集热效率的最大计算偏差均在7%以内。8月21日实验开始的20~150min时间段内太阳辐射强度出现了较大的波动，导致这段时间内空气集热器出口空气温度和集热效率都出现了波动。空气集热器瞬时效率的计算和实验结果最大偏差也出现在这个时间段内，多云天气造成太阳辐射强度的阶段性大幅度下降从而导致集热效率出现突越。总体上空气集热器集热效率的计算与试验结果变化趋势相一致。4.3基于模型的性能分析由于全玻璃真空管的特殊构造，选择性吸收涂层位于其封闭内管的上部表面，因此内插管式太阳能真空管空气集热器吸热体表面的温度很难通过实验测得。位于真空管内部的插管表面可以通过实验的方法得到有限测点的温度，但是进一步61 上海交通大学硕士学位论文第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型全面地得到插管表面的瞬时温度分布情况也存在一定的难度。而实际上不同时刻插管和吸热层表面的温度分布情况是内插式真空管空气集热器的重要性能参数，对于管内工质的流动和换热有重要影响。本节结合数学模型对集热器内插管和吸热层表面的温度分布情况进行分析，同时得到不同集热温度下以吸热体表面平均温度为基准的热损系数。图4-18为8月21日环境条件下模拟60min时刻内插管表面和真空管吸热层表面温度沿轴向和周向分布情况。其中图（a）为内插钢管表面温度分布，在内插式真空管空气集热器接收太阳辐射60min后，对于给定截面在90度中心角附近表面温度达到最大值，之后向两侧逐渐减小，在225度中心角附近温度变化趋于平缓。在30~150°中心角范围内，对于给定中心角内插管表面温度沿轴向坐标从插管出口到入口，经过一段温度缓增区（靠近出口）之后快速上升，然后在接近入口的区域温度升高又趋于平缓然后温度稍有下降，这个分界点大致在内插管长度1/8靠近入口处。在150~360°中心角范围内，从出口到入口插管表面温度有缓慢下降的趋势。如图4-18（b）所示，在30~180°中心角范围内真空管吸热层表面温度沿轴向变化比较剧烈，真空管吸热体轴向各截面温度最高值在60~120°中心角范围内取得。8016015075140701306512060110oC10055C/tot/9050804570406050354030300300202004002406008001801720o3001600x/mm10001200120240120014001600060o180120800mm17006000400x/1720(a)(b)图4-18(a)内插管表面温度沿轴向和周向分布(b)真空管吸热层表面温度沿轴向和周向分布Fig.4-18(a)Temperaturedistributionofinsertedtubewithaxialandannulardirection(b)temperaturedistributionoftheabsorberwithaxialandannulardirection将瞬时太阳辐射I、环境空气温度ta和空气集热器入口空气温度ti随时间变化的表达式作为输入项通过模拟计算可以得到真空管吸热体表面平均温度tp、空气62 上海交通大学硕士学位论文第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型集热器进出口温度ti、to。从而可以根据式（4-16）得到不同集热温度下空气集热管以采光面积Aa为基准的的平均热损系数UL。主要计算结果见表4-3和图4-19。'()ταAIc−ρνAt()−taP1oiU=（4-16）L()ttA−paa由图4-19可知在集热温度30~80℃范围内，该内插式真空管空气集热器热损22系数集中在2~6W/mK之间，其中30~50℃对应的热损系数基本上在2~4W/mK2范围内；集热温度为50~80℃时热损系数有所增加，处在5~6W/mK之间。随着集热温度的升高，空气集热器的热损系数有增大的趋势，总体上热损系数较小。表4-3空气集热器热损系数计算结果Tab.4-3SimulationresultsofULtitoItp-taUL22℃℃W/m℃W/(mK)18.2231.70260.5114.923.5118.4936.16343.9519.663.6015.3838.98504.9926.455.0318.6540.41415.1524.323.3016.1643.26543.9830.474.0318.7144.17474.1028.572.9416.8546.65570.7233.593.3218.6747.19520.8132.102.6618.5149.29555.2834.722.4917.8950.25587.4936.562.5735.1654.50405.0022.094.6735.6758.49492.6927.914.8136.0862.50569.5432.864.7036.4065.73635.5337.114.7036.6168.60690.6839.514.7636.7270.55734.9941.794.8536.1571.22803.7344.785.4836.7372.02768.4442.924.9663 上海交通大学硕士学位论文第四章内插式太阳能真空管空气集热器性能预测模型76UL=0.0617to+0.5267]5K24W/m3/[LU21020304050607080oto/C图4-19集热器热损系数分布情况Fig.4-19ULdistributionunderdifferentcollectingtemperature4.4小结本章以内插式真空管空气集热器为研究对象，建立了集热器单管的三维非稳态模型，采用FLUENT对单管内空气的流动和换热进行模拟，并与实验进行了对比和验证。主要工作总结如下：1）采用微元思想建立内插管空气集热器单管三维非稳态模型，对真空管吸热体施加随时间和表面微元空间位置变化的热流边界条件，与集热管实际工作条件更加接近。2）用FLUENT对单管内空气的流场和温度场进行非稳态模拟计算，对于给定的环境条件（太阳辐射和环境温度等）可以得到集热管不同时刻的工作性能。通过实验对模拟结果进行了分析验证。集热管出口空气温度和集热效率随时间变化的计算与实验结果趋势相吻合，偏差基本在10%以内。3）基于该模型对实验中难以测定的集热管内温度分布进行预测分析，得到了内插管和真空管吸热体壁面温度沿轴向以及周向分布随时间变化情况以及集热管不同集热温度下的热损系数分布。64 上海交通大学硕士学位论文第五章总结与展望第五章总结与展望5.1总结本文提出一种新型的内插管式太阳能真空管空气集热器。该集热器冬季不存在“冻管”问题、少量泄露对系统整体性能影响不大、无腐蚀、系统承压要求低。由于采用真空夹层和选择性吸收涂层，其热损失较小。本文搭建了空气集热器热性能测试实验台，测试了集热器的瞬时效率、时间常数、压力特性以及安装倾角和流量改变对工作性能的影响。通过实验得到上海地区气候条件下不同季节工况内插式真空管空气集热器的运行状况。同时建立了内插式真空管空气集热器单管的三维瞬态模型，对空气集热器的热性能进行了理论分析。主要结论如下：1）揭示了内插式太阳能真空管空气集热器瞬时集热特性，上海地区气候条件下该空气集热器在不同季节工况下稳定运行阶段集热效率平均可以达到60%左右，在冬季入口温度低、太阳辐射条件较差的情况下平均集热效率也可以达到50~60%之间；南北朝向下集热管倾角在0~90°内变化时，正常工作阶段平均集热效率均不低于60%，该内插式真空管空气集热器可置于水平及有坡度的屋面，也适用于垂直阳台和墙体，便于与建筑相结合。2）获得了集热器的时间常数和阻力系数等特征参数，内插式真空管空气集热器和空气集热器单组流道的时间常数分别为23min、12min，二者相差较大，表3明该空气集热器联集管的热容量较大；在50~300m/h的流量范围内，空气流经该内插式真空管空气集热器时产生的压降在100Pa内，随着空气流量的增加系统阻力缓慢增加。3）考虑真空管环形吸热体的非均匀和非对称几何光学特性与热性能，建立了内插管空气集热器单管三维非稳态模型；用FLUENT对单管内空气的流场和温度场进行非稳态模拟计算，计算和实验结果的最大偏差在10%左右，对实验中难以测试的内插管和真空管吸热体表面的瞬态温度分布情况进行了分析。5.2研究工作展望内插管式太阳能真空管空气集热器的特点决定了其广阔的应用空间。由于采用空气为传热工质，冬季可以方便地用于建筑采暖通风，不必考虑“冻管”问题。65 上海交通大学硕士学位论文第五章总结与展望还可用于农作物和水果干燥、为转轮除湿系统提供再生热源等场合。本文对该空气集热器的热性能特性进行了理论和实验研究，对其应用有一定地参考价值和指导意义。本文建立的内插式真空管空气集热器单管三维、瞬态模型综合考虑了吸热体表面热流随时间和空间变化的特点，和以往采用的均匀恒定法向热流边界相比与实际情况比较接近。但是模型中采用的简化和假定与实际仍有一定出入，因此该模型经过进一步改进和完善，可以更加接近实际。在各种太阳能热应用场合，集热器作为其关键部件除了要研究自身的性能特点外，还应重视集热器与系统中其他部件的优化配置。因此内插式太阳能真空管空气集热器在实际应用方面还需要进一步深入的研究。66 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