式全玻璃真空管太阳集热器的热性能

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（１６）
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求解得７温１度：场生：铧ｃ。ｓｈ栅＋瓦删ｕ。 ¨叫 ｃｏｓｈ【州ｊ】
根据傅里叶定律，可以求出肋基处双侧肋片传导
ｈａｓ伊ｅａｔｅｒ ｉｎｎｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｅ确ｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ａ ｇｏｏｄ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｍｅ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔａｎｃｅ ｒａｔｉｏ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏＶｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｅ衔ｃｉｅｎｃｙ．Ｗｈｅｎ ｐｒｏｐｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｒｅ ｔａｋｅｎ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｔｈｅｒｎｌａＩ ｒｅｓｉｓｔ肌ｃｅ ｂｅ研ｅｅｎ ｔｈｅ ａｂｓｏｒｂｅｒ ｔｕｂｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｎ，ｔｈｅ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｅｍｃｉｅｎｃｙ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｌｅｓｓ ｂｙ ｔｈｅ Ｕ—ｔｙｐｅ ｐｉｐｅ．
流体
罩玻璃管
碴：
／ ｕ型管
＼ 真空
图１ Ｕ型管式全玻璃真空管太阳集热器
太阳辐射穿过真空管玻璃外壳，投射在内层玻璃 吸热管上。吸热管将太阳辐射能转换为热能，通过吸 热管和圆柱形肋片将热量传递给管内的工质，使工质 不断升温。与此同时，被加热的吸热管和集管则不可 避免地经由各种途径向周围环境散失一部分热量。
式中，Ａ。为漫反射板投影面积。 当采用流体平均温度代替吸热玻璃管温度时，瞬
时效率方程可表示为：
叩＝知半也挈，㈣
式中，Ｆ ７为效率因子；瓦为流体平均温度。
２ 总热损系数的确定
真空管集热器的总热损系数巩是真空管热损系 数以和集管热损系数玩之和：
ｕＬ＝ｕ。＋ｕｂ
（５）
集管部分的热损失主要由集管通过隔热材料向周
吸热管表面选择性吸收涂层的发射热损为：
图３真空管热损系数以与耳一瓦的关系
Ｑｒ ２ｉ亨李鼍二ｉ∥以（军一譬） ＠， ｓｇ噍、
式中，啷表示吸收表面半球向发射比；ｓ。表示罩管玻 璃的发射比；盯为波耳兹曼常数，５．６７×１０‘８。
当发射比ｓ。很小时，可简化为：
Ｑｒ＝∞。以（军一彳）
（９）
若将Ｑｒ用瓦一瓦表示，则有：
ＴｈｅｒｍａＩ Ｐｅ—Ｉｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｕ－ｔｙｐｅ ＥＶａｃｕａｔｅｄ Ｇｌａｓｓ ＴｕｂｕＩａｒ ＳｏＩａｒ Ｃｏ¨ｅｃｔｏｒ
刀口，ｚ Ｑｆ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｎＶｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔａｉｙｕａｎ ＵｈｉＶｅｒｓｉｔ），ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）
Ａｂｓ订ａｃｔ：０ｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｂａｌａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｕ－ｔｙｐｅ ｅＶａｃｕａｔｅｄ ｇｌａｓｓ ｔｕｂｕｌａｒ ｓｏｌａｒ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ，ｔｈｅ ｃａＩｃｕＩａｔｉｏｎ
皓０．１６８７ Ｗ／（ｍ２·Ｋ）
虬＝Ｔ—｝ 由图２（ａ）可见，真空管部分热损系数玑可表达为
——＿Ｌ——
（７）
唿．。 ％唱。＋咋唱。
变时，它随着瓦的增大而增大；其原因主要是辐射当
量传热系数随着砟和瓦的增大而增大。显然，集热器 热损系数仉与耳一瓦关系也是如此。因此，为了使热 损系数的计算结果更接近实际，这里将巩与砟一乃的 计算关系式按瓦分段整理，得到公式（１３）。
Ｑ＝Ｓ—ＱＬ
（１）
将ｓ和ＱＬ的数学表达式代人式（１），可得到
小，２赤ｙｃ争 ㈨
式中，总热损系数仉以吸热玻璃管外表面积Ａ。为基
一．晟．Ｉ。 矗—一＾＾＾，＿——Ｊ卜——一
ｌ／队
Ｌ
玑
（ｂ）
图２集热器热网络图
根据效率定义，得到ｕ形管式全玻璃真空管集热 器的瞬时效率方程：
叩‘：眠厶等。：万争［丝盟。Ｇ 也掣１ ］（３～）
ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｂｅ觚ｅｅｎ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ １０ｓｓ ｃｏｅｍｃｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｅＶａｃｕａｔｅｄ ｇｌａｓｓ ｔｕｂｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｍｂｉｅｎｔ ａｉｒ．Ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｌｏｓｓ ｃｏｅ伍ｃｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｄｉ腑ｒｅｎｔ １ｉｎｅａｒ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｄｉｆ诧ｒｅｎｔ ａｍｂｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｃｔｉｏｎｓ．Ｉｔ ｉｓ ａｌｓｏ ｐｒｏＶｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｂｓｏｒｂｅｒ ｔｕｂｅ ｅｍｉｔｔａｎｃｅ ｒａｔｉｏ
收稿日期：２００６－８—３ｌ 作者简介：田琦（１９６６～），男，博士，副教授；太原理工大学环境学院建筑环境与设备系（０３００２４）；０３５１—８１９９３７５
Ｅ—ｍａｉｌ：‘ｑ明＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ
万方数据
建筑热能通风空调
程，但效率计算需同时知道吸热管温度与流体温度， 计算不便，且与集热器效率方程的一般表达方式不一 致，不利于太阳集热器效率计算方程形式的统一。作 者已对集热器的长期性能进行过研究醐，这里将推导 ｕ型管式全玻璃真空管集热器的热损系数、效率因子 等性能参数计算公式，并对ｕ型管式全玻璃真空管集 热器热性能进行计算分析。
热损系数巩。 实际上，巩不是一个常数，而是吸热板温度瓦与
环境温度瓦的函数。根据式（５）一（１２）计算得到玑与 瓦一Ｌ关系。
从图３可以看出，真空管热损系数阢与瓦一瓦是 非线性关系；瓦不变时，它随着砟的增大而增大；瓦不
万方数据
Ｉｏ舯２５００９（‘一１）＋ｏ ７００３２
１０．００２５４１８（‘一五“ ）＋ｏ．７４３３６
Ｑｒ＝伟唱。４（乙一毛）
（１０）
联合式（９）和式（１０）可得：
伟唱。＝嬲，（笮＋鬈）（Ｉ＋Ｉ）
（１１）
从图２可见，真空管的热损失还可表示为：
Ｑｅ＝己，。以（Ｉ—Ｉ）＝％。。４（Ｉ—Ｉ）＋％。。以（Ｉ—Ｉ） （１２）
式（７）、（１１）和（１２）是计算真空管热损系数以的方
程组。真空管各项参数Ａ。、Ａ。、％岛都是已知的，因而 在所讨论的耳和瓦条件下，只有以、ｋ鲈和瓦是未知 数。用迭代法求解方程组，即可计算出真空管热损系 数以。进一步，根据式（５）可计算出真空管集热器的总
在此肋片上取一宽度为△工，长度为ｌ的微元体， 列出该微元体的能量平衡方程：
窘＝拦
出２ 枷＋丝１
ｃｂ
建筑热能通风空调
根据集热器效率定义：
㈣（１４）
棼 丝眠
了蝴
半 （２１）
对比公式（２１）和（４）即可得到效率因子的计算公式
式中，ｓ为单位面积吸热管有效太阳辐射量；Ｐ为肋片 周长。
边界条件为：
２再秽每丢 Ｆ
围环境散失热量，其值用（泓）。表示，它由隔热材料的
导热系数、隔热材料厚度和保温盒表面积等因素决定。
集管部分热损系数（己聪）。需将热损失折合到单位吸热
巩：上：堕 管面积上，即
（６）
” ％一。
爿。
万方数据
第２６卷第３期
＼
田琦等：ｕ型管式全玻璃真空管太阳集热器的热性能
·５３．
根据文献【２】，由Ａ。面积转化为Ａ。面积为基准时
准；Ａ。为吸热玻璃管投影面积Ａ，的１Ｔ倍；瓦是吸热玻 璃管平均温度；Ａ。是真空集热管的有效采光面积，考 虑漫反射板的作用、２０％的散射光以及罩玻璃管对不 同人射角光线的折射不同，取有效采光面积Ａ。为 １．４３Ａ ｐ【４１；Ｇ是太阳幅照度。
ｌ 全玻璃真空管太阳集热器热性能分析
ｕ型管连接方式的全玻璃真空管太阳集热器如 图ｌ所示。
为便于分析，对ｕ形管连接方式吸热管与Ｕ形管 的传热作如下假设：
①吸热管与曲面肋片互相平行，所以其传热按平 板对待；
②由于吸热板很薄，在厚度方向上的温度梯度可 以忽略不计，按一维传热问题考虑；
③进出ｕ形管的中分平面与曲面肋片的相交面 为绝热面。
根据以上假设，可得到肋片微元能量平衡如图４ 所示。
图４肋片微元能量平衡图
￡，，，．＝＜
…
。
ｌｏ．００２５７６４（瓦一１）＋ｏ．７８８２５
ｌｏ．００２４５９９（瓦一五）＋ｏ ８５４】８
ｌ ２ ６ ３ Ｋ Ｓ ＜２ ７ ３ Ｋ ２ ７ ３ Ｋ Ｓ ｌ ＜２ ８ ３ Ｋ
２ ８ ３ ＫＳ ＜ ２ ９ ３ Ｋ
２ ９ ３ Ｋ Ｓ ｔ瓦 ＜ ３ Ｏ ８ Ｋ
，Ｌ Ｉ ３ 、，
３ 效率因子的确定
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ，Ｕ－ｔｙｐｅ ｐｉｐｅ，ｅＶａｃｕａｔｅｄ ｇｌａｓｓ ｔｕｂｕｌａｒ ｃ０１ｌｅｃｔｏｒｓ，ｔｈｅｍａｌ ｐｅｒｆｏ丌Ｉｌａｎｃｅ
Ｏ 引言
太阳能作为一种新型的可再生能源越来越为人 们所重视。太阳集热器是利用太阳辐射吸收材料的光 热效应、将太阳辐射能转变为热能并向传热工质传递 热量的特殊产热装置，是太阳能热水系统最重要、最 基本的组成部分。全玻璃真空管太阳集热器由于集热
ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｆｎｃｉｅｎｃｙ ｆａｃｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆ．ｅｒ ｌｏｓｓ ｃｏｅｆ五ｃｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ａｒｅ ｄｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｅｍｃｉｅｎｃｙ ｂｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．ａｇｒｅｅｓ ｗｉｔｈ ｍｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｗｅｌｌ． Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｉｓ
效率高、价格较低而在太阳能热水供应领域得到了广 泛应用。但常规的水在全玻璃真空管集热器中承压能 力较低且单管破裂会影响系统整体运行；ｕ型管式全 玻璃真空管集热器则克服了上述缺陷。目前，对全玻 璃真空管集热器的热性能已有一些研究文献㈣，但对 ｕ型管式全玻璃真空管集热器热性能的研究文献较 少。文献［２］给出了全玻璃真空管集热器效率计算方