清华大学太阳能热利用技术 (7)

(换热系数)。
3 10-Feb-09
筑
Ut、 Ue、 Ub －分别为集热器的顶部、边缘及底部的热损系数
龙 网
ww
w.
zh
Qb = AbU b (t p − t a )
ul
on g.
Qe = AeU e (t p − t a )
co
顶部热损为：
m
Qt = AcU t (t p − t a )
3－3、平板型集热器的总热损系数
2 2
(
)
ul
on g.
根据两平行平板之间的辐射换热计算公式，有：
co
m
1、玻璃与吸热板之间的辐射换热系数αr,p-c
3－3、平板型集热器的总热损系数
热板的间距L的情况下，可利用以下计算参数，再根据以下参数查 图确定玻璃与吸热板之间的对流换热系数。(见课本P25)
zh
ul
on g.
按有限空间自然对流换热处理， 在已知Tp、Tc及玻璃盖板与吸
co
m
3－3－1、底部及边缘的热损失系数
3－3、平板型集热器的总热损系数
0.05W/(m·ºC)时，其底部热损系数约为：
集热器边缘热损与集热器的采光面积有关：
�对于30m2的集热器，边缘热损约占顶部热损和底部热损总和的 1％ 。
因此，对于较大型的集热器，可忽略集热器的边缘热损。
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ww
1 1 + α p − c + α r , p − c α w + α r ,c − s
zh
1
1 αw
Tc
αr,c-s
1
亦可根据热网络图计算：
龙 网
1 αp-c
Tp
1 αr,p-c
R 1R 2 并联热阻 R 并 = R1 + R 2 串联热阻 R 串 = R 1 + R 2
筑
顶部热损热的网络图集热器
zh
�工作温度较低的集热器，使用一层盖板和非选择性吸收涂层； �工作温度较高的集热器，可由一层盖板与选择性吸收涂层相结
ul
on g.
co
m
19 10-Feb-09
筑 龙 网 ww w.
10-Feb-09 20
zh
ul
on g.
co
m
必定有一部分散失到环境中去，即集热器本身对外界仍存在着散
co
m
只要集热器的吸热板的温度高于环境温度，则其吸收的能量
吸热体
Qt
透明盖板
Qe
Qe
筑
壳体
10-Feb-09
Qb
保温材料
2
3－3、平板型集热器的总热损系数
边缘热损为： 底部热损为：
以上几式中：
Ac、 Ae、 Ab－分别为集热器的透光、边缘及底部散热面积；
在满足下列条件时，顶部热损系数可根据相关经验公式计算：
co
6、顶部热损系数Ut的经验公式
m
3－3、平板型集热器的总热损系数
式中：N－透明盖板的层数；
f = 1 − 0.04α w + 0.0005α w (1 + 0.091N )
15 10-Feb-09
(
筑
龙 网
σ (Tp + Ta ) T p + Ta + (2 N + f − 1) ⎤ − N [ε p + 0.05 N (1 − ε p )]−1 + ⎡ εc ⎥ ⎢ ⎣ ⎦
co
m
ϕ1 =
137
2、玻璃与吸热板之间的对流换热系数αp-c
ww
Tm
( T =
p + Tc )
w.
2
1
筑
龙 网
(Tm + 200 )
1
3
Tm
1
2
⎛ T p − Tc ⎞ ϕ2 = ⎜ ⎜ 50 ⎟ ⎟ ⎝ ⎠
3
1428(Tm + 200 ) ϕ3 = 2 Tm
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2
3
8
3－3、平板型集热器的总热损系数
2 2
ww
(
w.
⎧ ⎫ ⎪ ⎪ N 1 ⎪ ⎪ Ut = ⎨ + ⎬ 0.33 α ⎤ w⎪ ⎪ ⎛ C ⎞ ⎡(T p − Ta ) ⎜ ⎟ ⎢ ⎥ ( ) T N + f ⎪ ⎪ p ⎝ ⎠ ⎣ ⎦ ⎩ ⎭
zh
ul
2
on g.
)
)
co
相应的顶部热损系数的经验计算公式为：
m
3－3、平板型集热器的总热损系数
热损的关键是减少顶部热损失。具体措施有：
透明蜂窝是一种新一代透明隔热材料（TIM－Transparent 能。太阳能平均角度透过率≥65％，热损系数≤1.5W/m2·K 。
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筑
Insulated Material），它有高的太阳能透过率，并具备优异的隔热性
龙 网
ww
(可能减少太阳辐射的透过量)。
11 10-Feb-09
筑
龙 网
K
ww
天空等效温度由下式计算：
w.
zh
式中：Ta及Ts分别为室外空气温度及天空等效温度, K。
ul
on g.
δε c Tc − Ts = Tc − Ts
(
4
4
)
co
4、玻璃与天空之间的辐射换热系数αr,c-s
m
3－3、平板型集热器的总热损系数
co
5、顶部热损系数Ut
13
10-Feb-09
3－3、平板型集热器的总热损系数
{
320 < T p < 420K 260 < Ta < 310K 0.1 < ε p < 0.95
0 o ≤ 集热器倾角 ≤ 90 o
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筑
1 ≤ 盖板层数 ≤ 3
龙 网
1 ≤ 室外风速 ≤ 10 m/s
ww
w.
zh
ul
on g.
自由对流换热系数 与夹层间距L的关系 两平行平板间空气夹层的 两平行平板间空气夹层的自由对流换热系数 自由对流换热系数与
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筑
龙 网
ww
w.
zh
ul
on g.
co
m
3－3、平板型集热器的总热损系数
α w = 5.7 + 3.8v
W/m 2 ⋅o C
(计算倾斜表面对流换热系数较常用的一个经验公式)。
αw
αr,c-s αr,p-c
Qt = Acα p − c (t p − tc ) + Acα r , p −c (t p − tc )
= Ac (α p −c + α r , p −c )(t p − tc )
ul
on g.
αp-c
m
Ta 玻璃T c
吸热板T c
ww
Qt = Acα w (tc − t a ) + Acα r ,c − s (tc − t a )
10-Feb-09
筑
建筑工程学院市政工程系
龙 网
ww
w.
第三章 3－3 平板型集热器的总热损系数
zh
ul
on g.
co
太阳能热利用
m
1
3－3、平板型集热器的总热损系数
热损失。
龙 网
QL = Qt + Qe + Qb
ww
w.
成，即：
zh
集热器的总热损失量QL由顶部、边缘及底部热损失三部分组
ul
on g.
筑
龙 网
ww
w.
式中：v为室外风速, m/s。
zh
ul
on g.
co
3、风吹过玻璃外表面时的对流换热系数αw
m
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3－3、平板型集热器的总热损系数
α r ,c − s
Ts = 0.0552Ta
1.5
如：当室外空气温度为293K时，天空等效温度Ts约为276.8K。 秋冬季节有时夜间环境温度高于空气露点温度为什么也会结露？
ul
低；
on g.
co
� 减少吸热板与透明盖板之间的辐射热损；方法：在吸热板上喷涂选择
m
3－3、平板型集热器的总热损系数
在实际应用中，一般说来：
合，或采用双层透明盖板；
筑
合，可砌底消除夹层间的导热与对流热损失，获得更好的隔热效果。
龙 网
�采用选择性吸收涂层与吸热板与透明盖板之间夹层抽真空相配
ww
w.
集热器的透明盖板层数一般不超过3层。
�减少集热器边缘及底部热损失；方法：使用性能良好的隔热保温材料。
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Hale Waihona Puke Baidu
筑
龙 网
阻，从而热损失减少。但同时也减少了太阳辐射的透过量。因而，平板型
ww
板层数。盖板层数增多，降低了最外层盖板温度，并增加了集热器的热
w.
zh
�同时减少吸热板与透明盖板之间的对流及辐射热损；方法：增加透明盖
与式 可知：
龙 网
Qb = AbU b (t p − t a )
ww
式中：λ及δ分别为保温材料的导热系数及厚度。 对比：
筑
λ Ub = δ
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w.
zh
传至环境空气的，可作为平板导热处理，以底部热损为例，即： Ab λ (t p − ta ) Qb = 傅立叶定律 δ
ul
on g.
集热器底部及边缘热损失是通过保温层及外壳以热传导的方式
在对流与辐射换热，如下图所示：
Ta 玻璃T c
on g.
吸热板与玻璃盖板之间、玻璃盖板与外界空气(天空)之间均存
Ta
ul
co
m
1 αw
Tc
3－3－2、集热器顶部热损失系数
zh
αr,c-s αr,p-c
筑
龙 网
αp-c
ww
w.
αw
αr,c-s
1
吸热板T c
1 αp-c
Tp
1 αr,p-c
顶部热损热的网络图集热器
经验公式与理论计算公式符合程度在 ±0.20W/(m2·K)之内。
筑
龙 网
研究结果表明，在满足经验公式的适用条件下，计算结果较精确。
ww
w.
zh
θ－集热器的安装倾斜角。
ul
on g.
C = 365.9(1 − 0.00883θ + 0.00013θ 2 );
co
式中：
m
16 10-Feb-09
3－3、平板型集热器的总热损系数
w.
板之间抽成真空状态；(2)在吸热板与盖板之间填充透明蜂窝材料
zh
�减少吸热板与透明盖板之间的对流热损失；方法：(1)将吸热板与盖
ul
on g.
顶部热损失是集热器热损失中的最主要部分；因此，减少集热器
co
m
3－3－3、减少集热器热损失的途径
3－3、平板型集热器的总热损系数
性吸收涂层，以提高吸热板对太阳辐射的吸收率，而其自身的发射率却较
筑
龙 网
�对于2m2的集热器，边缘热损约占顶部热损和底部热损总和的 3％；
ww
w.
zh
0.04 o Ub = = 1 W/m ⋅ C −2 4 × 10
ul
on g.
当集热器底部保温材料的厚度为 3－5cm、导热系数λ＝0.03－
co
m
同理，对边缘热损，亦有：
λ Ue = δ
3－3、平板型集热器的总热损系数
= Ac (α w + α r ,c − s )(tc − t a )
w.
zh
Qt t p − tc = Ac (α p −c + α r , p −c ) Qt tc − t a = Ac (α w + α r ,c − s )
⎞ Qt ⎛ 1 1 ⎟ t p − ta = ⎜ + ⎟ Ac ⎜ α + α α w + α p − c r , p − c r , c − s ⎝ ⎠
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3－3、平板型集热器的总热损系数
εp、εc－分别为吸热板及玻璃的黑度(查物性手册)。
7 10-Feb-09
筑
Tp、 Tc－分别为吸热板及玻璃的绝对温度，K；
龙 网
式中：
ww
⎛ 1 ⎞ 1 + − 1 ⎜ ε ⎟ ε p c ⎝ ⎠
w.
zh
α r , p −c =
δ Tp + Tc (T p + Tc )
12 10-Feb-09
筑
龙 网
}
3－3、平板型集热器的总热损系数
⎞ Qt ⎛ 1 1 ⎟ t p − ta = ⎜ + ⎟ Ac ⎜ α + α α w + α r , p −c r ,c − s ⎠ ⎝ p −c
on g.
co
m
ul
而：
Qt = AcU t (t p − t a )
Ta
w.
Ut =