Ⅰ型太阳能空气集热器传热性能分析

（(3 4’ ） （ 2 ） ’ ’ ’ 2 * 4’ 1 * ’ ( 2 & ( 4’ 2 ( 1 & 4’ 2 & ( 1 & ! ! ! ! ! ! 4 （ ） ’ ’ ’ ’ 2 ( 1 & 4’ 2 & (’ 2 * 4’ 1 * 4’ 2 & ( 1 & 4’ 2 ( 2 & ( ! ! ! ! ! ! （ ） （ 2 ） (3 ’ 2 * 4’ 1 * ’ ( 4’ 2 & ( ! ! ! （ ） ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ 4 4 4 2 ( 1 & 2 & ( 2 * 1 * 2 & ( 1 & 4’ 2 ( 2 & ( ! ! ! ! ! ! 式 （ ） ) 5 对应的边界条件：
［关键词］太阳能； 空气集热器； 全天集热效率 ［中图分类号］ （ ） ? @ A = A ［文献标识码］ B ［文章编号］ = C % = D % % % A ! # # $ # " D # # " = D # " 太阳能空气集热器结构简单， 成本低廉， 易于维 护， 因 而 被 广 泛 应 用 于 供 暖、 空 调、 化工干燥等领 域> 常用的平板型太阳能空气集热器有$种类型> 性能随进口温度、 工质流速、 流道深度的变化关系 > 笔者从集热器的一维模型出发， 导出沿程温度分布 的近似解， 得到进口温度、 工质流速、 流道深度对全 天集热效率、 沿程温度分布、 出口温度的影响关系>
， ； $ 选择性吸热板% $ # $ * # ) , 8 !& 8 !& ［ ］ 太阳辐射力0$ ， 见图, 、 图" % 环境温度 ,>、 #
& # ) +
紊流流动 （# ） $ !*) & &
! " !& # $ # & ) -. # $!
& # .
（ ） ) "
) ’(， * $ * / + ’( ! ! * $ % + / 定性温度 ,/ !& （,/ ） # 0% , / 1
［ ］ = 研究者做了大量的研究工作>毛润治 研究! 型集
吸热板及其所构成的流道 ! 型集热器由盖板、 组成>物理模型如图!所示>太阳能辐射光束垂直 入射， 空气以一定的流速从流道中流过并被加热>
图! !型集热器的物理模型 E . > ! I G 0 . 8 + ,M ’ : 3 , ’ 0 ’ , + ) + . ) G 3 + 4 3 ) ’ 4 3! / 5 5 F
［ ， ］ " A 学模型>林金清 采用数值方法研究 ! 型和 " 型 ［ ］ !
集热器的集热效率随空气流量、 进口温度、 入射强度
［ ］ C 的 变 化 关 系> 6 ’ M ’ 研究了"型集热器的集热 L
吸热板长度， (： M ： 工质流速， ) M $ 0 $ 单位面积吸热板的质量， *0： J $ M /
不同 ,/ 下， 与时间的 ,/ 0 1 关系曲线 A 0 # . H / / D I ? 1 /,/ @ ? ( D B 01 ( 1 = 6 : > 6 0 > ? 0 1 @ 8 1 /,/ E< 1
（ ） -
（ ） 2 ’ ’ ’ ’ ’ 1 & 2 ( 4’ 2 & (’ 2 *4 1 * 4’ & ( 1 & 4’ 2 ( 2 & ( ! ! ! ! ! ! % （ ） （ ） ’ ’ ’ ’ ( ’ ’ ’ 4 4 4 4 4 0 2 * 1 * 1 & 2 ( 3 2 & ( 1 & 1 & ! ! ! ! ! !
图- & 与,/ 的关系曲线 0 A 0 # - H / / D I ? 1 /,/ @& B 01
图’ & 与) 的关系曲线 / A 0 # ’ H / / D I ? 1 / ) @& B /1
图+ & 与$ + 的关系曲线 A 0 # + H / / D I ? 1 / $ @& B +1
图.
! " & & ! %( , 0% *0 (6 , 5 . (6 9 /’ !0 ! " ; ) $ * & ( ( ( ! ! # %( +0 % *0 (6
［
］
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有效吸热量 （ ） /= /# 0(+ ) $ * ( ( % ( , 0% ( + ! 全天有效吸热量 （ >） （ B）
1? /
［
］
（ ）通过盖板和隔热材料的热流是一维的. （ ）通过盖板的温度降可以忽略. % （ ）沿流道深度方向温度梯度为零. ) 基于上述假设， 可得到集热器的各部分能量平 衡方程式， 如式 （ ）"（ ）所示， 其中式 （ ）为吸热 ) ）为盖板的能量平衡方 板的能量平衡方程式， 式 （ % 程式， 式 （ ） 为工质的能量平衡方程式， 方程中略去 ) 了 # 方向扩散项.平衡方程式为 ! %& （ ） !& $ " &0’ /! & & 1 & % & 0% ! ! ! ! 0 ! " （ ） （ & 0%*） ’ 2 & ( % & 0% ( 0 (3 % （ -） ! %! （ ） ’ （ ） /’ 1 & % &0% 2 ( % ( 0 ! ! 0 ! !0% ! " （ ）（ ! 0%*）（%） ’ 2 * 4’ 1 * ・ % ! !
第! "卷第"期 ! # # $年 %月
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江苏大学学报 （自 然 科 学 版） （6 ） & ’ ( ) * + ,’ -& . + * 0 (1 * . 2 3 ) 0 . 4 + 4 ( ) + , 7 8 . 3 * 8 39 : . 4 . ’ * / 5
! 热力学分析
图= 太阳能空气集热器的类型 E . > = ? 3 0 ’ 0 ’ , + ) + . ) G 3 + 4 3 ) 0 / 5 F
（图 = ） 太阳能空气集热器由表面透过盖 !型 + 板 （如图中双线所示） 、 底面吸热板 （如图中粗黑线所 示） 及其所构成的空气流道以及吸热板下的保温层 （如图中短划线所示） 组成； （图 = ） 太阳能空气 "型 H 集热器由表面吸热板和底板及其所构成的空气流道 以及底板下的保温层组成； （图 = ） 太阳能空气 #型 8 集热器由表面透过盖板、 底面吸热板以及插入在空 气流道中的透过隔板及其所构成的空气流道以及吸 热板下的保温层组成> 由于空气的导热系数较低， 热容小， 因此空气集 热器的集热效率普遍较低 > 为提高集热效率， 许多
%(7 #/ ( + 8 /% 假定 , 则沿程温度分布 % （ ） 5， (6 与坐标 # 无关， (# 为 ! " & & ! （ ） % ( # 0% *0 (6 (6 , 5 # 9 /’ !0 ! " & ) $ * & ( ( ( ! ! # %( +0% *0 (6 （ :） 为 则出口温度 %( ,
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Leabharlann Baidu
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全天集热效率
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集热器传热系数
（ ）盖板外侧空气强迫对流换热系数 -
! %( !( $ %( (! ! ) $ 4 / * ( ( ! # ! " + ! # （ ） 2 （ ） ’ 2 & ( % & 0% ( 4’ ( % ( ! ! 0% 大， 故略去式 （ ） （ ） 非稳态项. ) " 联立求解式 （ ） （ ） 得 ) "
（ )）
假定工质、 吸热板、 盖板的焓值随时间变化不
2 3 4 * （ D） 5! ［ ］ B 其中， E * 1 1 , F 等人提出了如下关联式 ! ／ ／ % ) （ ） 2 3 /8 . C > 6 ) ・7 8 8 : D 适用范围%G8 #6 ) #DG8 ’ 2 */ ! 6 )/ .， + . * % 5! / % + 4. *
（ ）保温层热损失取为 " * ／ （4 ・5） -2 !)3 ）吸热板辐射换热系数 （ * * （,8 （,8 %,7） " %,7） . 6 8! 7 ／ ／ 8 9) )# 7 %)#
图, 太阳辐射力0 与时间的关系曲线 A 0 # , C D > @( 1 = 6 : > : = D 8 1 / 8 1 : > 6 6 > F 0 > ? 0 1 @ B E<
以下分析中出现的数学符号的定义如下： ： 定压比热， （J ・@） ! & $ / " 流道深度， # M $： ! ： 传热系数， （M ・@） % N $
! 太阳辐射力， &： N $ M 吸热板宽度， ’： M
热器 的 集 热 效 率 随 空 气 流 量 率 的 变 化 关 系> I + ) J 3 ) 等人在定物性的基础上研究 !、 "、 # 型集 ［ ］ $ 热器的集热效率随参数的变化关系 > K * / 在工质 温度线性变化的假设下建立!、 "、 #型集热器的数
图"
环境温度 , 与时间的关系曲线 1
A 0 # " C D > @( 1 = 6 : > : = D 8 1 / > 4 2 0 D @ ? ? D 4 D 6 > ? = 6 D B E< 7
（ ）计算结果 * ，/， $ # + 的关系曲线分别见图-&+ 0) & 与,/ 与 ,/ ，/， ,/ $ & # + 的关系曲线分别见图.&) 1 0) 当地时间) ， （ ） 与 ， ， 的关系曲 , & & ,/ 2 ,/ G + 0) /$ 线分别见图) )&) , #
（ ） %
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其中， 层流流动 （6 ） ) #%8 8
第 "期
夏国泉等： ’型太阳能空气集热器传热性能分析
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计算结果
由于 -:， / ; 及其他系数都与平均温度,/ 有关，
因而整个计算过程不可避免的要出现迭代计算#笔 者所有计算过程均借助< 0 8 = > : / 1 6 ? 6 > @ ’ # - 编制程序， 在计算机上完成# （ ）已知参数及数据 ) 长度( !) ! 吸热板宽度 * !*4， -4； ／； " 环境风速 ) / !,4 8 ， 长波 # 玻璃盖板的可见光透射率 $ # $ * 7 !& ， 长波发射率$ ； 吸收率% # $ # $ 7 !& 7 !&
; ’ , < ! " 6 ’ < " & ( , # # $ 5!
! 型太阳能空气集热器传热性能分析
夏国泉，魏
［摘
琪
（江苏大学能源与动力工程学院， 江苏 镇江 ! ） = ! # = $
要］研究了太阳能空气集热器 型的传热性能， 建立了基于一维假设下的热量传递的数学模型， ! 导出了准静态条件下沿程温度分布、 出口温度、 全天集热效率的近似解< 通过计算， 分析了进口温度、 工质流速、 流道深度对集热器传热性能的影响， 计算结果表明全天集热效率随工质流速的增大而增 大、 随进口温度的升高而急剧下降、 随着流道深度的增加， 集热效率迅速增大到最大值后逐渐减小>
!
［收稿日期］ ! # # !D= !D# O ［作者简介］夏国泉 （ ， 男， 江苏扬州人， 硕士生， 主要从事强化传热方面的研究> = O % OD ）
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江苏大学学报 （自 然 科 学 版）
%
第% :卷
单位面积盖板的质量， !!： " ! $ # ： 采样开始时间 " & ： 采样结束时间 " ’ ： 吸热板的可见光的吸收率 ! & ： 盖板的可见光的透射率 " ! ) ： 工质密度， " ! $ # ( # 下角标 ： 环境 * ： 工质 ( ： 进口状态 + ： 出口状态 , ： 盖板 ! ： 吸热板 & 假设：
! %( ［ ） ］ !( $ , 5 ! " &0 (（ /+ ( & 6 % ( 0% * ! ! ! # （ )） 5 其中
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（ ）盖板外侧辐射换热系数 % : （%: ） & ’ * ! ! 0% ’ 1 */ ! %! 0%*
［ ］ C （ ）平行板间强迫对流换热系数 ) 2 3・ 4 ( ’ 2 ( /’ 2 & (/ ! 9H