平板太陽能集熱器熱效率

1、匚 q1LU xXQ / A匕J JIW J jV%x IbT 曰與太陽輻射進(jìn)行能量傳遞，獲得有用的本身對外界仍存在著，如下圖導(dǎo)累視作_種專o其吸熱體內(nèi)的流體o同時，集熱器其基本能量平衡方程可寫為:式中：Qw-集熱器在規(guī)定時段內(nèi)輸出地有用能 量；Qa-同一時段內(nèi)入射在集熱器上的太陽能輻照 量；ql-同一時段內(nèi)集熱器對周圍環(huán)境散失的熱量。5. 3平板集熱器的熱性能分析單位時間集熱板吸收到的太陽輻射能Qa = AG (sTOC )'e式中，A為集熱器面積，m2; G為太陽輻照度，W/m2; 為透明蓋板透射比和吸熱板吸收比的有效乘積，無因次。5. 3平板集熱器的熱性能分析2、單位時間內(nèi)集熱器

2、的有用能量輸出心=宵勺(小。-)/集熱器式中：4-集熱器采光面積，m2;4。及4i-分別為集熱器出、入口處的介質(zhì)溫度，°C;G -集熱器，kg/(m2.h);Cp -流體介質(zhì)的定壓比熱容，J/(kg- °C)。5. 3、平板集熱器的熱性能分析3、集熱器的熱損失只要集熱器的吸熱板的溫度高于環(huán)境溫度，則其吸收的能量必定有一部分散失到環(huán)境中去。集熱器的由 、熱損失三部分組成，即：Ql =+tp為吸熱板溫度，°c； ta為環(huán)境溫度，°C5. 3、平板集熱器的熱性能分析熱損失三部分組成，即：q = q q +2 = AU（t 一，）+ AhUh （t 一，）+ /

3、 U （，一 r ），Lf/ eb' f 、 pa，b 。、 pq ，e g 、 pq '上式中:頂部、底部及側(cè)iQt、Qb、Qe分別為集熱器頂部、底部及側(cè)面散熱損失，W;Ac必、，e 一分別為集熱器的散熱面積,m2;Up u、ue -分別為集熱器的頂部、底部及側(cè)面的熱損系數(shù), W/ (m2K) o部及邊緣的熱損失系數(shù)«器底部及邊緣熱損失是通過保溫層及外殼以的方式傳至環(huán)境空氣的，可作為處理，以底部熱損為例，即：式中：人及分別為保溫材料的及Ub傅立葉定律5.3、平板型集熱器的熱性能分析熱損，亦有:U器底部保溫材料的厚度為3 - 5cm、導(dǎo)熱系數(shù)A = 0.03 -約為:

4、0.05W/(moC)時，其U b =：_ = 1W/m -° C集熱器邊緣熱損與集熱器的有關(guān):對于2m2的集熱器，邊緣熱損約占頂部熱損和底部熱損總和的3 % ;對于30m2的集熱器，邊緣熱損約占頂部熱損和底部熱損總和的1 %。因立匕，對于,可忽略集熱器的邊緣熱損。(2)集熱器頂部熱損失系數(shù)吸熱板與玻璃蓋板之間、玻璃蓋板與外界空氣(天空)之間均存 在對流與輻射換熱，如下圖所示：頂部熱損熱的網(wǎng)絡(luò)圖集熱器5.3、平板型集熱器的熱性能分析7p、L-分別為吸熱板及玻璃的，K;£p、 -分別為吸熱板及玻璃的黑度（查物性手冊）。r _們+m5.3、平板型集熱器的熱性能分析間的對流換熱系

5、數(shù)Op.ck有限空間自然充 處理，在已知琮、7；及玻璃蓋板與吸熱板的間距Z的情況下，可利用以下計算參數(shù)，再根據(jù)以下參數(shù) 聘確定玻璃與吸熱板之間的OT1P C1428 (7甲 3 ='137% =(T + 200 m50 >2 書)、兩平行平板間空氣夾層的魚霉與5. 3、平板型集熱器的熱性能分析面時的對流換熱系數(shù)知* =5.7 + 3* W/m 2 -°C式中：y為室外風(fēng)速，m/So（計算對流換熱系數(shù)較常用的一個經(jīng)驗公式）O5.3、平板型集熱器的熱性能分析秋冬季節(jié)有時夜間環(huán)境溫度為什么也會結(jié)露?Qt - A a (/ 一 r)+.4<z (f - t )V* tc

6、w'c q /f 尸.cs、c-A a 4- a c w r.cs/'c a /5.3、平板型集熱器的熱性能分析而:+a + a awaU、=亦可根據(jù)計算:并聯(lián)熱阻串聯(lián)熱阻R (RR I + R 2R 串=R | + R11頂部熱損熱的網(wǎng)絡(luò)圖集熱器5.3、平板型集熱器的熱性能分析0的經(jīng)驗公式，足下列條件時，頂部熱損系數(shù)可根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗公式計算:320 < T v 420 K1 <室外風(fēng)速 < 10 m/s1 <蓋板層數(shù) < 30° <集熱器傾角 < 90°260 < T < 310 K0.1 v £

7、; < 0.95C = 365 .9(1 - 0.00883 3 4- 0.00013。-集熱器的安裝傾斜角。研究結(jié)果表明，在滿足經(jīng)驗公式的適用條件下，計算結(jié)果較精確。經(jīng)驗公式與理論計算公式符合程度在之內(nèi)。5- 3、平板集熱器的熱性能分析4、集熱器效率方程集熱器效率的定義：在穩(wěn)態(tài)（或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)）條件下，集熱器傳熱 介質(zhì)在規(guī)定時間內(nèi)輸出的能量與規(guī)定的集熱器面積和同一時段內(nèi)入 射在集熱器上的太陽能輻照量的乘積之比，即：上式表明：集熱器效率是一個變量，它隨集熱器板溫、環(huán)境 溫度及太陽輻射強(qiáng)度的變化而變化。4、集熱器效率方程由于吸熱板溫度不容易測定，而集熱器進(jìn)出口溫度較容易測定, 所以集熱效率方程也

8、可以用集熱器平均溫度上=色+)/2表示：上式中，F(xiàn)為集熱器效率因子，無因次；如為集熱器平均溫 度，°C;ti為集熱器進(jìn)口溫度，°C; to為集熱器出口溫度，°C。集熱器效率因子F的物理意義是：集熱器實際輸出的能量與 假定整個吸熱板處于介質(zhì)平均溫度時輸出能量之比。5.3、平板型集熱器的熱性能分析以管板式集熱器為例，吸熱板的翅片結(jié)構(gòu)如圖所示，經(jīng)推導(dǎo)可知，管板式集熱器效率因子F，的表達(dá)式為：1F，=U L0. 9+管板式集熱器的翅片結(jié)構(gòu)及翅片效率曲線1.0I1W | 1.0 L 5(W-D)/2式中：Z>i為排管的內(nèi)徑；D為排管外徑；W 為排管中心距；旗為集熱器總

9、熱損系數(shù)；如 為介質(zhì)與管壁的換熱系數(shù)；F為翅片效率， 無因次；q -為管子與吸熱板焊接處的結(jié) 合熱導(dǎo)；隨材料的導(dǎo)熱系數(shù)4及厚度3的增大而增大;隨熱損系數(shù)人的增大而減少；隨流體與管壁的換熱系數(shù)如的增大而增大。4、集熱器效率方程盡管集熱器平均溫度時可以測定的，但是由于集熱器出口溫度 隨太陽輻照度變化而變化，在測試過程中有時不容易控制集熱器平 均溫度，故集熱效率方程也可以用集熱器進(jìn)口溫度表示：(弓 一 t ) _ FRTa)rU L G _廣(r -r )-w上式中，F(xiàn)r為集熱器熱轉(zhuǎn)移因子，無因次集熱器熱轉(zhuǎn)移因子Fr的物理意義是：集熱器實際輸出的能量 與假定整個吸熱板處于介質(zhì)進(jìn)口溫度時輸出能量之比。

10、、集熱器效”程為進(jìn)一步表年集熱器對集熱性能的影響，引入個新的參數(shù)：集熱器流動因子。集熱器的流動因子才艮據(jù)流動因子的計算式可知:式中，G為集熱器單位面積流量, G=m/Ac, kg/sm2; Cp為集熱器傳 熱介質(zhì)定壓比熱容，J/(kg°C)5.3、平板型集熱器的熱性能分析集熱器流動因子F隨GCp/UlF/的變化由圖可見：當(dāng)通過集熱器的時，流體經(jīng)過集熱器的溫升下降，集熱器的平均溫度也降低，熱損減少，有用能量收益增加，集熱器流動因子 fl o當(dāng)通過集熱器的流量趨于賽褊，集熱器流動因子趨近于1。集熱器的熱性能分析r *下面分別在器效率曲線在直角坐標(biāo)系中，縱坐標(biāo)y軸表示集熱器效率，橫坐標(biāo)&#

11、39;表 示集熱器工作溫度和環(huán)境溫度的差值與太陽輻照之比，有時也稱 為歸一化溫差，用T*表示。若假定島為常數(shù)，則集熱器效率曲 線為一條直線。ra ) t - r(ra )f m a , ，n ， n UT Gur直角坐標(biāo)系下表示集熱效率方程。5.3、平板型集熱器熱性能分析平板型集熱器的瞬時效率曲線5、集熱器效率曲線由瞬時效率曲線圖可知：巳圖中三條曲線在y軸上的截距分別為、 及IwK它表示集熱器的可能達(dá)到的最高效率值。圖中三條曲線的斜率分別為、及 ，它表示集熱器的熱損失程度。斜率越大，則集熱器的熱損越大；斜率越小，則集熱器的 熱損越小。5、集熱器效率曲線幾種常見平板集熱器的瞬時效率曲線及其適用場

12、合，其斜率及在V軸上的截距都很日曲線1：是一種大。適用于 、尤其適合曲線2:為一層玻璃蓋板、普通黑漆涂 、材料為鐵質(zhì)、管板式結(jié)構(gòu)的集熱器。適用于生產(chǎn)，使用。幾種集熱器的瞬時效率曲線woog曲線3:為一層玻璃蓋板、普通黑漆涂層 的集熱器。范圍與曲線2r o 平原刑建執(zhí)哭執(zhí)，以么匕八曲線5:是*玻璃蓋板、 的平板集熱器。曲線6:為曲線4、5、6除了適合于曲線1、2、3的使用場合外，采暖、制冷等要求有的場合。度璃蓋板、集熱器。幾種集熱器的瞬時效率曲線、扁管或扁盒式結(jié)構(gòu)、扁管或扁盒式結(jié)構(gòu)5.4、平板型集熱器熱性能測試平板型集熱器的熱性能試驗項目包括：瞬時效率曲線、時間常 數(shù)、入射角修正系數(shù)、壓力降等。

13、1、試驗臺架總體結(jié)構(gòu)下圖所示分別為閉式試驗系統(tǒng)示意圖和開式試驗系統(tǒng)圖。次度控B壓力作，捍(200 m)醉境溫度伶/隔(ta)1 ifl度傳惑卷風(fēng)速儀 忌射&仆氣闕-次at度wnm券流量控流量控制閥風(fēng)機(jī)。二次溢履節(jié)的旅.計-s- 過諒器 (2()0 nm)境沮度傳周JlQa)溫度傳聘器“C) 0 TG 風(fēng)域儀 總曰射表 地球編E衣度傳婚器W)閉式試驗系統(tǒng)示意圖開式試驗系統(tǒng)示意圖5.4、平板型集熱器熱性能測試:注意的是:介質(zhì)的工作溫度范圍內(nèi)，傳熱介質(zhì)的比熱容和%以內(nèi)；集熱器試驗回路中使用的管道應(yīng)耐腐蝕并能在95C下工作，且從 介質(zhì)溫度調(diào)節(jié)器出口到集熱器進(jìn)口之間的管道應(yīng)保持最短以減少環(huán) 境對

14、介質(zhì)進(jìn)口溫度影響；試驗期間，循環(huán)泵及流量控制裝置應(yīng)能維持穩(wěn)定的流量，流量的 變化范圍應(yīng)穩(wěn)定在1%以內(nèi)；在集熱器工作溫度范圍內(nèi)，試驗回路應(yīng)具有保持介質(zhì)進(jìn)口溫度恒 定的能力，同時避免介質(zhì)進(jìn)口溫度的漂移。2、瞬時效率的測定根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，瞬時效率曲線的測定應(yīng)使平板集熱器在 穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行，并滿足以下條件：試驗期間，集熱器采光面上的總太陽輻照度不應(yīng)小于700W/m 總太陽輻照度的變化量不應(yīng)大于50W/m2 ；應(yīng)在集熱器工作溫度范圍內(nèi)至少取四個間隔均勻的介質(zhì)進(jìn)口溫度, 且其中一個進(jìn)口溫度與環(huán)境溫度之差保持在3 °C以內(nèi)；根據(jù)集熱器面積，介質(zhì)流量可設(shè)定在0. 02kg/s-m2,不同試驗周

15、期 的流量變化應(yīng)不超過設(shè)定值的10%;試驗期間，周圍環(huán)境空氣速度應(yīng)不高于4m/s。(1) 集熱器有功功率的測定集熱器實際獲得的有功功率由下列公式計算:式中，Q為集熱器實際獲得的有用功率，W; m為傳熱介質(zhì) 流量，kg/s;Cp為傳熱介質(zhì)比熱容，J/(kg-°C); L為集熱 器進(jìn)口溫度，°C; t°為集熱器出口溫度，°Co(2) 集熱器效率的計算集熱器效率跟選擇集熱器面積有直接的關(guān)系，所以在計算 集熱器效率前，必須先確定計算以哪一種面積為參考，即：吸熱 體面積Aa、采光面積Aa、總面積Ag中哪一個，然后計算出以相應(yīng)面 積為參考的集熱器效率：A r=AaG

16、AGo式中,囪為以吸熱體面積為參考的集熱器效率，無因次； 為以采光面積為參考的集熱器效率，無因次；為以總面 積為參考的集熱器效率，無因次；G為太陽輻照度，W/m2o(3) 歸一化溫差的計算集熱器效率可以由歸一化溫差T*的函數(shù)關(guān)系表示，所以在 計算歸一化溫差前，必須先確定計算以哪一種溫度為參考，即： 集熱器平均溫度、集熱器進(jìn)口溫度中哪一個，然后計算出以相應(yīng) 溫度為參考的歸一化溫差：式中，g為以集熱器平均溫度為參考的歸一化溫差，(m2-K/W); 為以集熱器進(jìn)口溫度為參考的歸一化溫差,(m2-K/W) ; o曲線的測定定試驗選擇以采光面積A,和集熱器進(jìn)口溫度tj為參考。時效率方程線形表達(dá)式，即：式

17、中，思為以采光面積為參考、Ti*=O時的集熱器效率，無因次。3、時間常數(shù)的測定時間常數(shù)用于表征太陽能集熱器對瞬變的驅(qū)動力反應(yīng)的迅速程 度，其定義是在太陽輻照度從一開始有躍階式增加后，集熱器出口 溫度與進(jìn)口溫度之差逐步上升至總增量的63. 2%時所用的時間：式中，為時間常數(shù)，s;為集熱器進(jìn)口溫度，°C;為集熱器出 口溫度，°C;為試驗開始的時間，s;為試驗結(jié)束的時間，So5.4、平板于時間常數(shù)的測試步驟如下：匚試驗期間，太陽輻照度、介質(zhì)流量、環(huán)境空氣速度等參數(shù)要求應(yīng) 與瞬時效率曲線試驗時相同；在太陽能集熱器上方10cm處，用遮陽板擋住集熱器采光面積上的太陽輻射，并使集熱器進(jìn)口

18、溫度近似等于環(huán)境空氣溫度；當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定時，移去遮陽板并繼續(xù)測量，直到出現(xiàn)第二次穩(wěn)態(tài)，當(dāng)介質(zhì)出口溫度變化小于O.rC/min時，即可認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)態(tài)口會出兩次穩(wěn)態(tài)之間過渡過程中集熱器出口溫度與進(jìn)口溫度之差隨 時間的變化曲線，如圖所示；M(P) f(AS(f礦，)o時間(s) 0.632S5 -d)oj根據(jù)上述曲線，查出出口溫度與進(jìn)口溫度之差值達(dá)到兩次穩(wěn)態(tài)所 對應(yīng)出口溫度與進(jìn)口溫度之差的63.2%所用的時間，并求得時間常 數(shù)©4、入射角修正系數(shù)的測定入射角修正系數(shù)用于表征太陽能集熱器透射比和吸收比的有效 乘積隨太陽輻射入射角的變化關(guān)系，其定義是入射角為0時透射比 和吸收比的有效乘積，與入射角為

19、0。時透射比和吸收比的有效乘 積的比值：" h 八 a/4 a 或者 cn c ci=°lif 七:彳凌一l 11 ，I式中，和入射角修正系數(shù)，無因次；yJ為入射角為。時透射比和 吸收比的有效乘積，無因次；為入射角為o時透射比和吸收比的 有效乘積，無因次。5.4、平板型集熱器熱性能測試如果集熱器進(jìn)口溫度非常接近環(huán)境溫度，即當(dāng)t-ta«o時，有:KFr(Sw 0,"FrS )e,70,n式中，費(fèi) 為入射角為o時，trta-o時的集熱器瞬時效率，無因次; 為入知,角為0。時，弓宅二0時的集熱器瞬時效率，無因次。入射角修正系數(shù)的測試步驟如下：r試驗期間，太陽輻

20、照度、介質(zhì)流量、環(huán)境空氣速度等參數(shù)要求應(yīng) 與瞬時效率曲線試驗時相同；對集熱器進(jìn)行四種試驗條件的方位調(diào)節(jié)，這四種調(diào)節(jié)可以使太陽 輻射入射角分別為0。、30°、45°和60。試驗期間，應(yīng)使集熱 器方位保持在測量該入射角的±2. 5。范圍之內(nèi)；在每個入射角的試驗周期內(nèi)，控制集熱器進(jìn)口溫度與環(huán)境溫度之 差小于土 1°C,以滿足trta«0的條件；通過試驗，取得J、te、t&、m、G等參數(shù)，并分別計算出每個入 射角"下的集熱器瞬時效率圍值。、入射角條件下的入射角修正系數(shù)值，其中,的集熱器瞬時效率；_計算結(jié)構(gòu)標(biāo)繪在關(guān)-。圖上，得到入射角修

21、正系數(shù)隨入射 角的菱化曲或，如下圖所示；5.00.90.80.70.610.5F . . . .1015304560叩根據(jù)上述測試結(jié)果，也可以將入射角修正系數(shù)紀(jì)整理成數(shù)學(xué) 表達(dá)式：k° = i - w!) cos 一 1式中，B為試驗確定的常數(shù)， 無因次；。為太陽輻射入射角壓力降用于表征太陽能集熱器在不同工作條件下的流動阻力特 性。流動阻力通常用盡、出口介質(zhì)的壓力降表示。所謂流動阻力特 性，是指介質(zhì)流動阻力隨流量的變化關(guān)系。壓力降的測試步驟如下：在集熱器盡、出口之間選擇適當(dāng)?shù)墓茏觼硌b配壓力計、測壓點(diǎn)應(yīng) 設(shè)置在靠近集熱器且不受其他配管影響的直管部分；試驗期間，流量應(yīng)控制在標(biāo)稱值的土 1

22、%內(nèi)；進(jìn)口溫度與環(huán)境空氣 溫度之差應(yīng)控制在土 10°C以內(nèi)；進(jìn)口溫度的變化應(yīng)控制在± 5°C以 內(nèi)；根據(jù)集熱器面積，應(yīng)在0.0050.04kg/s-m2的流量范圍內(nèi)測量壓力 降A(chǔ)P,并至少在整個流量范圍內(nèi)均勻間隔的五個流量m值上進(jìn)行測 量；Pm圖上，得到集熱器壓力降隨流量in的60402000806040201 I 1 K (燈 qm)JV 沒-R田03O02O流量 m kg/(s m2)5.5、平板型集熱器的技術(shù)要求部件分類試驗項1技術(shù)要求平板集執(zhí)熱件能Fr（r-a）不低于0. 68：Fr % 不高于6. OW/ in C）: 其中：三：熱轉(zhuǎn)移因子（1）:T：透明蓋板的太陽透射比：%：總熱損系數(shù)：a：吸熱體的太陽吸收比?？諘駪?yīng)無變聽、無開裂或其他叔壞國曬應(yīng)無泄漏及明顯變內(nèi)通水熱沖 擊應(yīng)無泄漏、無變形、無破裂或其他損壞外淋水熱沖 ih應(yīng)無明顯變形及其他損壞,婦4器進(jìn)水，,對熱11能下產(chǎn)生嚴(yán) 障礙淋雨應(yīng)