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硕士论文-热管平板式太阳能集热器和太阳能热水系统的研究.pdf

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上传者: 早晨的太阳 2012-07-19 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《硕士论文-热管平板式太阳能集热器和太阳能热水系统的研究pdf》,可适用于工程科技领域,主题内容包含天津大学硕士学位论文热管平板式太阳能集热器和太阳能热水系统的研究姓名:刘继者申请学位级别:硕士专业:热能工程指导教师:赵军中文摘要为了克服普通平板太符等。

天津大学硕士学位论文热管平板式太阳能集热器和太阳能热水系统的研究姓名:刘继者申请学位级别:硕士专业:热能工程指导教师:赵军中文摘要为了克服普通平板太阳能集热器的缺点并保留其结构上的优点必须要研制新型的平板太阳能集热器。热管有很多优点把热管用于平板集热器能有效地改善集热器的性能。本文对热管平板式太阳能集热器进行了理论分析并通过实验测试了自制的热管平板式太阳能热水器的性能包括瞬时效率、日平均效率和热损失系数同时考察了灰尘对热管平板式太阳能集热器和真空管太阳能集热器日平均效率的影响。测试的结果表明热管平板式太阳能热水器的日平均效率在%左右。热管的单向导热特性大大减少了系统通过集热器的热损失。本文利用TRNSYS模拟分析了集热器的朝向和倾角对集热面接收辐射量的影响并确定了天津地区使用的太阳能集热器的最佳摆放位置为:朝向正南倾角为度。同时模拟了集热面积、水箱容积和系统的泵循环流量对热水系统的效率的影响并以此为基础对自然循环和强制循化的太阳能热水系统进行了优化设计。最后通过模拟分析的数据对两套实际的太阳能热水系统进行了节能效益的分析结果表明太阳能热水系统具有良好的经济效益和环境效益。关键词:热管平板太阳能集热器TRNSYS太阳能热水系统ABSTRACTInordertOeliminatethedisadvantageandmaintaintheadvantageinstructureoftheflatplatesolarcollector,anewtypeofflatplatecollectormustbedeveloped.ItiseffectivetOimprovetheperformanceofthecollectorusingheatpipewhichhaslotsofadvantagesinpractice.Theoreticalandexperimentalanalysisisconductedontheselfmadeflatplatecollectorwithheatpipe.Theexperimentalanalysisincludesinstantaneousefficiency,averageheatefficiencyandheatlosscoefficiencyofthefiatplatesolarwatersystemwithheatpipe(abbreviatedasFPSWSHP).WealsoanalysedtheeffectofthedustonFPSWSHPandthesolarwatersystemofglassvacuumtube.eresultofthetestindicatesthattheaverageheatefficiencyisabout%.UsingrI矾SYSthispapersimulatedandanalysedtheeffectofthecollector’Sazimuthandslopeonthetiltedsurface’SradationSOtheoptimalazimuthandslopeofthecollectorusedinTianjinaredeterminedwhichare。and。.Anoptimizationofthenaturalcirculationsolarsystemandforcedcirculationsolarsystemwasmadebysimulatingtheefficiencyofthetwosystemwithdifferentcollector’Sareatank’Scubageandpump’Sflux.Intheend,thispapercalculatethebenefitoftheoptimalsolarwatersystem,theresultshowedthatthesolarhotwatersystemcanbringgreateconomicandenviroumentalbenefit.KEYWORDS:heatpipeflatplatesolarcollector,TRNSYSsolarhotwatersystem独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果除了文中特别加以标注和致谢之处外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作害签名.即墟荔’签字嗍炒年多月箩日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)一躲一锉右签字日期:加司年月圆目导师签名:pk)盔鲁\J签字日期:劢年易月(日天津大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论.太阳能在建筑节能中的意义在发达国家建筑能耗一般占全国总能耗的%%。在我国目前的建筑能耗已经占到全国总能耗的%其中城镇民用建筑运行耗电(包括采暖、空调、热水供应、炊事、照明和电器耗能)为我国总发电量的,/旷%.住宅能耗的分配情况见图一删:而且随着经济的快速发展建筑能耗比例仍在提高。图住宅能耗分配为了节约能源减少建筑能耗对一次能源的巨大消耗.除了对建筑的本身结构进行合理设计(包括提高围护结构的保温隔热性能和提高供热制冷系统的效率等)将可再生能源用于建筑中也是解决问题的途径之一。目前在建筑中利用较多的是地热能和太阳能州。太阳能是一种清洁无污染的可再生能源.它分布广泛资源丰富每秒钟辐射到地球的能量相当于万吨标准煤燃烧时放出的热量。我国太阳年辐射总量大约在MJ/时全国/以上面积地区年日照小时数大于h属于太阳能资源丰富的国家之一。因此在我国大力推行太阳能利用技术是可行的也是必然的趋势。太阳能在建筑领域中的推广应用必将大大减少建筑能耗中一次能源的消耗将对缓解能源紧张和改善环境起到巨大的作用。天津大学硕士学位论文第一章绪论.国内外太阳能热利用的现状将太阳能作为一种能源和动力加以利用在人类历史上己有多年的历史。尤其在过去的年里太阳能热利用技术发展迅速。利用太阳能提供的热量可以用来加热居民生活用水、为住宅小区供暖、空调制冷、干燥农副产品、发电等。在发达国家小型太阳能热利用设备如太阳能热水器在居民日常生活中应用十分普遍美国和日本的太阳能热水器市场占有率都超过了lO%澳大利亚为%以色列达到%。并实现了太阳能利用设备与建筑的良好结合【‘。在大规模利用太阳能方面国外倾向于发展大型太阳能系统。在丹麦、德国、芬兰都建有大型区域太阳能辅助中央供热系纠】。在这些大型太阳能热利用系统中均采用平板型集热器作为主要集热装置。相关研究表明:一个备有长期、高效储能系统的大规模太阳能中央供热系统(CS唧SS)可以满足该区内居民生活用热的%以上在德国的汉堡(Hamburg)和弗利德里希港(Friedrichshafen)分别建有两座这样的示范工程。随着技术的不断发展太阳能热利用系统的规模将越来越大以使太阳能所提供的能源成本达到与常规能源成本相当的水平。我国太阳能热利用起步较晚广泛的太阳能研究始于世纪年代末但发展迅速。经过近年的发展我国己形成了初具规模的太阳能产业。太阳能温室、太阳灶、被动太阳房、太阳能热水器和太阳能干燥器在农村的推广应用在缓解农村能源紧缺改善农村生态环境和农民生活方面起到了积极作用并收到了实效。随着技术的不断提高和生产规模的不断扩大目前太阳热水器的性能价格比可与电热水器和燃气热水器相竞争但是太阳能热水器所占的市场份额并不大只有.%儿。为普及太阳能热利用技术和提高太阳能集热器的热性能太阳能科技工作者从增加太阳辐射吸收量和减少集热器散热损失的角度出发研制出多种类型的太阳能集热器【和光谱选择性涂层Dq】。同时在太阳能空调制冷【和太阳能中高温利用Dq方面也取得了很大成功。年月我国首座大型实用性太阳能空调系统在广东省江门市投入运行取得成功。随着太阳能热利用技术的不断发展太阳能热利用趋向于降低能源生产成本的大型系统方向发展并逐步实现了太阳能的长期高效储存。.目前我国太阳能热水器的种类太阳能热水器的类型很多其构造主要分为集热器和蓄热器两大部分。其中集热器是技术关键它直接关系到太阳能热水器的性能。目前广泛应用于日常生活中的太阳能热水器根据集热器的不同按使用季节来分基本上可分为类。天津大学硕士学位论文第~章绪论第l类:只能在夏季或炎热气候卜使用。一般有闷晒式和普通平板式集热器。第类:能在春、夏、秋季及最低环境温度高于零度时使用。其主要类型有全玻璃真空管式和双层玻璃平板式集热器。对于平板式集热器在气温低于零度时须放水停用否则将会造成集热器的冻伤害。第类:可以在全年任何气候中使用。主要有热管玻璃真空管式集热器。年代中期开始以平板型太阳能集热器为主要部件的太阳能热水器在我国己初步形成产业规模这对于节约常规能源、保护自然环境和改善人民生活都发挥了积极的作用。然而由于平板型太阳能集热器只能提供低温热水而且一般不能全年运行其应用范围受到了限制。为进一步提高集热器工作温度拓宽太阳能的应用领域又研究开发了全玻璃真空管式太阳能集热器及热管真空管式太阳能集热器。【lI】目前大量应用的太阳能集热器主要有平板型太阳能集热器、全玻璃真空管式太阳能集热器、热管真空管式太阳能集热器。..平板型太阳能集热器】平板型太阳能集热器以其简单、价廉和安装方便的优点在全世界都获得了广泛的应用。普通平板型太阳能集热器由吸热体、壳体、透明盖板和隔热材料等组成。当太阳照射到集热器时集热器板上水道中的水被加热而发生膨胀、变轻、产生“水往高处流”的现象就像热烟气从烟囱中冒出一样这就是所谓的“热虹吸”现象。系统中水流的循环运动完全依靠自身各部位温度不同而形成自然循环即只要有太阳照射就能实现这种循环。水在集热器中受热变轻由集热器底部上升至项部。再经上循环管流入保温水箱水箱下部的冷水由下循环管流入集热器底部。如此循环使整个水箱中的水温升高。这种集热器的优点是:’()工艺不复杂加工成本低()水流的循环和加热全部依靠集热器的吸热作用不需要泵和其它能源运行成本低确实是一次投资长期受益()水流系统常压运行无需带压设备没有任何安全隐患()整个系统没有运转设备水对吸热板没有腐蚀作用故使用寿命很长。缺点:()由于白天、晚上的温度不同集热器易产生倒流()在高温段效率偏低表面热损大()在冬季低于O'C时因集热器中的水结冰膨胀容易将管子胀裂:()流动阻力分布不均抗冻性能差.天滓大学硕十学位论文第一章绪论()排管中容易结垢。..全玻璃真空管式太阳能集热器【】全玻璃真空管式太阳能集热器是在平板型太阳能集热器的基础上发展的一种新型太阳能集热装置。全玻璃真空管式太阳能集热器的核心部件是玻璃真空集热管它采用了真空技术消除了气体的对流与传导热损并应用选择性吸收涂层使真空集热管的辐射热损降到最低。这样真空管式太阳能集热器可以在中高温下运行也能在寒冷地区的冬季及低日照与天气多变地区运行扩大了应用领域。它像一个拉长变细的暖水瓶胆由两根同轴圆玻璃管组成内、罩玻璃管间抽成真空太阳选择性吸收表面(涂层)沉积在内管的外表面构成吸热体将太阳能转化为热能加热内玻璃管内的传热流体。全玻璃真空太阳集热管通常采用单端开口的形式在一端将内、罩玻璃管环形熔封在一起真空管集热器内装有吸气剂。这种集热器的优点是:()结构简单、制造方便、可靠性强()集热效率高保温性能好()可以在中高温下运行也能在寒冷地区的冬季运行()使用寿命长一年四季都可使用缺点:()管内存水过多管内水温上升缓慢而且对于真空管南北放置的热水装置管中的热水无法全部取出致使系统热水利用率降低()不能承压易在玻璃管内结垢管子易炸裂而且在严寒地区使用会冻结()价格昂贵。..热管真空管式太阳能集热器年代以来国内外越来越重视热管真空管式太阳能集热器的研究它是一种新型的太阳能集热装置。太阳辐射穿过真空管玻璃外壳投射在金属吸热板上吸热板将太阳辐射能转化为热能使热管蒸发段内的传热介质汽化。蒸汽上升到热管冷凝段后通过导热块将热量传递给集热管内的工质而自身又凝结成液体依靠重力流回蒸发段。上述过程重复循环使集热管内的工质不断升温。与此同时被加热的吸热板和集热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。由于运用了真空技术大幅度降低了集热器的热损失因而使其在高工质温度或低环境温度的运行条件下仍具有良好的热性能。同时运用了热管技天津大学硕十学位论文茆一章绪论术被加热工质不直接流经真空管因而跟普通平板式集热器和真空管式集热器比较热管真空管式集热器除了工作温度高承压能力大和耐热冲击性能好等优点。这种集热器的优点:()耐冰冻:热管由特殊的材料和工艺制成j即使在冬季长时间无晴天及夜间的严寒条件下真空管也不会冻裂:()()()缺点:()()启动快:热管的热容量很小受热后立即启动因而在瞬变的太阳辐射条件下能提高集热器的输出能量而且在多云间晴的低日照天气也能将水加热保温好:热管具有单向传热的特点即白天由太阳能转换的热量可沿热管向上传输去加热水而夜间被加热水的热量不会沿热管向下散发到周围环境中去特别适用于集中供热及全玻璃真空集热管产品不适用的高寒地区生产成本高技术要求高。.我国的太阳能热水器发展趋势十几年来我国太阳能热水器行业从无到有由小变大发展非常迅速但其普及率仍然很低产品的品种、功能和质量也都远远不能满足当今需要。今后我国太阳能热水器将怎样发展这里仅从产品和技术的角度出发对其发展趋势做个介绍。..太阳能热水器与建筑结合嗍在许多工业化国家中太阳能热水器早己列为建筑配套设备的一部分。从节能、环保和改善人民生活条件等因素考虑在住宅设计中采用太阳能热水器提供生活热水已是大势所趋。为了使太阳能热水器能够尽早步入建筑行业首先要根据太阳能热水器与建筑外观相协调的总体方案(依据南方或北方、城镇或农村、楼房或平房等不同情况)设计出与建筑结构相适应的各种太阳能热水器产品(依据平屋顶、斜屋顶、阳台等不同条件)其次要重视热水器产品的标准化、系列化以及热水器施工安装的规范化加强与建筑设计部门的合作使太阳能热水器列入建筑标准图册真正成为建筑的配套设备。天津大学硕士学位论文第~章绪论..太阳能热水器将逐步完善其功能人们对住宅中获取生活热水的要求正在日趋提高。为了能与电热水器、燃气热水器等产品竞争太阳能热水器除了在节能和环保两方面具有优势之外还应当具有防冻或抗冻功能人们希望洗浴时热水犹如自来水那样喷淋太阳能热水器就应当采用项水法取出热水人们希望供热水设备不要因水垢而堵塞太阳能热水器就应当将集热回路与生活热水回路分开人们希望即使阴雨天也能用上热水太阳能热水器就应当跟辅助能源配套等等。由此可见全年用热水器、承压水箱、双循环系统、辅助电加热等技术改进都将是我国太阳能热水器发展的必然趋势。..太阳能热水器将成为耐用消费品【】太阳能热水器跟彩电、冰箱一样都属于家庭的耐用消费品。老百姓花钱买了太阳能热水器就希望它能使用的时间越长越好。因此今后的太阳能热水器就应当在耐久性、可靠性上有较大的飞跃。为做到这一点不仅要求从热水器主体的结构设计选用材料和制造工艺等方面予以保证还要对热水器的零配件(如:管道、密封圈、手动阀、电磁阀、循环泵、水位计、温控仪、电加热器等)进行严格选取确保这些零配件的使用寿命和可靠程度跟热水器相匹配从而使太阳能热水器成为名副其实的耐用消费品。..太阳能热水器将进一步扩大应用范围太阳能集热器的用途并不局限于提供生活热水尤其在热管真空管式集热器问世之后太阳能集热器的工作温度可以明显提高原来意义上的太阳能热水器系统已有可能跟其他应用相结合。例如由太阳能集热器与水一水热泵组成的太阳能采暖系统既可以为冬季提供采暖又可以为全年提供生活热水:由太阳能集热器与吸收式制冷机组成的太阳能吸收式空调系统既可以提供夏季制冷、冬季取暖又可以为全年提供生活热水成为一个多功能的太阳能综合应用系统。.课题的背景和主要研究内容如前所述太阳能热水器与建筑相结合已经成为发展的必然趋势。平板型热水器因为其结构方面的优势必将在与建筑相结合中得到广泛应用。但是平板型集热器的自身缺点也限制了它的进一步应用因此必须对平板型集热器进行改进以消除或减少它的缺点。本课题就是基于这样的背景提出的。天津大学硕十学位论文筇一章绪论本文研究的主要内容有:()建立了热管平板式太阳能集热器的数学模型。()对自制的一台热管平板式太阳能热水器进行实验包括瞬时效率、日平均效率和平均热损失系数的测定通过分析热管平板式太阳能集热器的实际运行现象、总结规律寻求进一步提高其性能的途径。()通过TRNSYS软件对自然循环太阳能热水系统和强制循环太阳能热水系统作了模拟优化分析了集热面积、水箱容积和循环流量对系统效率和太阳能保证率的影响。在太阳能保证率为.的情况下得出了两种系统的最佳配置以此为基础对系统的节能效益进行了计算。.本章小结本章简要介绍了目前太阳能开发利用的特点和国内外对太阳能利用的情况。较为详细的阐述了目前我国太阳能热水器的种类和各自的特点并对太阳能热水器的发展趋势作了分析介绍最后提出了课题研究的背景和主要内容。天津大学硕十学位论文第二章热管技术原理第二章热管技术原理热管(HeatPipe简称HP)是一种高效传热元件是集热器集热和传热元件通过一个很小的面积可以传递大量的热量。除了传热效率高的优点之外它还具有体积紧凑、重量轻、无噪声、没有传动部件等特点。所以被广泛地应用在能源、动力、低温、医学电子、电气、化工、航天、地热、食品等领域的散热、冷却、加热和温度控制等各个方面。热管的种类很多一般根据管内工质回流方式分为标准热管、重力辅助热管、重力热管、旋转热管、渗透热管、电流体动力热管、磁流体动力热管等等。本研究课题中用到的热管是重力热管。.热管工作原理普通热管由管壳、吸液芯和端盖组成在将管内抽成.X(~一“)Pa的负压后充以适量的液体工质使紧贴管壁的多孔毛细材料一吸液芯中充满液体工质后密封。如图.所示:热管沿轴向分为:蒸发段(加热段)、冷凝段(冷却段)、绝热段。热管工作时热管的一端加热热管内部吸液芯中的液体工质汽化蒸汽在微小压力的作用下流向冷凝段在冷凝段放出热量冷却后又重新变成液体液体再沿着吸液芯依靠毛细力作用返回到蒸发段如此实现整个传热传质循环。图.热管工作原理意图在热管的工作循环中包含了两个相变过程:工作液体的蒸发和蒸汽的凝结。这两个过程分别在蒸发段和凝结段进行如忽略蒸汽流动所需的微小压差则热管内部应处于一个相平衡状态而工质的相变过程具有极严格的饱和压力与饱和温度间的依变关系所以理论上热管两端的温度是相等的。但是由于蒸汽的流动必须有压力差的推动尽管微小的压差亦推动蒸汽由蒸发段向冷凝段流动也不天津大学硕士学位论文第j。:章热管技术原理可避免地使蒸发段与凝结段间存在一定温差。在大多数热管中这个与工作介质循环有关的温差和其它传热方式相应的温差相比是很小的即它能在低温差下传递热量。从热管与外界的传热状态来看沿其壳体轴向可分为三个工作段:()蒸发段:热管从热源吸取热量的工作段。在这一区段中工质由于吸热而蒸发所以从热管内部工作过程来分析为蒸发段从与外界热交换情况来分析为加热段。()绝热段:热管与外界没有热交换的工作段。工质蒸汽携带汽化潜热流过这一段从内部工作过程来分析也叫传输段。()凝结段:热管向冷源放出热量的工作段。在这一区段中工质蒸汽向冷源出相变潜热而凝结成为液体所以从热管内部工作过程来分析为凝结段亦称冷凝段从与外界的热交换情况来分析又称为放热段。.重力热管重力热管的结构及工作原理如图.所示。与普通热管一样利用工质的蒸发和冷凝来传递热量且不需要外加动力而工质自行循环。但与普通热管所不同的是热管管内没有吸液芯冷凝液从冷凝段返回到蒸发段不是靠吸液芯所产生的毛细力而是靠冷凝液自身的重力因此重力热管的工作具有一定的方向性蒸发段必须置于冷凝段的下方这样才能使冷凝液靠自身重力得以返回到蒸发段。所以重力热管是只能沿一个方向(由下而上)传热的热二极管。由于重力热管内没有吸液芯所以和普通热管相比较它不仅热阻小热响应快结构简单、制造方便、成本低廉而且传热性能优良、没有毛细极限的传热限制、工作可靠因此在地面上的各类传热设备中都可作为高效传热元件其应用领域与日俱增已在各行各业的热能综合利用和余热回收技术中发挥了巨大的优越性。缺点是蒸发容器较小或热流较大时池态沸腾时会产生大量气泡将工质直接喷射到冷凝端使得传热方式由潜热变为显热从而使传热性能显著降低这就是重力热管特有的淹没现象严重时还会出现干涸极限。天津大学硕士学位论文第一章热管技术原理.重力热管的传热分析图重力热管工作原理重力热管内部包括两相流和相变传热故传热机理十分复杂。它不仅涉及到传热传质学而且也涉及到热力学的问题。由于重力热管内的流动与传热现象颇为复杂受到多种因素的影响完全用理论分析的方法进行研究是比较困难的所以目前对这类问题的研究以实验方法为主根据实验结果提出数学模型作为设计计算的依据。根据实验模型将重力热管的全部传热过程分成三个区域:()在重力热管的冷凝段是饱和蒸汽的层流膜状凝结遵循Nusselt的竖直平板层流膜状凝结理论()在重力热管蒸发段液池内当热流密度较小时进行的是自然对流蒸发当热流密度较大时是液池内的核态沸腾:()在重力热管蒸发段液池以上部分当热流密度较小时进行的是冷凝液膜的层流膜状蒸发当热流密度较大时是冷凝液膜的核态沸腾。..冷凝段的传热在重力热管内由于冷凝液膜的厚度比重力热管的管径要小得多因此当在工质能够浸润重力热管内壁的情况下一般认为冷凝段的传热方式是饱和蒸汽的层流膜状凝结换热可以用Nusselt竖直壁面层流膜状凝结理论来计算冷凝段的平均膜状凝结换热系数:天律大学硕十学位论文第::章热管技术原理忙(翁Re=(qc)心fg“|(一)()式中:元一液膜的导热系数v一液体工质的运动粘度:g一冷凝段径向热流密度一液体工质的动力粘度:^一冷凝段的长度h佑一液体工质的汽化潜热当然应该指出的是上述计算是经过大量简化的近似方法。因为Nusselt竖直壁面层流膜状凝结理论除了指明是纯净的蒸汽液膜外还有以下一系列的假设:()蒸汽是静止的汽液界面上无对液膜的黏滞应力()液膜的惯性力可以忽略不计()汽液交界面上无温差界面上液膜温度等于饱和温度()液膜内的热量传递只有导热而无对流作用()液膜的过冷度可以忽略不计()成<Pl蒸汽的密度相对于工作液体的密度可以忽略不计()液膜表面平整无波动。但是重力热管传热比较复杂首先竖直重力热管内的冷凝段液膜厚度不均冷凝段的顶端厚度为零在冷凝段的出口处液膜厚度最大而且下降液膜的流动不能简单地认为是层流或者湍流还有自由界面地存在当上升的蒸汽速度较大时汽液界面上地剪应力还会把液膜向上带导致液膜增厚可见这与重力热管内部的实际工作情况有较大的出入所以FaghriA提出了以下热管局部换热系数公式【】:吃:专《业芈糍卷哗%局部Nusselt数为:M=糊学胆%黜嘎岭詈=掣=而Q/ttnD/Jh/g‘V)上三式中:万一液膜厚度C.一液体比热。(.)()(.)天津大学硕士学位论文第一章热管技术原理rs。一蒸汽饱和温度L一热管管壁温度Z一冷凝段轴向长度Q~冷凝段项端至Z处的冷却热量D一直径平均换热系数为:碡。I"h.dz.{型氅艴铲删)%而=张惫肛睨阳脚一%Rel,mmt毕=彘上三式中:乙一冷凝段壁面温度的代数平均值Qc一冷凝段的热流量wt.一一液膜的最大流动速度‰一液膜的最大厚度..蒸发段的传热()(.)(.)重力热管在正常运行过程中它的蒸发段内包括了各种流体流动和传热现象:有沸腾传热、液膜蒸发传热、管内工质的往复脉动传热等等可见重力热管蒸发段内的传热是相当复杂。假设竖直重力热管管内的薄膜均匀、轴对称而且蒸发段底部的液膜为零可以运用Nusselt理论当液膜处于层流区域(Re<.)时局部Nusselt数可用(.)计算平均Nusselt数可用(.)计算。在波动层流区(.<Re<))Edwards】等给出了局部Nusselt数的计算式:Nu波动=.Re卸在湍流区(Re>)(.)天律大学硕十学位论文第:章热管技术原理Nu湍流。.~Re。Pr。(.)对处于波动层流和湍流区之间的区域(<Re<)Edwards等建议取局部Nusselt数用上两式中的大者。由于蒸发段中的液膜不均匀传热又复杂所以换热系数的实验值与经典Nusselt理论计算式()()得出的值相差较大因此Gross经研究后得出了以下关系式:Nu:.fdRe一%(W/肌<g<W/m)(.)..Re兰:竺坚:鱼竺:垒yzd)#lh/g故Nu=.fd(警广式中:厶=一o乡乞{d=..重力热管的传热极限ram<D域D>Do=mm(.)由于重力热管的结构特征其传热极限主要有声速极限、携带极限、干涸极限和沸腾极限。携带极限涉及到逆向流动的蒸汽和液体界面的剪切力干涸极限与一定热流密度下的最小充液量有关沸腾极限则类似于池沸腾的蒸汽全部覆盖管壁的临界热流密度。这些传热极限都将导致管壁温度升高而过热严重时将烧毁重力热管。携带极限是对蒸发段轴向热流密度的限制。当充液量较小时一般首先发生干涸极限在充液量较大且蒸发段径向热流密度较大而轴向热流密度较小的情况下将首先发生沸腾极限而当充液量较大且径向热流密度较小而轴向热流密度较大时则首先发生携带极限。通常重力热管均有较大的充液量所以对于细长管即在重力热管蒸发段的长径比很大时首先要考虑携带极限。天津大学硕士学位论文第章热管技术原理..声速极限热管在工作时在汽化段的起始端蒸汽流速为零从端点开始沿汽化段轴向蒸汽速度将逐渐增大而在汽化阶段出口处到达最大值一旦出口处的蒸汽速度达到声速(该处的声速)蒸汽的流量就达到了最大值这一最大的蒸汽流量所对应的单位时间的传热量称为热管的声速极限。..沸腾极限随着径向热流密度的增大蒸发段液池内开始产生沸腾。热流密度进一步增/一大液池内沸腾越来越激烈当达到临界热流密度时汽泡聚合连成一片贴近管壁而形成蒸汽膜蒸汽膜将液体与壁面隔绝开来导致壁面温度突然升高这种现象类似于池沸腾中的膜沸腾状态即认为是达到了沸腾极限。..携带极限当重力热管的直径较小而长度较长时逆向流动的蒸汽和液体之间具有很高的相对速度汽液界面之间有很大的剪切力。当热管传输功率增加剪切力也随之增大当它增大到一定程度部分液膜会被汽流“撕裂”进入到蒸汽流中被携带到热管的凝结段破坏了液膜的正常回流造成汽化段的“干涸”。与这一现象对应的传输功率称为热管的携带极限。.影响重力热管性能的因素影响重力热管传热的因素很多如重力热管的几何尺寸、倾角、充液量、液体工质的物理性质、重力热管管内的工作温度等等。其中最重要的是重力热管的充液量、重力热管的倾角和液体工质的物理性质。..充液量对重力热管性能影响重力热管的充液量与它的传热密切相关:(a)当充液量很小并且蒸发段的径向热流密度也相对较小时在蒸发段的底部可能出现干涸传热极限当充液量较小热流密度较大时从冷凝段回流液体就会在蒸发段管壁形成溪流造成干涸振荡。(b)充液量适中当输入的热量较小时就会有间歇沸腾现象的出现充液量适中当热流密度较高时重力热管内部就会出现携带振荡现象。(c)在充液量较大、轴向热流密度也较大时管内就会可能出现携带极限在充液量较大、径向热流密度很大的情况下就易发生沸腾极限。Streltsov以经典的Nusselt天津大学硕十学位论文第章热管技术原理竖壁膜状冷凝理论为基础假定冷凝段的液膜自顶端为零向下逐渐增厚到了绝热段后液膜为等厚度然后液膜再向下沿着蒸发段逐渐减薄最后在蒸发段底部的液膜厚度为零。液膜的蒸发过程认为是液膜冷凝过程的逆过程所以也借助Nusselt公式计算其厚度由此模型可以得到重力热管的充液量与热流密度之间的关系式川i即:G=。Io詈La,pjcdlz.%'(.)由上式可以清楚地看出重力热管充液量与几何尺寸、工质的物理性质有关它与热流量的立方根成正比。由该公式可以计算出重力热管的最小充液量若实际充液率小于此值则重力热管的底部将出现干涸发生干涸极限。应该指出这个模型与实际情况有一定的差距因为重力热管内部的蒸汽与液膜之间存在着较大的剪切力因此液膜有增厚的趋势蒸汽腔内也常存有汽液混合物而且重力热管内部一般总有一定高度的液池所以上式算出来的充液率总是偏小然而充液量过大既会引起不稳定传热也影响传热效果关于最佳充液量许多研究者做了大量实验研究。Ilnura【得到的结果是最佳充液率y’={~妻Harada明j等提出V’=.~.为合适Feldm加【】得到的最佳充液量为重力热管总容积的%。当然也可以在实验中可以采用观察法确定充液量。..倾角对重力热管性能影响关于倾角对重力热管性能的研究目前还没有成熟的理论。主要是通过可视化的研究方法一方面观察流型随角度的变化一方面记录实验数据最后对其传热机理作定性分析。对一定的充液率当倾角较小时传热量随倾角的增大迅速上升。当超过某一倾角后传热量变化就比较平坦。总的来说倾角在。~。之间会获得较好的传热效果。..工质对重力热管性能影响热管是依靠液体工质相变来传递热量的传热元件因此液体工质的热物理性质对于热管的工作性能有着重要的影响欲选定一种适宜的液体工质首先要考虑的是蒸汽运行的温度范围。表.给出了各种常用的热管液体工质的蒸汽运行温度范围。天津大学.『{贞十学位论文第二章热管技术原理表各种常用的热管液体工质的蒸汽运行温度范围大气压下的沸点使用温度范围工质名称熔点()()()氦...。一.~二氮.lO一..氨...~氟利昂一.l.戊烷一~氟利昂一.啦!丙酮.肛甲醇.~乙醇.肛庚烷.水Om乏水银.,铯~钾~钠~锂~当所要选取的液体工质的工作温度范围大致相同时那么就需要从以下几个方面综合考虑:()液体工质与管芯和管壳材料的相容性相容性是指热管在预期的设计寿命内管内的液体工质同管壳不发生显著的化学反应或者物理变化或者有变化但是不足以影响热管的工作性能。出于热管一般都工作于高温、高压的环填下因此只有良好的相容性才能保证热管稳定的传热性能。造成热管与液体工质不相容的因素很多归结起来主要有以下两个方面:a)产生不凝性气体:由于液体工质和管壳材料发生化学反应或电化学反应产生不凝性气体当热管工作时这些气体会被蒸汽流压迫到冷凝段聚集起来形成气塞从而使热管有效的冷凝面积减小导致热管传热性能恶化。最典型的是碳钢一水热管由于碳钢中的铁与水发生以下的化学反应:天津大学硕士学位论文第二章热管技术原理FeH=Fe(OH)月个FeHFeqH个Fe(OH),马心DHH个b)管壳材料的腐蚀、融解:液体工质在管内连续流动同时存在着温差、杂质等因素管壳材料发生融解和腐蚀一方面使热管内部液体工质的流动阻力增大热管的传热性能降低另一方面管壳被腐蚀后引起管壳强度下降承压能力下降严重时甚至蚀穿管壳使热管完全失效这类现象常发生于碱金属高温热管中。()良好的热稳定性有机工质在一定的温度下会发生分解这主要是由于有机液体工质的性质不稳定或者与壳体材料发生化学反应使液体工质改变其物理性能例如甲苯、烷、烃类等有机液体工质易发生这种现象。()在运行温度内蒸汽的压力不是太高或者太低蒸汽的压力太低那么蒸汽的速度就会过大蒸汽速度大就会使热管的温度梯度大又会把回流的冷凝液再次携带走。蒸汽的压力太高就要增加管的壁厚否则就容易引起“爆管”。.()液体工质的气化潜热须大液体工质的气化潜热大对热管传热有许多优点这可以从重力热管的换热系数公式(.)和Cotter理论的管内蒸汽压降公式()反映出来。由式(.)可知:在各种初始条件相等时其它参数、丑等也很接近所以液体工质的汽化潜热越高则它的换热系数也就越高那么在相同时间内热管就可以把更多的热量从蒸发段导走。当然另一方面随着热流量的增大液体工质的换热系数存在着减小的趋势到最后会稳定在某一点但是这一点也是潜热大的液体换热系数大。此外在热管内部蒸发段与冷凝段的总压降:譬噤(.)上式也明显表明液体工质的汽化潜热越大那么管内压降就越小由克拉伯龙方程可知:热管的压降小内部温度梯度就越小因此冷凝段与蒸发段的温差就小等温性能就更加良好。()液体工质的导热率元高天津大学硕十学f奇论文第二章热管技术原理液体工质的导热率高就能够增强热管内部的导热有利于热管换热系数的提高。()液体工质的液相和汽相的粘度低液体工质的液相和汽相的粘度低就可把液体工质流动阻力减至最小也有利于换热系数的提高。.重力热管在太阳能热水器中的适应性.()重力热管的热二极管特性由于重力热管是依靠重力使工质循环的所以它只能用于重力场中并且在使用中必须将蒸发段置于凝结段的下方。若蒸发段置于凝结段的上方重力对凝结液的回流会起阻碍作用这时没有动力使凝结液返回到蒸发段热管就不能工作。所以热虹吸热管也可称之为单向传热(由下向上)的热二极管。重力热管的这种特性非常适用于太阳能热水器。它可以将吸收的太阳能热量传递至水箱将水加热而反向不可逆。也就是说白天吸热晚上不放热。这对减少热水器的热损失提高热水器的保温性能是十分有益的。()重力热管具有较强的传热能力和较高的等温性由于热管主要依靠工质相变时吸收和释放潜热以及蒸汽流动传输热量而大多数工质的汽化潜热是很大的。因此不需要很大的蒸发量就能传递大量的热。当蒸汽处于饱和状态其流动和相变时的温差很小而管壁又比较薄故热管的表面温度梯度很小。当热流密度很低时可以得到高度等温的表面当量导热系数可以是紫铜的数倍至数千倍。对于太阳能热水器来讲吸热面上的热流密度是很小的。一般水平面的太阳辐射能量密度不超过W/m'具体到每根管上要求的传热量为~IOOW甚至更小这对普通重力热管的传热能力是很有利的。.本章小节本章简要介绍了热管的工作原理。对本课题用到的重力热管进行了详细的介绍对重力热管的传热过程即蒸发段传热和冷凝段传热分别进行了分析这为集热器的理论分析奠定了部分基础。热管具有的热二极管特性并且具有较强的传热能力和较高的等温性这使得热管在太阳能的热利用中得到应用。天津大学硕十学位论文第二章热管平板式集热器的结构设计和理论分析第三章热管平板式集热器的结构设计和理论分析平板型集热器是太阳能低温热利用系统中的关键部件。它是二种特殊的热交换器可将辐射能转换为工质(液体或空气)的热能。所谓“平板型”是指集热器吸收太阳辐射能的面积与其采光面积相等。实际的平板型集热器的吸热表面因含有工质的流道并不一定都呈平板状。普通平板式集热器具有结构简单、易于和建筑结合、直射辐射和漫射辐射均匀采集和成本相对较低等优点。然而普通平板式集热器的排管中容易结垢且无法清洗零度以下时排管易被冻裂且夜晚会产生回流这些缺点都限制了普通平板式集热器的大面积推广使用。把热管技术应用在平板集热器上能够解决普通平板式集热器的缺点。热管平板式集热器中没有水直接流过排管而是通过热管把太阳能间接的传递给水因此不会产生排管内结垢的问题。而热管冷凝段长度很短结垢问题容易通过技术手段加以解决。另外热管有很强的抗冻能力因此在零度以下不会有冻裂问题出现。热管的一个很大特点就是单向导热能力这样在夜晚水箱内的热量就不会通过集热器大量的损失掉因此也不会产生回流现象。.热管的设计本文设计的热管式平板集热器是以热管为传热部件因此热管的性能直接决定了整台集热器的性能热管的设计主要考虑以下几个问题:()热管内工质的选择()热管材料的选择()蒸发段和冷凝段的长度和直径()工质的充液率。在不同的场合下对热管的设计侧重点也是不同的比如航空和军用的热管主要是从热管的可靠程度和精密度等方面考虑而经济性则处于次要地位。而大批量的民用热管则是主要从经济性方面考虑兼顾热管的性能等方面因素。..工质的选择对于工质的选择主要是依据热管的工作温度来决定平板式太阳能集热器中热管的工作温度大概在IO,,"C之间。根据上一章对工质的详细讨论能在这天津大学硕士学位论文第二章热管f板式集热器的结构设计和理论分析个温度范围内工作具有人的汽化潜热并且没有过高的饱和蒸汽压力的工质是最为理想的。但是实际中很难找到很符合理想条件的工质。参照表.可知满足集热器工作温度的工质有丙酮水氨甲醇乙醇等。水工质在小于时蒸汽密度很低传热介质过少传热性能较差故热水器水箱内的水开始加热升温较慢在冬天尤甚且在较低的温度下易结冰。氢虽然是传热性能良好的工质但氨热管的工作温度不能太高一般在以下因为温度再升高的时候氨的饱和蒸汽压将急剧地增加。甲醇最大的缺点是同温度下饱和蒸汽压力较大。丙酮的汽化潜热太小。综合考虑本实验方案中采用水作为工质其中加入防冻液不仅因为水与铜管壳有很好的相容性也因为水的蒸汽压适中汽化潜热很大且提纯容易。..热管材料的选择在材料的选择方面主要是考虑材料与工质的相容性以及材料的导热性。材料与工质的相容性可以参见下面的表格:表.工质及其相容性材料工质名称相容的材料氨铝及其合金:低碳钢、不锈钢氟利昂.铝及其合金、铜、不锈钢丙酮铝及其合金、铜、不锈钢甲醇铜、不锈钢水铜、碳素钢工质选择是水可供选择的材料有铜和碳素钢考虑到铜的导热系数要比碳素钢大很多因此采用铜作为热管的材料。..蒸发段和冷凝段的长度和直径蒸发段和冷凝段的总长度依据集热器边框的尺寸而定蒸发段和冷凝段的长度和直径根据传热来确定。在确定了充液量以后设计热管在"C下避免出现传热极限(主要考虑携带极限)来确定蒸发段和冷凝段的长度和直径。具体的设计尺寸如下:天津大学硕士学位论文第二二章热管、P板式集热器的结构设计和理论分析表热管的设计尺寸名称长度(mill)直径(mm)厚度(mill)蒸发段O.冷凝段.绝热段...工质的充液量依据上一章对工质的充液量的讨论本实验方案中热管的充液量为%。.集热器的主要结构和尺寸集热器的吸热面积为ram采用根热管每根焊接与蒸发段等长(ram)的吸热板热管之间的距离为相邻之间的吸热板重叠衄。本试验设计的集热器将换热水套安装在框架内部这样的结构十分紧凑和美观也使得集热器能更加方便的应用于各种热水系统中尤其是在集热器和建筑一体化中更具优势。吸热板与热管之间采用超声波焊接这是一项较普通焊接更为先进的技术。因为热管和吸热板的管壁非常薄普通的焊接容易焊透实施难度很大。并且普通焊接会造成较大的接触热阻不利于热管和吸热板之间的换热。而超声波焊接不同于普通的焊接技术它是依靠焊头的高频振动将吸热板和热管焊接在一起由于热管和吸热板的材料相同焊接后两个部件可以成为一体基本没有接触热阻。集热器的外形尺寸为xmm。吸热板:吸热板采用铜板尺寸为X.ram表面涂有黑板漆吸收率和发射率均为.。盖板:采用钢化玻璃增加了集热器整体的强度。尺寸为Xmm法向透过率为.。换热水套:材料为不锈钢尺寸为Xmm水套外面用聚氨酯保温保温层厚度为mm。边框:材料为铝合金尺寸为Xmm压条为mm宽。边框的四周和底部用聚苯乙烯保温保温层厚度为mm。天津大学硕士学位论文第二章热管平板式集热器的结构设计和理论分析.集热器的理论分析图.集热器外型尺寸..集热器的能量平衡方程温层平板式集热器的性能可以用一个能量平衡方程来描述该方程表示吸热板所吸收的辐射太阳能所分配成的各种有用收益和各种损失即:Q口=QgQ式中:Q一集热器吸收的太阳辐射功率Q一集热器的有用收益皱一集热器对周围环境的散热率g一集热器的热贮存率。(.)Q口=Ac彻(缎地“舰(缎地)舰(馏)=L(缎)(.)天津大学硕十学位论文第二三章热管平板式集热器的结构设计和理论分析式中:A一集热器的采光面积片一投射在任何方位的水平面上单位面积的直射或漫射辐射R一水平面上直射或漫射转换到集热器采光平面上的转换因子:(馏)一盖板系统对于直射或漫射辐射的透过率一吸收率的乘积角码b一直射辐射:d一漫射辐射:一投射到集热器采光面上的太阳总辐射强度Q:M。dTdf式中:M。一集热器热容量丁一温度f一时间。对于稳态情况冬:o即Q:o。df砚可用下式定义:绒=u工kL)式中:巩一吸热板对环境的总热损系数乙一吸热板温度£一环境温度在稳定工况下式(.)可以写成:Q=彳。【。(缎)一U。阮一瓦)J(.)()(.)通常吸热板温度取决于集熟器的结构型式和载热工质的进口温度等是一系列参数的函数难以通过简单的计算或实测来确定因此集热器的热损失项往往用载热工质的进口温度或平均温度表示这时集热器的热平衡方程(.)就变为:或Q=F'A。p。(馏)一U£‰一To)j()天津大学硕十学位论文第二章热管、}£板式集热器的结构设计和理论分析QF。A(础)一U。亿一无”()式中:’一集热器的效率因子R一集热器的热转移因子:’钿一流体的平均温度L一流体的进LI温度用()或(.)式表示集热器的能量平衡方程简单明了而且将集热器复杂的设计和运行等问题集中归结于F’和R这两个因子。后面将对热管式平板集热器的效率因子和R加以分析。..集热器透过率一吸收率的乘积(口f)下面是一个单层玻璃盖板的换热示意图:IP五层』lrl/,\Jp玻璃i{I}扳&垒E丝骏热援图.单层透明玻璃盖板一吸热板系统设玻璃盖板和吸热板之间的角系数为。玻璃盖板的两个面反射率不同它的有效反射率和有效透过率分别为

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