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高温型平板太阳能集热器的试验研究

作　者: 唐千喻
导　师: 卿山；王辉涛
学　校: 昆明理工大学
专　业: 热能工程
关键词: 太阳能平板集热器高温型数学模型热性能
分类号: TK513
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

高温型中空平板太阳能集热器是我们研制的一种新型的太阳能集热装置。文章首先回顾了太阳能利用的发展状况,并对太阳能的开发利用和太阳能集热器的现状及发展趋势做简单介绍,最后在此基础上提出了本文的研究课题。太阳能的热利用的关键技术是将太阳的辐射能转换为热能。由于太阳能比较分散,必须设法把它集中起来,太阳能集热器是一种特殊的热交换器,将分散的太阳辐射能转化为热能,并将其热能传递给工质,加热工质。太阳能集热器是太阳能热利用最成熟的技术,它以构建简单、便于维护、节能环保等特点遍布全球。按集热器是否有真空空间来分,一般可分为平板集热器和真空管集热器。在国内占市场份额达到90%的真空管集热器具有高温、可全年运行等优点,同时也存在不成压、炸管、结垢等缺点。平板集热器具有接口简单、能承受压力、日平均效率高等优点,同时也存在热损失大、保温性能差、温度低等缺点,但是,平板集热器随着国内科学技术的提高,必然成为未来太阳能集热器发展的趋势。本文旨在研制一种高热效率、高保温效果、高温的新型平板集热器。本文建立的平板集热器的数学模型,为研究平板集热器的性能提供理论基础。平板集热器系统比一般的换热器要复杂得多,包含三种换热方式：导热、对流和辐射换热。本文分别分节描写太阳辐射、集热器的热损失、集热器的能量平衡、集热器热效率和集热系统的流动阻力的数学模型。数学模型的建立方便我们研究影响集热器热性能的因素,有助于集热器的设计。本文将自制两块结构尺寸、箱体材料和保温材料不同的平板集热器。介绍了平板集热器热性能测量系统的管道材料、传热工质、保温材料等,以及热性能测量系统所需的其他部件,如冷却箱、油膨胀箱、油过滤器、阀门、高温油泵等。集热器的实验数据是为评定产品的质量和性能,并为系统的优化设计提供依据。本文将对集热器进行热性能试验,热性能指标包括空晒温度、瞬时效率和日平均效率等。首先对用真空玻璃作端盖的1号平板集热器进行空晒实验。集热器在实验进行十分钟后破裂,说明用真空玻璃作平板集热器的端盖还不可行。空晒实验是在晴朗天气、全天累计日辐照量为25629KJ/m2的条件下进行的,1号平板集热器的吸热板温度最高能达到170.2℃。空晒实验结束后1号平板集热器没有发生变形、开裂或其他损坏。接着分别对1号平板集热器和2号平板集热器在秋季晴天进行热性能试验,1号平板集热器是在日平均太阳辐射强度为757W/m2、导热油质量流量为185Kg/h的条件下进行实验的,1号平板集热器吸热板温度最高能达到91.6℃,导热油出口温度最高达到79.5℃,瞬时效率最高为0.65,日平均效率为0.54；2号平板集热器是在日平均太阳辐射强度为989W/m2、导热油质量流量为85Kg/h的条件下进行实验的,2号平板集热器吸热板温度最高能达到98.8℃,导热油出口温度最高达到80.5℃,瞬时效率最高达到0.55,日平均效率为0.46。最后在秋季阴天对1号平板集热器进行热性能试验,1号平板集热器是在日平均太阳辐射强度为612W/m2、导热油质量流量为148.5Kg/h的条件下进行实验的,1号平板集热器吸热板温度最高能达到79.5℃,导热油出口温度最高达到78.8℃,瞬时效率最高为0.66,日平均效率为0.51。实验证明1号平板集热器和2号平板集热器的热性能比现有的普通平板集热器好,而1号集热器的热性能又略优于2号集热器,两块平板集热器在未来的发展中都具有绝对的优势。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-24
  1.1 引言  11-14
    1.1.1 太阳能利用的发展史  11-13
    1.1.2 能源问题与环境污染  13-14
  1.2 太阳能利用现状及其特点  14-20
    1.2.1 太阳能热水器  15-16
    1.2.2 暖房  16-17
    1.2.3 太阳能热发电  17-18
    1.2.4 太阳能制氢  18-19
    1.2.5 太阳能制冷  19-20
    1.2.6 太阳能海水淡化  20
  1.3 目前太阳能集热器的种类  20-22
    1.3.1 平板太阳能集热器  20-21
    1.3.2 真空管太阳能集热器  21-22
  1.4 本文研究内容  22-23
  1.5 本章小结  23-24
第二章高温型平板集热器的数学模型  24-38
  2.1 太阳辐射  24-26
  2.2 平板集热器的能量平衡方程  26-28
  2.3 平板集热器的热损系数  28-30
  2.4 几种端盖的特性分析  30-33
    2.4.1 单层玻璃的特性分析  30-31
    2.4.2 双层玻璃的特性分析  31
    2.4.3 中空玻璃的特性分析  31-32
    2.4.4 真空平板玻璃的特性分析  32-33
  2.5 集热器的效率计算  33
  2.6 平板集热系统流动阻力的计算  33-37
    2.6.1 直管段沿程阻力h_(fz)的计算  34
    2.6.2 局部阻力h_(fJ)的计算  34-36
    2.6.3 总阻力损失的计算  36
    2.6.4 系统管道的计算  36-37
  2.7 本章小结  37-38
第三章高温型平板集热器的结构设计及实验台的搭建  38-50
  3.1 高温型平板集热器的管道材料的选择  38
  3.2 高温型平板集热器的工质的选择  38-39
  3.3 高温型平板集热器的保温材料的选择  39-40
    3.3.1 硅酸铝纤维  39-40
    3.3.2 聚氨酯发泡  40
  3.4 高温型平板集热器的工作原理  40-42
  3.5 高温型平板集热器的尺寸设计  42
    3.5.1 端盖的制作  42
    3.5.2 集热器箱体的制作  42
    3.5.3 集热器吸热板的制作  42
    3.5.4 集热器保温层的制作  42
  3.6 高温型平板集热测量系统的其他部件  42-43
  3.7 热工性能测试方法及仪表  43-48
    3.7.1 温度测量的方法  43-45
    3.7.2 太阳辐射测量  45
    3.7.3 风速的测量  45-46
    3.7.4 传热工质的质量流量的测量  46
    3.7.5 集热器的压降的测量  46
    3.7.6 工质循环油泵的选择和安装  46-48
  3.8 高温型平板太阳能集热系统试验台的搭建  48-49
  3.9 本章小结  49-50
第四章高温型平板集热器的实验研究及数据处理  50-66
  4.1 实验目的  50
  4.2 平板集热器热性能实验方法和实验步骤的概述  50-52
  4.3 实验步骤  52
  4.4 用真空玻璃作端盖的1号平板集热器的空晒实验  52-53
  4.5 用中空玻璃作端盖的1号平板集热器的空晒实验  53-55
  4.6 1号平板集热器和2号平板集热器的对比试验  55-61
    4.6.1 2号平板集热器的热性能试验  55-58
    4.6.2 1号平板集热器的热性能试验  58-61
  4.7 1号平板集热器阴天的热性能试验  61-64
  4.8 本章小结  64-66
第五章全文结论  66-68
致谢  68-69
参考文献  69-73
作者攻读硕士学位期间的成绩  73

高温型平板太阳能集热器的试验研究

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