平板型双流道太阳能空气集热器热性能研究

摘要

太阳能空气集热器是太阳能热利用的主要装置之一，以其结构简单、成本适中、维护方便、没有防冻问题等优点而广泛应用于农副产品干燥、建筑供暖、海水淡化等领域。
　　本文结合太阳能空气集热器国内外研究现状，以市场上应用广泛的液体介质平板型太阳能集热器为基体，在其长度方向上以对角线加工形成空气双流道，提出一种平板型双流道太阳能空气集热器。为测试其热性能，本文搭建空气集热器实验测试平台，并对实验结果进行分析，结果表明：（1）在太阳辐射强度及环境温度平均值分别为535.2W/m2和22.2℃、空气质量流量为0.024kg/s时，基于采光面积的集热效率平均值与最大值分别为51.29％和53.93%，空气最大温升与最大温差分别为60.4℃和40.6℃，热迁移因子为0.55（2）获得了热迁移因子与效率的线性关系。
　　本文建立平板型双流道太阳能空气集热器的数学模型，理论分析空气在集热器内部的换热过程，推导出空气出口温度的数学表达式，理论计算结果与实验结果最大相对误差为4.9%。并且理论研究空气质量流量、空气流道结构对集热性能的影响，研究结果显示：（1）空气质量流量对集热性能有着显著的影响，但其流量值应控制在一定的范围内，以保证较好的集热性能（2）当空气流道高度与总高度比例系数为0.5时，集热器可获得最大集热效率与最佳热性能。
　　同时，本文利用 Gambit软件得到空气集热器三维模型，使用 Fluent软件模拟其热性能，对比模拟结果与实验结果以验证此数值模拟方法的正确性，结果表明：空气出口温度的相对误差最大值为8.9%，且模拟和实验值的变化规律显示出较好的一致性。当太阳辐射强度、环境温度和进口温度值分别为745.3W/m2、21.3℃和25.8℃时，对角线式空气流道使吸热板温度呈现分布不均匀现象，在其表面左下方和右上方产生局部高温（最高温度值为398K）和流动死区。为减少热损失以及改善吸热板温度分布状况，提出一种优化方案，对优化后的模拟进行模拟研究，结果显示：优化后模型的吸热板最高温度仅为349K，空气出口高达62.0℃，可解决吸热板与空气换热不充分问题，减少热损失，提高集热效率。
　　最后，利用Fluent软件数值模拟不同参数对平板型双流道太阳能空气集热器热性能的影响，得到不同参数对其性能影响的关系曲线，结果表明：（1）太阳辐射强度对空气出口温度影响显著，而对集热效率影响较小（2）随着空气质量流量增加，空气出口温度不断降低，而集热效率则不断增加，同时，当空气质量流量超过0.04kg/s后，并未有效提升集热器热性能，且增加了电能的消耗（3）随着进口温度的不断增加，空气出口温度变化呈线性升高，而集热效率呈线性减少趋势（4）空气出口温度与集热效率都随着环境温度的升高而呈线性增加，但环境温度对集热器性能的影响并不显著（5）随着吸热板厚度的增加，空气出口温度与集热效率均出现先增加后趋于平稳的变化规律，当吸热板厚度超过0.35mm之后对于集热器性能提高没有实际意义。
　　本文采用实验、理论与数值模拟相结合的方法研究自行设计的平板型双流道太阳能空气集热器的热性能，为今后太阳能空气集热器的优化设计、理论分析以及数值分析提供参考依据。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2太阳能空气集热器简介

1.3国内外研究现状

1.4国内外研究现状对本课题的启示

1.5本文研究内容

第2章 平板型双流道太阳能空气集热器热性能实验

2.1空气集热器结构

2.2实验测试系统

2.3空气集热器热性能测试方法

2.4空气集热器热性能评价方法

2.5误差分析

2.6实验结果与分析

2.7本章小结

第3章 平板型双流道太阳能空气集热器理论研究

3.1数学模型

3.2模型验证与理论分析

3.3本章小结

第4章 平板型双流道太阳能空气集热器模拟研究

4.1 Gambit软件与Fluent软件简介

4.2 数学模型

4.3计算模型

4.4求解方法

4.5模拟结果验证与分析

4.6优化方案

4.7不同参数对空气集热器性能的影响

4.8本章小结

第5章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间取得的成果（论文、专利、奖励）