平板太阳能集热器的传热分析及设计优化

【摘要】：平板太阳能集热器由于结构简单、具有很强的耐用性，并且易与建筑结合而在诸多领域有着广泛的应用。为了进一步改善平板集热器的热效率，提升其与常规能源的竞争力，国内外的学者进行了大量的理论和实验研究。 本文首先分析了平板集热器中的能量传递过程及传热系数的计算方法，建立了平板太阳能集热器的理论计算模型。在此基础上，利用Visual Basic 6.0软件编制了平板集热器的计算程序，该程序紧密结合集热器的实际运行工况，耦合其结构参数、入口参数、光学参数和环境参数，可模拟计算集热器的翅片效率、效率因子、热迁移因子和热效率等性能指标。本文结合效率因子和单位面积质量绘制了吸热板的结构优化图。利用该图可以快速对不同规格集热器的热性能进行分析比较，还可以对吸热板进行优化设计。本文还通过实验对平板集热器进行了研究，分别用瞬时法和量热法测试了平板集热器的瞬时效率，将瞬时法和根据数学模型理论计算得出的效率方程进行了对比，验证了平板集热器理论模型和程序的可靠性。 本文利用数学模型分析了不同的输入参数对平板集热器热性能的影响。结果表明： （1）当小于100W/(m×K)时，吸热板导热系数对集热器的热性能有强烈的非线性影响；而大于此值时，影响逐渐减弱。使用铝吸热板代替钢吸热板后，集热器热效率增加了33.5%；使用铜吸热板代替铝吸热板后，集热器热性能仅增加了2.7%。 （2）针对实验中所用的平板集热器进行了优化分析，在效率因子相同的情况下，通过变化吸热板的宽度和厚度，铜的消耗量可以减少47.8%。 【关键词】：平板集热器 传热分析 设计优化 理论分析 实验研究
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK513
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-15
• 1.1 课题背景8-10
• 1.1.1 平板太阳能集热器的结构8-9
• 1.1.2 平板太阳能集热器的应用现状9-10
• 1.2 国内外平板太阳能集热器的研究现状10-13
• 1.2.1 国内研究现状11-12
• 1.2.2 国外研究现状12-13
• 1.3 该课题的研究意义及主要研究内容13-15
• 1.3.1 该课题的研究意义13
• 1.3.2 该课题的研究内容13-15
• 第二章 平板太阳能集热器的传热过程与热性能分析15-38
• 2.1 平板集热器的能量守恒方程15-17
• 2.2 盖板吸热板系统的有效透过率吸收率乘积17-19
• 2.3 平板集热器的总热损失系数19-20
• 2.4 平板集热器传热过程分析20-30
• 2.4.1 平板集热器传热模型的建立22-24
• 2.4.2 平板集热器传热过程计算24-30
• 2.5 平板集热器的热性能30-37
• 2.5.1 集热器效率因子30-33
• 2.5.2 集热器热迁移因子33-34
• 2.5.3 平板集热器有用能34-35
• 2.5.4 传热工质流体与吸热板温度的确定35
• 2.5.5 平板集热器的效率方程35-37
• 2.6 本章小结37-38
• 第三章 平板太阳能集热器的设计优化38-56
• 3.1 理论计算模型介绍38-40
• 3.2 不同输入参数对集热器热性能的影响40-54
• 3.2.1 吸热板导热系数对集热器热性能的影响40-43
• 3.2.2 吸热板厚度对集热器热性能的影响43-45
• 3.2.3 吸热板宽度对集热器热性能的影响45-46
• 3.2.4 进口流量对集热器热性能的影响46-48
• 3.2.5 进口温度对集热器热性能的影响48-49
• 3.2.6 吸热板发射率对集热器热性能的影响49-50
• 3.2.7 吸热板吸收率对集热器热性能的影响50-51
• 3.2.8 太阳辐射强度对集热器热性能的影响51-53
• 3.2.9 环境温度对集热器热性能的影响53-54
• 3.3 平板集热器设计参数的优化54-55
• 3.4 本章小结55-56
• 第四章 平板太阳能集热器效率的实验研究56-68
• 4.1 实验目的和主要内容56
• 4.2 实验方法描述56-57
• 4.2.1 瞬时法56-57
• 4.2.2 量热法57
• 4.3 实验台的设计及布置57-62
• 4.3.1 实验系统的工作原理57-58
• 4.3.2 实验仪器介绍58-59
• 4.3.3 实验装置介绍59-60
• 4.3.4 实验仪器的安装60-62
• 4.4 瞬时法实验条件与步骤62-63
• 4.4.1 实验条件62
• 4.4.2 实验步骤62-63
• 4.5 实验数据的分析63-67
• 4.5.1 瞬时法测瞬时效率63-64
• 4.5.2 量热法测瞬时效率64-67
• 4.5.3 集热器日平均效率67
• 4.6 本章小结67-68
• 第五章 结论和展望68-70
• 5.1 结论68-69
• 5.2 存在问题和研究展望69-70
• 参考文献70-73
• 发表论文和参加科研情况说明73-74
• 致谢74-75
• 附录 平板太阳能集热器效率计算程序75-82

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