《【2017年整理】间接加热集成收集储存太阳能热水系统平板中热交换器的的优化》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【2017年整理】间接加热集成收集储存太阳能热水系统平板中热交换器的的优化（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、间接加热集成收集储存太阳能热水系统平板中热交换器的的优化摘要：由于能源使用带来的环境影响，消费者需要被鼓励使用可再生能源，如太阳能。间接加热平板集热器的集成存储太阳能热水系统是紧凑型系统，为国内水加热之一。它集成了一个太阳能组件的集合，并在一个单元中的热水存储组件。这项研究的目的是调查不同的参数在这个系统减少了初始和运行成本的目的的热性能的效果。出口服务水温作为性能的量度，因为它是从太阳辐射获得的能量的指标。所涉及的系统中的流体的连贯性，动量和能量方程数值在一个稳态条件中求解，采用 FLUENT 软件。3-D CFD 模型开发和验证利用以前的实验结果。一个标准的千瓦湍流模型被用在热交换器的最优
2、化，因为它的出品与实验结果吻合，表面到表面辐射模型被包括在内。对单排和双排换热器具有不同长度的影响进行了研究，圆形和椭圆截面管道也被检查，选择 500 和 650 升/小时的质量流速，结果表明，10.8 米长的单排的 HX 为椭圆和 B 型管，得到高的服务水出口温度（可接受的换热器的设计）中，用低泵浦功率。这导致了增加了热效率并且一个显著降低了初始和操作该系统的成本。1. 介绍由于世界人口的增加，人类的发展，个人收入的增加和希望更舒适的生活方式，功率消耗过度导致的增加的碳排放量在过去三十年显著增加。全球统计的来自化石燃料燃烧和工业过程的二氧化碳排放量在 1990 至 2000 年间每年增加 1
3、.1。这一增长 2000 年期间2004 年已经加速到每年 3以上。此外，预计世界人口到 2030 年将增加至 81 亿。实现2030 年千年发展目标将要求平均二氧化碳排放量为每一个被减少到 3.7 吨 CO2/年。碳排放量必须减少，这可以通过增加能量从清洁资源，如太阳能，风能，地热和水力能源发电的比例来实现。研究涉及能源的清洁能源，如太阳能，有显著在过去的四十年里在 1973 年增加了，尤其是在世界之窗石油危机之后。太阳能可以在工业，商业及住宅领域中使用。在国内的应用有家庭空调，暖气，热水，照明和其他应用程序消耗能量。一个环境和经济上重要的和昂贵的使用中，会发生在生产家用热水，占在美国国内的
4、能源消耗约 14。一种经济，高效的系统需要鼓励家庭使用太阳能热水。太阳能集热器是捕获太阳能和转移成热能，增加了流体内部的能量，从而增加它们的温度的设备。有几种类型的太阳能集热器，包括平板收集器，排气管，槽式，中央接收器和集中器皿等的不同类型的生产温度是其相关的一个特定用途的一个关键指标。例如，真空管式集热器能产生 90-200，抛物槽可以生产 260 和 400的出口流体温度，而中央接收机可以产生 500-800。据洛夫格罗夫和鲁兹，最高出口流体温度（500-1200）是由盘中集中器类型产生的，这是适当的用于发电。然而，将平板收集器，可用于应用，需要的温度低于 100 ，如家用热水。有许多类型
5、的平板集热器，包括连接单元，传统的间接回路太阳能热虹吸管和平板集热器的集成。在平板集热集成的特征在于结合了太阳能的收集与哈瓦特的存储在一个单元。这降低了系统的成本，因为没有连接管，安装时只需要有一小片面积。有两种类型的平板集成集热器，直接加热系统，其中，服务水流入贮水箱，并通过收集器被直接加热（图1）和间接加热系统，其中，服务水通过该浸入的贮存流体的蛇形管（图 2） ，储存罐中的间接加热系统的结构是廉价通过与直接加热系统和其它平板集热像耦合单元和常规间接电路太阳能热虹吸管比较。这实际是因为该储罐不直接连接到市政水压力与油箱内的压力低造成的。然而，在储存罐中的直热式需要用高腐蚀耐热材料制造，能够
6、承受高压力。这增加了容器的制造成本，为总的系统价格的 50以上。这项工作的目的是研究如何提高间接加热系统的效率，并使其更经济地向消费者通过最小化了初始成本和运营成本的吸引力。为了使这套系统更加高效，需要解决两个问题：减少了从系统中的热损失，并提高来自太阳获得的热量。库马尔和罗森研究五种策略用于减少平板集成收集器系统的热损失。他们测试了：（1 ）一个玻璃盖板没有夜间保温， （2 ）一个玻璃盖板盖着夜间保温罩， （3）没有夜间保温盖双层玻璃盖板， （4）透明保温具有单一玻璃盖， （5 ）绝缘挡板具有单一玻璃盖。他们发现，这种情况下，3 所提供的最大的热性能，同时壳体 5 具有最低的热效率。AL-K
7、hafajy 和摩萨德在一个平板集成收集器系统具有双玻璃罩优化的上部和下部空隙间距。由太阳能收集器获得的能量可以通过识别最佳的太阳能集热器的角度和取向以捕获最大的太阳辐射增强，这取决于在地球的集电极位置。此外，提高了热转印到被加热的水在太阳能集热器已被广泛地研究。 库马尔和罗森中使用的瓦楞吸收剂表面以提高在直接加热集成平板集热器的吸收器和存储水之间的热传递。他们发现，使用一种波纹吸收剂当系统性能的提高。 Chen 等人研究了用石蜡代替水操作间接加热一体化平板集热器和他们的目的是为了提高热传递。他们补充泡沫铝以增加石蜡的热传导率由于铝具有高的热导率（202.4瓦/ 米 K） 。加入铝泡沫增强进一
8、步所述存储流体（石蜡）和服务水之间的热传递。Gertzos和 Caouris 利用泵循环中的间接加热的平板收集器（图 3）中存储的水调查另一个传热促进的方法，这导致出口服务水温增高。Gertzos andCaouris 优化的四个参数对平均水箱水流速度的影响因此在出口服务水温。这些参数是在循环泵的入口和出口的直径。最佳入口直径为 8mm，而最佳位置是顶部右侧 100mm。的出口的最佳位置是左下侧 337.5 毫米。用于互连的翅片，他们发现，使格茨，卡路里和 Panidis8研究了热交换管（HX ）位置相对于所述储罐壁，管的长度和直径为系统具有循环泵的的效果。其中放置箱接触罐的顶部和lowerw
9、all 内 tubewas 位置被发现是最佳的。用 10 厘米长 5 片的情况下是最好的选择。这种优化提高了系统的性能。最佳直径被发现是 16 毫米并且他们发现，没有必要为在 21.68米在他们的系统的管的长度的进一步增加。此外，摩萨德和 AL-Khafajy 调查了一个间接加热平板集热热交换器的两个配置。他们的结论是，无论是初次和运行该系统的成本可以通过使用触摸罐的顶壁单行热交换器被最小化。以前的研究中间接加热系统，其调查假定存储水的温度固定在 60上的存储和servicewater 之间的传热 4 为稳态调查或存储水的初始温度为 60或 80下的瞬态研究。这些研究中使用的泵来循环存储的水。
10、本研究调查了整个收集器组成的双层玻璃盖和换热器。本研究中使用的假设是，吸收体表面的温度在 60。这种假设被认为是比的原因有两个先前的假设更为现实。首先，根据能量平衡，吸收温度可以达到 60下太阳入射辐射为650 W / m2，但没有证据表明，在存储水均匀得达到该温度。其次，吸收剂是在系统中，而不是存储水的热源。因此，假定在吸收温度是恒定的;：包括双层玻璃的作用与没有循环泵是更现实的模型，并预期将使用更少的能量。该服务水质量流量被选择为 500 和 650 升/小时，所用的间接加热平板集热调查平均流速。2. 数学模型预测的服务水的温度和速度以及空气中的间隙，管流方程必须解决。根据中山，瞬态，不可
11、压缩流和湍流的连续性，动量和能量方程可以写成缩写形式如下：连续性方程Uj/Xj=0动量方程 Ui/t +UjUi/ Xj=-1/p*( p/Xi)+*v（Ui/ Xi+Ui/Xi ）-ui*ui ）+fi能量方程T/t+（UjT ）/ Xj=（v/Pr)*(T/ Xj)-uiT/ Xj 上述方程是非线性偏微分方程和分析解决方案是不可能的，除了非常简单的情况下，但这些方程可以用数字来解决。本研究中使用其使用有限体积方法FLUENT软件。的压力为基础的类型求解器使用。重力的作用包括通过使满浮力效应。空气与温度的特性的变化已被列入通过使用不可压缩理想气体方程来估计密度和动力学理论方程式为比热，热导率
12、和粘度。水与温度性能的变化还包括使用等式（2.4ae d）中，这是由Gertzos，Pnevmatikakis 和Caouris推荐。=-1.3187*10-7*T4+1.8447*10-4*T3-9.9428*10-2*T2+23.28T-1113.5 (2.4)=3.533*10-11*T4-4.8141*10-8T3+2.4637*-5*T2-0.0056188T+0.48281 (2.5)Cp=3.321729*10-6*T4-4.459811*10-3*T3+2.248733T2-5.041488*102*T+4.654524*104 (2.5)k=6.2068*10-10*T4-8
13、.0897*10-7*T3+3.8437*10-4*T2-7.7569*10-2*T+6.1019 (2.6)速度压耦合通过使用SIMPLE算法处理。一阶迎风格式用于动量，湍动能和湍流耗散。为残留，10 4被用作收敛标准的所有术语：x速度，-速度，z轴速度，动能，和连续性，除了能量，为108 。标准KEU和变现ke湍流模型的 CFD验证用于识别的最佳模式。3.验证 CFD 模型为了得到在CFD ，实验工作由Gertzos ，Pnevmatikakis和Caouris 使用所选择的模型的置信被选择用于验证的CFD 模型。它们所使用的系统由一个存储水箱和一蛇形管浸没在储水。这种情况下的选择，因为它
14、的共享与调查本研究模型中的最重要的特征。贮存槽和吸收区的容积是相同的，对于两种情况，并都具有蛇形热交换器。服务水的雷诺数为2.6*10 4所使用的实验情况下，虽然它是变化的本研究中的1.5*10 4和2.6* 10 4。这表明该流的相似性，因此湍流模型的适当性。3.1. 实验过程Gertzos，Pnevmatikakis和Caouris17研究了服务和储存水之间的热传递具有和不具有循环泵。的情况下的未经循环泵他们的实验结果表明，在该研究中使用。储存罐由铁制成该管的tankwas16.2米内的总长度。该管的外部部分被绝缘用常规泡沫1.9厘米厚度和0.037W m - 1 K - 1的导热性。实验
15、过程发生在室内。该储箱的角为45从水平面，入口服务水温度在 16.517.8范围和质量流率被选择在此验证，该情况下，为500升/ 小时。该过程如下：存储水加热，通过外部加热器使用连续传代。当存储的水的温度达到80 C，在加热过程中被停止，并且服务的水流量通过管开始。入口，出口servicewater和储存温度下在四个不同的位置（T1，T2，T3和 T4为示于图4）测量在1 秒的时间间隔。它们进行平均并记录每30秒，为1小时的能量停药期。3.2.CFD 模拟计算网格是为相同的设置Gertzos，Pnevmatikakis 和Caouris17利用ANSYS13.0软件的开发。元件的数目为113万
16、，其中大部分是六面体（图5） 。的连续性，动量和能量方程进行求解的用于1小时内瞬时条件。可变现 ke和标准KEU湍流模型进行了测试。3.3.边界条件和运行参数 在入口边界条件被作为“速度入口” 。速度为1.768米/ 秒（500升/ h的流速） ，液压0.01m时，湍流强度，I ，4.6，这是的雷诺数Re的函数，并且被计算从I0.16（Re ）中？1/88和温度16.9？C 的过度实验的入口温度的平均值为整个时期。在出口处的边界条件被作为“压出口”与大气压力。管壁与水之间的界面被定义为壁与耦合条件，以允许热量从存储水转移到管壁，并从所述管壁的服务水。该服务的水管的外部分被假定为完全绝缘。储存箱的外壁的边界条件被作为辐射实验室壁具有20的温度和对流到周围空气的热传递系数，hc=5W/K，20。使用Kreith方程
