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1、 收稿日期: 1997-04-18第一作者 男 27岁 博士生 100083 北京1997年10月 第23卷 第5期 北 京 航 空 航 天 大 学 学 报 Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics October 1997 Vol. 23 No. 5蜂窝平板太阳能集热器研制及闷晒性能实验袁卫星 袁修干 杨春信 梅志光( 北京航空航天大学 飞行器设计与应用力学系)摘 要 研制了一种含有透明绝热结构的太阳能蜂窝平板集热器, 从理论上分 析了集热器吸热板与蜂窝板间有空气隙的复合蜂窝结构的表面传热损失, 并对闷晒 实验
2、作了描述和总结. 实验发现: 蜂窝结构大大提高了集热器吸热板的闷晒平衡温 度; 理论分析也指出: 蜂窝结构显著降低了集热器的表面热损失系数. 因此, 采用透明 绝热蜂窝结构是提高太阳能集热器集热效率的一种有效方法.关键词 太阳能;集热器;热损失;透明绝热; 蜂窝 分类号 TK 513符号表 G, M, L 蜂窝板的长, 宽和高L 空气隙高D与一个矩形蜂窝孔气体部分横截面积相同的圆的直径dF高 dz 处与 dz 处的圆环间的角系数f 固体部分比例: 蜂窝板固体部分横截面积与蜂窝板所占面积的比例hT通过复合蜂窝的总传热系数, 等于传热量除以( Th- Tc)kg, ks气体( 通常是空气) 和蜂窝
3、材料的导热系数W 辐射-导热无因次数Tw,Th,Tc蜂窝、 热、 冷板的温度t等效蜂窝壁厚的一半, t= R( ( 1- f )- 1/ 2- 1) , R= D/ 2E , Ec, Eh蜂窝壁, Tc, Th对应表面的黑度RStefan-Boltzmann常数7无因次气体/ 固体温度数: (T-Tc) / (Th-Tc) ,适于-L/2zL/ 27 无因次气体温度数: ( T- Tc) / ( Th- Tc) , 适于- ( L/ 2+ L ) z- L / 2w1, w2矩形蜂窝孔的长和宽A 等效蜂窝孔长径比, L/ DA L /Dz, z 坐标值Jc, JhTc, Th对应表面的有效辐射
4、kekg+ksf/ ( 1-f)Bc, BhJc/ E, Jh/ EG,Fz /D,z/DT(z) 高为z处的气体/ 固体温度p ( W+ b2)1/ 2Yc, YhRT4c/ E, RT4h/ E#1, ,#4常数#5, #6Bh, Bc#7,#8常数b常数随着矿物能源供应的紧张, 特别是本世纪70年代的石油危机以后, 太阳能的利用引起了世 界各国的普遍重视. 充分利用太阳能, 可以节约大量的一次性能源, 并做到在社会经济发展的同时不破坏环境质量. 因而, 利用充足、 洁净的太阳能成为人们开发新能源的一个重要方面.1 蜂窝平板集热器研制太阳能集热器的研究和使用是太阳能热利用中的关键技术, 平
5、板型集热器因其制造简单、成本低廉而得到了广泛的应用, 它主要由吸热板、 绝热材料和透明盖板构成. 提高集热器性能的措施之一, 是在吸热板和玻璃盖板之间加入透明绝热材料制成的蜂窝结构, 如果蜂窝材料对太阳辐射是透明的和高度反射的, 而对再辐射的红外辐射不透明, 则此蜂窝结构对吸热板和盖板间的对流和辐射热损失均可起到抑制作用, 因而可以显著提高集热器的效率. 目前, 透明绝 热材料( TIM) 在太阳能热利用中越来越受到重视, 甚至国外有专家预测, 透明绝热技术( TIT )将最终解决太阳能热利用的实用化问题 1. 国内在这方面的科研工作还处于起步阶段.集热器中制作蜂窝所用的透明绝热材料, 除了要
6、求对太阳光透过率高、 对长波热幅射透过率低、 材料导热系数低外, 还要求能耐受较高的温度. 根据国内容易获得的材料, 我们选择了性 能良好的聚酯薄膜. 制成的蜂窝板单孔如图1.选择北京太阳能研究所生产的1 m1m 平板集热器并进行了改装, 在吸热板和盖板之间加入了规格为900 mm300 mm60 mm( GML) 的三块矩形孔蜂窝板, 为了实验不同孔径蜂窝的性能, 其中一块蜂窝孔径设计为30 mm8 mm( w1w2) , 另两块蜂窝孔径设计为30mm15 mm( w1w2) . 在两块平板集热器的对应位置上, 各贴6个热电偶, 并用计算机数据采集系统采集记录数据, 热电偶分布如图2. 其中
7、 C 点上部对应的蜂窝孔径为30 mm8 mm( w1w2) , 其余各点对应的蜂窝孔径均为30 mm15 mm( w1w2) . 1994年夏季, 对安装了这样3块塑料蜂窝板的平板集热器与普通平板集热器进行了闷晒对比实验研究 2. 闷晒实验表明: C 点的闷晒温度明显高于其它点的闷晒温度, 因而两种孔径的蜂窝相比, 孔径为30 mm8 mm( w1w2) 的蜂窝能更有效地抑制集热器的表面传热损失.图1 蜂窝结构示意图A 、 B、 C、 D、 E、 F 为热电偶位置 图2 热电偶分布图2 蜂窝板表面热损失理论分析Hollands K G T 3等人, 对吸热板和盖板间使用透明绝热蜂窝板的平板太
8、阳能集热器, 进行了深入的表面传热损失的理论研究.蜂窝板能够有效抑制集热器中的空气对流换热, 所以蜂窝集热器表面热损失主要是由辐 射和导热引起的. 在1979年 Hollands 等人的研究之前, 这两种传热被假设为互不影响, 但这种分析蜂窝孔中辐射和导热复合传热的方法, 在吸热板使用选择性涂层情况下, 低估了两种传热方式之间的相互作用, 从而低估了通过蜂窝结构的传热损失, 理论预测值大约比实验测量值低50% 3. 因而, 集热器采用选择性吸热板, 在计算其表面热损失时必须综合考虑辐射和导热的相互作用. Hollands, Iynkaran, Linthorst 等人都建议在蜂窝板和低发射率的
9、吸热板之间留出空气隙, 使空气隙和蜂窝组成“ 复合蜂窝” , 在一定程度上可降低辐射与导热的相互作用. 本节628北 京 航 空 航 天 大 学 学 报第23卷 介绍了一种计算方法, 在计算含有“ 复合蜂窝” 的平板集热器表面热损失时, 综合考虑了辐射和导热两种散热方式的相互作用.为简化计算, 可把矩形蜂窝转换为圆形蜂窝, 使圆形蜂窝的空腔截面积与矩形蜂窝空腔截 面积相等; 而圆形蜂窝壁的横截面积等于矩形蜂窝壁厚取实际值一半时的横截面积. 等效的单个蜂窝孔结构示意图如图3.( a) 等效蜂窝结构 ( b) 坐标系统图3 等效蜂窝孔结构及坐标系统示意图固体部分指蜂窝壁, 气体部分为普通空气, 在
10、蜂窝与吸热板之间留有空气隙. 为方便理论分析, 作如下假设:1) 由于结构对称, 蜂窝孔之间没有传热, 因此蜂窝孔的外壁认为是绝热的;2) 由于蜂窝内径向温度变化很小, 认为在任意高度 z 气体与固体的温度相同;3) 蜂窝壁为镜面.Hollands 4等人根据蜂窝孔壁的辐射、 导热平衡关系, 得到了蜂窝孔沿高度方向温度分布T ( z) 的微积分方程, 其中含有蜂窝板上下相邻冷板和热板的有效辐射 Jc和 Jh, 它们又分别以积分关系与 T ( z) 相关, 这样就得到了三个方程, 这三个方程包含的角系数都可以写成 dF( z,z ) 的形式, 它是沿蜂窝壁高, 在 z 位置、 高为 dz 的圆环
11、, 与另一位置 z 处高为 dz 的圆环间的辐射换热角系数. 对 dF( z, z ) 引入“ 幂核近似式” 为dF( z, z ) = ( C/ D) exp( - bz - z / D)( 1)C 和b 是依赖于蜂窝壁发射率 E和长径比 L/ D 的常数, b= 2CE .若假设 ThTwTc, 则( T4w- T4c) / ( T4h- T4c) = ( Tw- Tc) / ( Th- Tc) . 在线性化了辐射传热的温度四次方关系后, 无量纲化这3个方程, 就可以得到W- 1d27 / dN2= Yc+ 7 - 0. 5Bhe- bA / 2- bN- 0. 5Bce- bA / 2+
12、 bN-629第5期袁卫星等: 蜂窝平板太阳能集热器研制及闷晒性能实验CEA/ 2- A/ 2Yc+ 7 ( G) e- bN - GdG( 2)其中, W 是辐射-导热无因次数.W = 4E R( T4 h- T4 c) D/ ke( Th- Tc)( 2 )Bh= EhYh+ ( 1 - Eh)Bc1 -e- bA/ C + 2EA/ 2- A/ 2Yc+ 7 ( G) e- b( A/ 2+ G)dG( 3)Bc= EcYc+ ( 1 - Ec) Bh1 -e- bA/ C + 2EA/ 2- A/ 2Yc+ 7 ( G) e- b( A/ 2+ G)dG( 4)对 N两次微分式( 2)
13、 , 然后回代式( 2) 积分, 可以得到d47dN4- ( W + b2)d27d2N= 0( 5)在这里, 式( 2) , 式( 5) 仅适用于用蜂窝区( - L/ 2z L/ 2) ; 在空气隙区, 仅有空气导热,可应用稳态一维导热方程d27 / dG2= 0( 6)式( 5) , 式( 6) 的通解分别为7 ( N ) = #1+ #2N+ #3epN+ #4e- p N( 7)7 ( G) = #7+ #8G( 8)通解中的系数常数 #、 V可由辅助关系来确定, 这些辅助关系包括温度连续性条件, 热流量连续性条件等. 所有的系数常数构成如下88阶的线性方程组U # = V( 9)对
14、U 求逆, 矩阵( #1, #2, , #8) 即可求出.式( 9) 求出后, 集热器表面损失的热流量 q 和表面总传热系数 hT可通过热板处的热流量来计算hT= - ( kg/ D) #8+ Eh/ ( 1 - Eh) ) R ( T4h- #5( T4h- T4c) ) / ( Th- Tc)( 10)q = hT( Th- Tc)( 11)3 对比实验及算例集热器吸热板与盖板间的空气对流热损失, 取决于蜂窝绝对高度 L、 特性尺寸 D 及与蜂窝相临的吸热板和盖板间的温差 $T. 1995年夏季, 用北京太阳能研究所生产的1 m1 m 平板集热器, 在吸热板和盖板之间加入了规格为900 m
15、m900 mm60 mm( GML) 的矩形孔蜂窝板并重新做了闷晒对比实验 2, 根据 Buchberg 5提供的曲线图可知: 此蜂窝抑制了集热器中的空气对流热损失, 因而在计算该集热器表面热损失时, 只需计算辐射和导热损失.选取有代表性的1995年7月24日的测量数据, 太阳辐射强度、 吸热板平均板温如图4所示. 根据闷晒实验得到的测量数据和本文介绍的方法, 作者编制了 C 语言计算程序计算了蜂窝平板集热器的表面总热损失系数; 普通集热器的表面热损失系数由生产厂家得到, 结果见表1.由图4可以看出, 蜂窝平板集热器的平均板温( 吸热板各点板温的算术平均值) 在各时刻均高于无蜂窝平板集热器的平
16、均板温, 且在中午12时至下午1时之间温差最大, 达21. 34, 这是由于午间太阳的辐射角小, 蜂窝的阳光透过率增高的缘故. 表1则显示: 安装了透明蜂窝板的集630北 京 航 空 航 天 大 学 学 报第23卷 热器, 其表面热损失系数比普通集热器约低22% ; 因集热器的表面热损失约约占集热器总热损失的90%, 因而蜂窝平板集热器的总热损失系数也比普通集热器约低20%, 大大提高了集热器的效率. 两集热器加水的闷晒对比实验也表明, 蜂窝平板集热器集热效率比普通集热器提高 10%20%, 验证了本文给出的计算蜂窝集热器表面热损失的方法.图4 太阳辐射强度及吸热板温度对比曲线图表1 集热器表面热损失系数表时间/ (h:min)集热器吸热板平均板温/ 集热器表
