太阳能集热器是一种将太阳辐射能转变为热能来加热工质的特殊热交换器,是太阳能利用系统中的关键部件。因此,对太阳能集热器的性能分析和评价显得非常重要。传统的太阳能集热器换热系统的性能分析主要采用热平衡方法即热效率法11.该法只注重热量传递的满足,即能量的利用程度;同时,该法主要考虑集热器的热性能,而忽略了集热器的流阻性能。为了对太阳能集热器的性能作出全面和科学的分析评价,一些学者采用圈分析方法或热力学第二定律分析方法对太阳能集热器的性能进行了分析|2~4.该法从能质的角度,将太阳能集热器换热系统的热性能及流动性能有机地结合在一起,探讨集热器的能量特性。然而,应当指出的是,以上在对集热器进行能质分析时,不是没有考虑太阳能集热器中工质的流动性能,就是在假定集热器中工质的管道或通道处于恒热流或恒壁温这两种工况下进行的。而由太阳能集热器传热过程的分析可见,太阳能集热器中工质的管道既不处于恒热流工况也不处于恒壁温工况,因此,上述假定不符合实际。同时,上述分析只考虑了与集热器工质管道有关的参数对集热器热力学性能的影响,而没有考虑其它参数如吸热板对太阳辐射的吸收性能和集热器的热损系数等参数对集热器热力学性能的影响。综上,本文以平板型集热器为例,依据热力学第一、二定律,对其传热和流动过程进行了能质综合分析,并提出一项评价太阳能集热器热力学性能的指标一单位有用收益的Y.损,讨论有关参数对其性能的影响,从而为太阳能集热器的性能分析和评价提供理论1平板型集热器的温度分布工质的定压比热,J*kg*K)。
假定F'和U与位置无关,并利用边界条件0,Tf=Tfi,积分上式得沿流动方向上的温度分布为:热器的热损系数,W*m2*K);*集热器单位面积上所吸收的太阳辐射,W/m2;m=U/(X,S),其中S为吸热板厚度,m;V*吸热板导热系数,单位长度集热器所获得的能量即有用收益q为单位长度的管子从其两侧的吸热肋片获得的热量qi与单位长度管子本身所获得的能量q2之和,即:/.以上能量将最终传给管中的工质流体,如不考虑管壁的导热热阻,则q又可表示为:2太阳能集热器的能质分析假定工质流体为不可压缩流体或理想气体,则对如所示的控制体,其温差对流传热引起的熵产dASAr和粘性流动弓I起的熵产dASw分别为丨,为集(7)式代入(8)(9)式并由y=0~L积分得由温差传热引起的总熵产ASat和由粘性流动引起的总熵产ASap分别为:管道对流换热过程在求得流动方向上单位长度集热器的有用收益后,考察如所示的管道流体微元的能量平衡有:GCpdTf=qdy=WF‘S*U(Tf*Ta)dy热器对太阳辐射的吸收性能与热损的相对大小;NTi=(Tfi*Ta)/Tfo为无因次入口换热温差;t=hi/(CpUm)为斯坦顿数;Nl=L/Di,为无因次长的摩擦阻力系数,Re=(umA)/ Nf皆为无因次量,其中Nx=UW/、X为流体的导热系数;Ndw,=D/W;Nu=(hiDi)/人,为努谢尔特数。
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