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平板太阳能集热器的传热分析及设计优化

作　者: 高腾
导　师: 赵军
学　校: 天津大学
专　业: 热能工程
关键词: 平板集热器 传热分析 设计优化 理论分析 实验研究
分类号: TK513
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


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%。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
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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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 特殊热能及其机械 > 太阳能技术 > 太阳能转换装置和设备
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