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碳化硅多孔陶瓷太阳能空气集热器的数值模拟

可再生能源 2023年第3期41卷 314-320页

作者：王罗坚孙健李志威杜海权谢凡景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院江西景德镇333403

文章提出了一种以碳化硅泡沫陶瓷作为吸热板的双层玻璃盖板太阳能空气集热器,并在直通结构的基础上,设计了一种折流通道结构。建立了集热器的三维物理数学模型,采用有限体积法对模型进行了求解,对太阳辐射强度、介质入口流速与入口温度... 详细信息

文章提出了一种以碳化硅泡沫陶瓷作为吸热板的双层玻璃盖板太阳能空气集热器,并在直通结构的基础上,设计了一种折流通道结构。建立了集热器的三维物理数学模型,采用有限体积法对模型进行了求解,对太阳辐射强度、介质入口流速与入口温度对性能的影响进行了分析。结果表明,在太阳辐射强度为800 W/m^(2)的条件下,介质入口流速为1~6 m/s,直通式模型和折流式模型的最高集热效率分别为80.12%,78.49%,最高的出口温度分别为312.2,326.87 K。相同条件下,两种集热器的集热效率相比传统的板式集热器提升了20%~30%。研究结果为碳化硅泡沫陶瓷材料提供了一种新的工程应用方向,并为太阳能集热器的优化设计提供了理论基础。

关键词：泡沫陶瓷太阳能空气集热器折流通道有限体积法集热效率

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太阳能空气集热器强化传热技术的发展现状

区域供热 2023年第4期 64-71页

作者：颜一鸣赵一鸣山东建筑大学热能工程学院山东济南250101 广东海悟科技有限公司广东东莞523000

综述了太阳能空气集热器强化传热的研究现状。首先介绍了3种太阳能空气集热器的基本流道结构及其优缺点。之后基于3种基本的流道结构,介绍了4种太阳能空气集热器的主要强化传热类型(折流板型、扰流器型、波纹板型与多孔填充床型),并详... 详细信息

综述了太阳能空气集热器强化传热的研究现状。首先介绍了3种太阳能空气集热器的基本流道结构及其优缺点。之后基于3种基本的流道结构,介绍了4种太阳能空气集热器的主要强化传热类型(折流板型、扰流器型、波纹板型与多孔填充床型),并详细介绍了这4种强化传热类型的发展脉络。最后指出了太阳能空气集热器内强化传热研究的发展趋势。

关键词：太阳能空气集热器强化传热集热效率

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太阳能空气集热器流道高度优化

节能 2023年第10期42卷 39-41页

作者：孙陆萌崔延昌云腾山东省机场管理集团有限公司山东济南250107

利用Fluent软件分析不同流道高度对太阳能空气集热器(SAH)性能的影响。结果显示:空气流量为0.009 0~0.055 6 kg/s时,流道高度从50 mm增加到150 mm,SAH的集热效率降低13.11%~2.98%,热损系数增加0.42%~2.63%,㶲效率降低23.05%~7.51%。研究... 详细信息

利用Fluent软件分析不同流道高度对太阳能空气集热器(SAH)性能的影响。结果显示:空气流量为0.009 0~0.055 6 kg/s时,流道高度从50 mm增加到150 mm,SAH的集热效率降低13.11%~2.98%,热损系数增加0.42%~2.63%,㶲效率降低23.05%~7.51%。研究表明,当SAH流道高度为50 mm时,集热效率与㶲效率最高。

关键词：太阳能空气集热器集热效率㶲效率压力损失热损系数

温室用太阳能空气集热器-空气源热泵系统构建及性能研究

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温室用太阳能空气集热器-空气源热泵系统构建及性能研究

作者：牛轶男兰州理工大学

学位级别：硕士

温室内的温度、相对湿度、空气流速、供暖装置的使用以及供暖方法的设计,都是影响温室内植株生长发育的关键因素。但是由于“温室效应”会导致温室大棚内空气温度的过度升高,对植株的正常生长发育带来影响,因此要做好通风,而温室内空气... 详细信息

温室内的温度、相对湿度、空气流速、供暖装置的使用以及供暖方法的设计,都是影响温室内植株生长发育的关键因素。但是由于“温室效应”会导致温室大棚内空气温度的过度升高,对植株的正常生长发育带来影响,因此要做好通风,而温室内空气温度远超过外界环境温度,所以这些热量具有一定的利用价值,但是怎样把这些热能加以使用变成了一个难题。此外,为了提供植株在温室里正常生长发育所需要的温度,在严寒的夜间以及冬季,人们通常要对温室实施供暖,但是供热装置不够完善的现象在现有温室普遍存在,而常常以燃煤为代价来提供热量,也造成了严重的环境污染和一次能源的消耗。因此,本文提出了温室用太阳能空气集热器—空气源热泵系统,将太阳能技术和热泵技术相结合,在连续阴天及冬季提供足够热量,实现了对温室的高效供暖,同时可根据换热器的特点实现温室内湿空气的热湿回收,系统旨在为温室内植物的生长提供全天候适宜环境。本文以甘肃省兰州市的温室为试验目标,试验研究了系统在不同典型工况下的运行性能,评价了供暖季系统的节能效益、环保效益和经济效益。本文主要研究内容和结论如下:(1)对系统进行搭建工作,给出了相关的测试方案和控制策略,首先对温室内温湿度分布情况进行试验研究,结果表明:白天太阳辐射较强时,温室内的测点越靠近棚膜,所测温度越高,同一测点的湿度与温度呈相反的变化趋势。(2)供暖季晴天工况下集热器的集热效率为56.2%,雪天工况下的集热效率为23.6%。太阳辐射越强,集热器的集热效率越高,集热性能越好。(3)针对供暖季不同典型工况下系统运行的试验数据,对系统的制热性能进行分析研究可得:系统在晴天、多云、阴天工况下的制热量分别为:100.2 kW·h、112.3 kW·h、157.8kW·h,耗电量分别为:30.1 kW·h、36.1 kW·h、53.6 kW·h,单空气源热泵的COP分别为3.4、3.2、3.0,太阳能热泵COP分别为4.0、3.5、3.1,系统能效比分别为3.3、3.1和2.9。(4)在系统中加入热湿回收模式后,对两种不同的热湿回收运行方式进行研究。一种为换热器—风机模式,一种为热湿回收联合热泵模式。在热湿回收联合热泵模式下,空气和水的温差最大,故与温室内热空气的换热量也最大,热湿回收联合热泵模式的集热量比换热器—风机模式高66.7%。(5)针对非供暖季不同典型工况下系统运行的实验数据,分析研究可得:系统在晴天、多云、阴天工况下水侧热泵COP分别为4.2、4.2、0,太阳能热泵COP分别为4.4、4.2、4.0。热湿回收模式下水侧集热量分别为9.6 kW·h、8.9kW·h,空气出口平均温度降低5.6℃、5.3℃,有效防止温室在通风过程中热量和湿度全部散失掉。(6)从节能性分析,该系统整个供暖季累计供热量16938.3 kW·h,若采用传统能源煤,可节约3713.02kg标准煤;从环保性分析,该系统运行期间二氧化碳的减排量为9884.06 kg、二氧化硫的减排量为74.26 kg、氮氧化物的减排量为74.26 kg,烟尘的减排量为37.13 kg;从经济性分析,温室用太阳能空气集热器—空气源热泵系统初投资较高,但运行费用少,动态投资回收期为6.6年。本文设计和建立了温室用的太阳能空气集热器—空气源热泵系统,将太阳能技术和热泵技术结合,形成太阳能热泵供暖的新技术,实现了对温室的高效供暖,同时可实现温室内湿空气的热湿回收,为温室内植物的生长提供全天候适宜环境。

关键词：太阳能空气集热器空气源热泵热湿回收 COP 系统能效比

凸起型粗糙太阳能空气集热器热性能及多目标优化研究

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凸起型粗糙太阳能空气集热器热性能及多目标优化研究

作者：庄培尧兰州交通大学

学位级别：硕士

太阳能作为最重要的清洁能源之一,因其具有“相对较高的转换效率和较大的技术开发空间”,目前已广泛地应用于工农业生产、日常生活等方面。太阳能空气集热器是太阳能光热利用的核心设备,“双碳目标”下开发高效的太阳能空气集热器对于... 详细信息

太阳能作为最重要的清洁能源之一,因其具有“相对较高的转换效率和较大的技术开发空间”,目前已广泛地应用于工农业生产、日常生活等方面。太阳能空气集热器是太阳能光热利用的核心设备,“双碳目标”下开发高效的太阳能空气集热器对于改进太阳能热利用技术、推动清洁能源利用进程具有重要的现实意义。太阳能空气集热器相比液体集热器虽然不存在结冻等问题,但由于空气的导热系数低加上传统型光滑吸热板表面层流底层的存在,导致空气与吸热板之间的换热能力较弱。因此,在吸热板上增设人工粗糙的被动强化传热技术,得到了快速发展。其中在吸热板上冲压凸起结构既可以增大对太阳辐射的吸收又可以显著地提高换热能力。本文以此为导引,建立了吸热板上具有凸起结构的太阳能空气集热器,对凸起结构的几何参数和集热器的运行参数进行分析讨论,以此来提高凸起结构在集热器领域的技术水平。主要工作如下:(1)综合V型结构利用二次流强化传热和离散排列可以大幅减小流动阻力的优势,本文在吸热板上以V型离散方式分别冲压具有“高传热、低流阻”优势的圆锥形凸起、抛物面形凸起、圆台形凸起和正三棱锥形凸起,对比不同形状凸起结构对集热器换热、流动和综合传热性能的影响,将计算结果与光滑板结构集热器进行了对比。结果表明:4种具有凸起结构吸热板的太阳能空气集热器传热性能相比光滑板结构集热器均有大幅度提升,其中圆台形凸起结构集热器的综合传热性能最佳。(2)用单因素分析法对圆台形凸起结构的几何参数深入分析,对其不同凸起高度和凸起间隙以及V型排列间距和气流攻击角对吸热板表面平均努塞尔数、摩擦系数和综合传热系数的影响进行了研究,通过温度场和速度场等云图揭示人工粗糙强化换热机理。结果表明:在综合传热性能方面,凸起高度10mm最佳,凸起间隙25mm最佳,V型排列间距35mm最佳,气流攻击角60°最佳。(3)用响应面分析法对圆台形凸起结构的几何参数进行深度优化,以吸热板表面平均努塞尔数最大、摩擦系数最小和综合传热系数最大为目标函数,选择合适的响应面模型建立目标函数和不同结构参数之间关系式,根据方差表,分析了不同几何参数之间交互作用对目标函数影响的显著性。结果表明:以不同目标函数进行优化后,与单因素分析的最佳结果相比吸热板表面平均努塞尔数提高了1.3%,摩擦系数下降了35.7%,综合传热系数提高了3.6%。其中,综合传热系数最大时的结构参数为:凸起高度为12mm,凸起间隙为33mm,V型排列间距为46mm,气流攻击角为65°。(4)针对优化后具有最佳几何尺寸凸起结构吸热板的太阳能空气集热器,分析了雷诺数、空气入口温度和太阳辐射强度变化对太阳能空气集热器流动与传热性能的影响。集热器的集热效率、有效效率和吸热板表面的平均努塞尔数随着雷诺数的增大而增大,且增长率逐渐减小,集热器进出口温差和吸热板表面摩擦系数随着雷诺数的增大不断减小。集热器进出口温差随着空气入口温度和太阳辐射强度的增大而增大。集热器的集热效率随着空气入口温度和太阳辐射强度的增大而增大。

关键词：太阳能空气集热器性能评价凸起结构响应面优化数值模拟

碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气集热器的传热特性研究

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碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气集热器的传热特性研究

作者：王罗坚景德镇陶瓷大学

学位级别：硕士

随着全球能源短缺问题的日益凸显与可持续发展理念的不断推动,太阳能因其分布广泛、利用便捷及清洁环保的独特优势逐渐在诸多可再生能源中脱颖而出。太阳能空气集热器作为一种运行稳定、寿命长、高性价比的集热装置而倍受青睐,但是由于... 详细信息

随着全球能源短缺问题的日益凸显与可持续发展理念的不断推动,太阳能因其分布广泛、利用便捷及清洁环保的独特优势逐渐在诸多可再生能源中脱颖而出。太阳能空气集热器作为一种运行稳定、寿命长、高性价比的集热装置而倍受青睐,但是由于空气的热容和导热系数较小、集热器换热面积有限的问题,导致传统太阳能空气集热装置的蓄热与换热能力受到了约束。本文在传统集热技术(渗透式集热器、折流式集热器)与高温型多孔介质集热器的基础上,提出了两种以碳化硅泡沫陶瓷当作吸热板的双层玻璃盖板太阳能空气集热器(D-SAC、S-SAC)结构,通过强化气流扰动、增大换热面积,达到提升集热效率的目的。本文工作主要围绕碳化硅泡沫陶瓷的辐射传热特性实验及碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气集热器的数值模拟展开,具体研究内容与结论如下:(1)通过中温辐射黑度实验得出碳化硅泡沫陶瓷的黑度为0.877,表明该类材料具备优良的热辐射吸收能力;在稳态条件下,当光照强度由65.1 W/m增长到2002.3 W/m时,泡沫陶瓷上下表面的温差由0.7K提升到了5.6K,上表面骨架与孔隙中空气的最大温差不超过1.5K。其热阻由1.56K/W降至0.37K/W,且热阻降低的幅度随着光照强度的增大不断减小;在室外的非稳态闷晒实验中,当光照强度达到900 W/m时,其上表面温度最高提升到了332.5K,下表面温度最高为330.3K,孔隙中空气最高温度为330.4K。综合以上实验结果,认为该材料的性能符合太阳能空气集热器吸热板的应用要求。(2)建立了集热器的三维物理模型和数学模型,采用有限体积法对控制方程进行了求解。(1)就光照强度、介质入口流速、入口温度与环境温度等运行参数对传热性能的影响进行了分析。结果表明:在低太阳辐射强度和较大入口流速的工况下,集热器有较高的热效率,而在高太阳辐射强度与低入口流速的工况下,集热器有更高的出口温度。在入口雷诺数相同的条件下,本文设计的两种集热器热效率比传统的板式太阳能空气集热器提升了20%～30%;集热器的热效率随入口温度的增大而降低,且入口温度越高热效率的下降趋势越明显,较低的入口温度更有利于提升集热器的热效率;集热器的热效率随环境温度的增大而上升,低环境温度会造成较大的热量损失,不利于集热器的高效运行;基于集热器的入口空气温度和环境温度,将二者的温差与对应光照强度的比值定义为归一化温差T*,通过曲线拟合的方法得出D-SAC模型和S-SAC模型集热效率η与T*的变化关系式分别为η=0.737-5.175T*与η=0.651-2.66 T*。(2)就孔隙率、孔隙密度、孔径大小和泡沫陶瓷厚度等结构参数对集热器的性能影响进行研究,进一步对集热器的结构进行了优化。结果表明:集热器的热效率与压降随着入口空气流速的增大而增大,但热效率上升的幅度逐渐减小,而压降呈指数型曲线增长;当孔隙率不变时,集热器压降随泡沫陶瓷孔隙密度的增大逐渐上升,但是孔隙密度的改变不会对集热器的热效率造成较大影响;孔径大小是影响集热器整体压降的主要因素,集热器的压降随泡沫陶瓷孔径的增大而减小。在本文所选的5种不同结构参数的泡沫陶瓷材料中,当孔隙率为0.88,孔隙密度为10PPI时,集热器的热效率最高;保持集热器的进出口尺寸不变,在泡沫陶瓷的厚度分别设定为25mm、30mm、35mm、40mm与45mm的情况下,集热器的压降随泡沫陶瓷厚度的增大而逐渐减小,当厚度为30mm时集热器传热性能最优。本文的研究结果为碳化硅泡沫陶瓷材料提供了一种新的工程应用途径,并为以多孔介质为吸热体的太阳能集热器的优化设计提供了理论基础。

关键词：太阳能空气集热器折流泡沫陶瓷传热特性有限体积法

正截球体型涡流发生器在太阳能空气集热器中的应用研究

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正截球体型涡流发生器在太阳能空气集热器中的应用研究

作者：张义仁燕山大学

学位级别：硕士

太阳能空气集热器作为一种常见的光热转化装置,可以将太阳辐射能转化为空气内能,被广泛应用于建筑物辅助供热,农作物和木材的干燥等领域。为了克服平板型太阳能空气集热器中换热强度低的局限性,本文提出了一种新型正截球体型涡流发生器... 详细信息

太阳能空气集热器作为一种常见的光热转化装置,可以将太阳辐射能转化为空气内能,被广泛应用于建筑物辅助供热,农作物和木材的干燥等领域。为了克服平板型太阳能空气集热器中换热强度低的局限性,本文提出了一种新型正截球体型涡流发生器并将其应用在集热器中,因其自身特殊的扰流特性,在理论上可实现强化换热的同时,又能在一定程度上降低流动阻力。首先,通过搭建涡流发生器型太阳能空气集热器室内实验台,从实验角度验证了正截球体型涡流发生器提高集热器性能的可行性。实验探究了涡流发生器四个结构参数(偏转角度、横向间距、纵向间距和高度)以及雷诺数Re的变化对集热器性能的影响。并在实验数据的基础上,使用最小二乘法拟合出了Nu和f与Re以及涡流发生器结构参数之间的函数关联式,且两个关联式的平均预测精度分别为97.46%和91.4%,皆能良好地预测集热器内部传热特性和流动特性。其次,通过Meshing、Fluent等软件构建了涡流发生器型太阳能空气集热器的数值模型,借助数值模拟手段深入分析了正截球体型涡流发生器强化换热机理和流动特性。在实验结果的基础上,进一步拓展了涡流发生器结构参数的数量和范围,并详细分析了各参数对集热器性能的影响,包括偏转角度、横向间距、纵向间距、高度、圆周角、纵向排列角、交错排列比以及开洞方式等八个结构参数。结果发现前五个结构参数对集热器性能的变化有显著影响,但后三个参数并不会对集热器性能造成实质性的影响。最后,以MATLAB和Design Expert软件为工具,依次经过BBD法设计试验、最小二乘法建立输入值和输出值之间联系、非支配遗传算法进行寻优计算等步骤展开对涡流发生器进行结构参数优化,得出了正截球体型涡流发生器结构参数的最优值组合以及对应的集热器性能最优值,为本集热器的工程化应用提供了理论基础。在本章最后还将本集热器的优化结果与同类文献进行了比较,发现本文设计的新型涡流发生器引起的集热器性能增强效果在同类涡流发生器中位居前列。

关键词：太阳能空气集热器涡流发生器强化换热实验探究数值模拟参数优化

太阳能空气集热器与相变墙复合采暖系统试验研究

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土木工程学报 2010年第S2期43卷 430-434页

作者：刘馨冯国会黄凯良韩舒伊崔洁沈阳建筑大学辽宁沈阳110168

可再生能源的开发与利用已经成为我国建筑节能领域研究的热点问题。通过对寒冷地区房间太阳能热风采暖分析,提出一种新型的太阳能空气集热器,使其与相变储能墙复合采暖,目的是提高太阳能的利用率,节约传统能源。运用差示扫描量热分析仪(... 详细信息

可再生能源的开发与利用已经成为我国建筑节能领域研究的热点问题。通过对寒冷地区房间太阳能热风采暖分析,提出一种新型的太阳能空气集热器,使其与相变储能墙复合采暖,目的是提高太阳能的利用率,节约传统能源。运用差示扫描量热分析仪(DSC)对不同比例的癸酸和月桂酸混合物的相变温度和相变焓值进行测试,选择在室内舒适温度范围内具有高潜热和合适相变温度的混合比例,用于相变蓄热。白天由太阳能空气集热器加热室内空气,热空气通过相变墙后进入室内,相变材料蓄热;夜间相变墙辐射换热加热室内空气,相变材料放热。系统试验结果显示:①太阳能利用率达到30%以上,晴朗的白天,室内温度可达15～16℃(未加入辅助热源),满足采暖的基本要求;②将相变材料布置在内壁可以使室内的温度波动变小,从而得到更好的热舒适性。此采暖系统运行安全可靠,能显著提高室内温度,降低室内温度不均衡度,具有一定的应用前景。

关键词：相变墙蓄热太阳能空气集热器节能

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平板型双流道太阳能空气集热器热性能研究

太阳能学报 2016年第10期37卷 2562-2568页

作者：王林军高章维张东刘伟兰州理工大学机电工程学院兰州730050 兰州理工大学能源与动力工程学院兰州730050

基于已产业化应用的平板型太阳集热器,在长度方向上加工形成空气流道,进出口位置以对角线形式布置,提出一种平板型双流道太阳能空气集热器,搭建空气集热器实验平台,对改型后的集热器进行空气集热实验与分析。研究结果表明:在太阳辐射强... 详细信息

基于已产业化应用的平板型太阳集热器,在长度方向上加工形成空气流道,进出口位置以对角线形式布置,提出一种平板型双流道太阳能空气集热器,搭建空气集热器实验平台,对改型后的集热器进行空气集热实验与分析。研究结果表明:在太阳辐射强度及环境温度平均值分别为535.2 W/m^2和22.2℃、空气质量流量为0.024 kg/s时,基于采光面积的集热效率平均值与最大值分别为51.29%和53.93%,空气最大温升与最大温差分别为60.4℃和40.6℃,热迁移因子为0.55;以对角线形式布置的空气进、出口和空气的双流道式流动,可增加空气流道长度,强化与吸热板的对流换热。这种空气集热器具有改型方便、成本低廉、易于产业化生产等优点,可广泛应用于采暖、干燥、通风等方面。

关键词：太阳能空气集热器集热效率总热损系数热迁移因子归一化温差