真空集热管（共4篇）
真空集热管 篇1
1 设计准则
1.1 玻璃外管设计准则
玻璃材料为典型的脆性材料, 其抗拉能力低于抗剪能力, 同时均低于抗压能力, 所以全玻璃真空集热管断裂失效设计准则应该遵守最大拉应力准则。根据这一准则, 脆性断裂的判据为:σ1=σb
相应的设计准则为:σ1≤[σ]
在上述公式中, [σ]=σb/nb, σb为材料的强度极限;nb为相对应的安全因数;σ1为材料最大拉应力。
查阅《全玻璃真空太阳集热管》国家标准, 硼硅玻璃3.3的抗张强度为35~100MPa, 分布范围较宽, 说明这种玻璃材料具有分散性。取值=σb35MPa;查阅《机械工程设计手册》对于脆性材料, 取值范围为2.0~3.5, 为确保设计的可靠性取值nb=3.0。
玻璃管判据1计算可得:[σ]=35/3.0=11.7MPa。因此在真空管设计计算中, 相应的最大拉应力设计准则为:σ1≤[σ]=11.7MPa。
玻璃管判据2计算可得:[σ]=100/2=50MPa。因此在真空管设计计算中, 相应的最大拉应力设计准则为:σ1≤[σ]=50MPa。
普通玻璃管在加工过程中, 多处存在划伤磨伤缺陷, 因此宜采用玻璃管判据1。太阳能炊具采用玻璃金属封接真空集热管, 管口玻璃划伤极少, 可采用玻璃管判据2。
1.2 不锈钢内管设计准则
太阳能炊具玻璃金属封接真空集热管内管为外径101mm, 壁厚1mm不锈钢管, 外管为外径120mm, 壁厚3mm的高硼硅3.3玻璃管, 内外管在管口处采用压封玻璃金属封接。玻璃金属真空集热管作为太阳能炊具吸热部件, 温度最高可达到400℃。内管为不锈钢, 许用应力随温度变化而变化。参考GB150-1998及GB/TB14976, 材质为SUS304, 材料0Cr18Ni9, 许用应力随温度变化而变化。对应的安全因数可根据相关文献选择。当温度在300℃时, 许用应力为85MPa;当温度在400℃时, 许用应力为79MPa可知, 不锈钢抗拉强度远大于玻璃的抗拉强度 (11.7MPa) 。集热管受力分析计算时, 只考虑外管的受力, 尤其是内管及内管盛装物品对外管管口的受力影响。
2 模型建立及受力分析
如下图1所示, 真空管横向放置时, 内管重力作用下的受力分析可以简化A端 (管口) 固定, B端卡子支撑端有支撑的模型。
根据模型进行受力分析, 可以建立相关计算公式。
内管承受大气压力以及自身重力、外界的支撑力。装满水时, 承受水的压力, 整体表现为拉应力, 并对管口产生拉应力。
根据细长梁的相关公式, 真空管内的最大弯曲正应力是最大剪切应力的上百倍。
当长度2.1米时, σMAX/τMAX=105;
当长度1.5米时, σMAX/τMAX=75。
为此在计算过程中, 仅考虑拉应力, 可以忽略剪切应力的影响。
正常情况下管口静态受力分析:
正常情况下, 一端简单支撑, 另一端固定梁受力的经典分析认为, 简支端受力RB在正常情况下为3q L/8。采用以上公式, 对以下几种尺寸真空管的静态受力状况进行计算。
如下表1所示:
表1:玻璃金属真空集热管, 内管外径101mm, 壁厚1mm, 平放及倾斜角度45°管口抗拉应力分析数据。
从表1可以看出, 管口抗拉应力随着集热管内管长度增加而增加。根据玻璃管判据2, 抗拉应力小于50MPa。
平放时, 长度2.5米在管口形成抗拉应力达到50MPa;倾斜角45°时, 长度2.1米在管口形成抗拉应力达到50MPa。
由于玻璃是脆性材料, 应力的离散性比较大, 即使计算应力小于许用应力, 如果加工过程中存在缺陷, 实际应力会偏离计算结果。
摘要：对采用压封结构的玻璃金属封接真空太阳集热管封接应力进行了理论分析和计算。计算结果表明, 可通过选择合适的支撑卡和一定长度的玻璃管达到玻璃金属封接真空集热管受力基本平衡的目的。
关键词：玻璃金属封接,受力分析,静态受力分析
参考文献
[1]殷志强, 薛祖庆, 贾铁鹰.全玻璃真空太阳集热管.GB/T17049-2005.
[2]化学工业出版社.机械工程设计手册.
[3]全国压力容器标技委.钢制压力容器 (2003年修订) GB150-1998.
[4]流体输送用不锈钢无缝钢管.GB14976-2002.
真空管式热管太阳能集热器的研究 篇2
随着煤、石油等能源的不断使用对环境造成的污染,作为清洁、高效的新能源——太阳能,得到了大量关注。太阳能的利用是热点话题,其利用方式也是多种多样。目前而言,其中最成熟、应用最广泛的是利用太阳能为城市居民提供热水。随着太阳能热水器的发展,其核心部件太阳能集热器技术已有了长足进步,而其中热管式太阳能集热器是新型、高效的形式。
1 热管式太阳能集热器
自热管正式出现以来,众多科技工作者对的不断研究使得热管技术得到了很快的发展。现有热管理论是建立在相变传热的基础上的,导热系数极高,比银、铜、铝等金属热导体高出几个数量级[1],正是由于其优良的热性能,使其在热利用方面得到了广泛的应用。
目前市场上的集热器有以下几种形式:闷晒式热管集热器、平板式热管集热器和真空管式热管集热器[2]。其中,闷晒式热管集热器的结构简单,制造方便,易于安装且价格较低,但保温性能比较差。
1.1 平板式太阳能集热器
平板式热管太阳能集热器的工作原理是太阳光照射到两层平板玻璃表面,太阳能热量被外表面涂有热吸收涂层的平板吸收,热管受热达到其工作温度后,通过内部工质的相变过程将吸收的热量传送给蓄热器,从而达到加热水的目的。与普通平板太阳能集热器相比较,平板式热管太阳能集热器具有传热效率高,工况稳定,抗冻能力强,使用寿命长等特点[3]。
但是平板式热管太阳能集热器也有缺点:由于它是依靠平板式热管太阳能集热器和集热板之间的对流传热和导热来传递热量,这就使得其热损失比较大,日平均效率只有50%或更少[4]。限制平板式热管太阳能集热器的主要原因在于现有的加工技术不成熟,导致其在性价比上没有较大的竞争优势,热管平板集热器还有很大的改进空间。
1.2 真空管式热管太阳能集热器
真空管式热管太阳能集热器是一种玻璃—金属封接的真空集热管。热管式真空管由热管、吸热板、金属盖、消气剂等主要部件组成。热管采用铜—水重力热管;吸热板上涂有高温选择性吸收涂层;玻璃管选用高透过率、高强度的硼硅玻璃;金属与玻璃的封接采用国际先进的热压封工艺,内外玻璃管内抽成高真空,层内放吸气剂以保持其长期真空度。
真空管式热管的结构如图1所示。
热管式真空管太阳能热水器的工作原理是:热管式真空管分为下面的蒸发段和上面的冷凝段。下面的蒸发段由内外两层同心玻璃圆管组成,外层圆管为透明玻璃管,太阳能以很高的透射率穿过外层玻璃管。内层玻璃管外表面涂有吸收太阳能的涂层,内外管间是被抽成真空的,以阻止内层吸热后的散失。内层玻璃管内装有易蒸发的液体,太阳光透过外管被内管外表面涂层吸收,内层管内液体受热成为蒸汽。蒸汽上升至冷凝段,冷凝段为蒸发段内层的延伸,只有一层玻璃管,外表面没有涂层。冷凝段插入热水器储水箱中,与水箱的冷水接触。蒸汽被水箱内的冷水冷却为液体,向冷水放出热量加热冷水,凝结液体在重力作用下流回下面的蒸发段进行循环工作。
通过热管内工质周而复始的在蒸发段吸收太阳能成为蒸汽、蒸汽在凝结段向水箱内水凝结放热的过程,储水箱内水温不断上升,从而获得热水。
目前我国主要有三种真空管式热管集热器,如图2。
从造价、集热效果、安全性等综合因素评价,真空管式热管集热器是较适合在大规模系统中应用。它利用热管传热,干性连接,管内不走水,所以抗冻能力突出,适合高寒地区[5]。与平板式热管太阳能集热器相比,热管式真空管太阳能集热器的热损失小,日平均热效率高。但玻璃真空管涉及玻璃套管的生产制造等,工艺较为复杂,有待技术改进。
2 热管真空管集热器的发展改进
2.1 新型分离热管真空管式太阳能热水器
目前广泛使用的是重力热管式太阳能真空管,工质冷凝后是靠重力降落回真空管的底部蒸发段。这样的设置虽然简单易行但同时也带来了问题:如果传热速度过慢,气态工质在冷凝段没法迅速冷凝放热凝结成液体,那么蒸发段的液体工质将不断减少,这就使得热管的效率大大降低。同时,由于气态工质在冷凝段没有快速冷凝,而下方又不断有来自蒸发段的气态工质补充,这就使得热管真空管上部的压力不断上升,严重时可能造成炸管的危险,对太阳能的安全运行极为不利。
针对上述热管式真空管太阳能集热器仍存在的不足之处,有学者研究提出一种新型分离热管式太阳能热水器。分离式热管利用特殊的结构和毛细织物,将冷凝液均匀输送到各蒸发段,而且冷凝液从蒸发段上部进入蒸发管,形成降膜蒸发,冷凝液达到了均匀输送的目的。因此,这种新型分离热管式太阳能集热器具有突出优势,值得推广。其结构图如图3。
对于上述热水器,其工作过程简述如下:当有太阳能照射到热水器时,蒸发段内的液体工质吸热蒸发成气态,气态工质由蒸汽上升段上升进入到被贮水箱内冷水包裹的冷凝器中。气态工质冷凝放热给冷水从而变回液态的工质,经由倾斜的冷凝器,滑落到冷凝下降段。此时液态工质与粘附于蒸发段上部的特殊材料——毛细织物接触,液态工质经由毛细织物沿着蒸发段管壁慢慢滑落到蒸发段底部,在蒸发段管壁上形成一层工质薄膜,这层工质薄膜使得蒸发段能均匀吸收太阳辐射能蒸发,如此循环往复,从而避免了上文中提到的管内受热不均可能引起炸管的问题[6]。
2.2 CPC型热管式真空集热器
CPC(compound parabolic concentrator)热管式真空集热器是由非跟踪聚焦型的复合抛物面聚光器CPC和热管式真空管组成的新型太阳能集热装置,这种装置应用了CPC聚光技术和热管技术,既可以提高集热温度和集热效率,又可以避免一般集热器的防冻性、结垢性的问题[7]。把CPC技术应用到普通热管式真空集热器上,可以增大吸热板上得到的热流密度,从而可以显著提高太阳能集热器的集热温度。为了达到较高的温度,CPC热管式真空管集热器已经成为目前热管式真空管太阳能热水器的研究热点。CPC热管式真空管集热器是一种新型的太阳能集热装置,它运用了真空技术和热管技术,具有热损失少、热容量小、热二极管性及工作范围宽等显著优点[8]。
3 结论
(1)热管型太阳能集热器凭借其高导热性、良好的传热性、抗冻性好等突出特点,在太阳能热水器中得到了重要的应用。
(2)作为太阳能热水器的核心部件———太阳能集热器,平板式热管太阳能集热器和真空管式热管太阳能集热器是热管式集热器的应用重点对象,经过本文的比较与论述,综合考虑各方面因素会发现,真空管式热管太阳能集热器更具发展潜力和空间。
(3)太阳能热利用是建筑节能中的重要技术,此外,将热管真空管集热器应用于其它的太阳能系统中,对建筑节能也有着重大的意义。
(4)针对真空管式热管太阳能集热器存在的一些问题,本文也提到了国内一些先进学者提出的新型热管技术,相信在不久就能将技术加以改进,提高集热器的综合性能。
参考文献
[1]文玉良,浦绍选,唐润生.热管在太阳能热利用技术中的应用[J].实用技术,2005,4(2):28-30.
[2]Hammad M.Experimental study of the performance of asolarcollector cooled by heat pipes[J].Renewable Energy,1995,6(1):11-15.
[3]杜海燕,郭航.热管在太阳能热水器中的应用[J].化工进展,2008,27(3):390-393.
[4]Riffat S B,Zhao X,Doherty P S.Developing a theoretical model toinvestigate thermal performance of a thin membrane heat-pipe solarcollector[J].Applied Thermal Engineering,2005,25(5-6):899-915.
[5]杨文标.热管式真空管太阳能[J].福建建筑.2009,8(134):145-148.
[6]庞立升.新型分离热管式太阳能热水器[J].技术与产品-太阳能,2007,6.
[7]任云锋,鱼剑琳.一种CPC型热管式太阳能集热器的实验研究[J].西安交通大学学报,2007,3(41):292-295.
真空集热管 篇3
关键词：太阳能真空管,集热效率,温度,研究
0 引言
太阳能是取之不尽的洁净能源, 越来越受到人们的青睐, 在居民生活中有着广泛的应用, 其中之一太阳能热水器已广泛应用于家庭。而太阳能热水器供暖建筑住宅, 将极大节约石化能源, 已引起研究者的关注。具体来说, 冬天建筑采暖需要大量的能源, 研究在白天太阳能充足时把能量储存起来, 在晚上或者阴天再释放出来。但在选择储能材料相变点时, 储存多少摄氏度的热水合适, 就需要知道真空管内水温对真空管能量转化效率的影响参数。目前, 这一参数未见任何文献报道。我们拟开展相关的测试研究, 预期研究结果可为大型采暖工程设计提供重要的依据。
1 研究方案
由于在测定过程中太阳的照度会随时间而变化, 为消除影响, 而只考察真空管内水温对光热转化效率的影响。我们购置了笑嘻嘻产太阳能真空集热管6根, 平行朝南放置, 如图1所示;每根集热管外径59mm、长1 800mm, 管内装水2.5kg, 在管的上端插入Pt100温度探头, 该温度计的精度为±0.1℃。在测试过程中, 由于真空管内水量基本不变, 我们近似地用管内水温升高的速率来表示太阳能真空管的集热效率。
实验开始时, 先把每根管灌满水, 上端接上温度计并用隔热海绵塞紧以防热量流失。每根管起先盖上遮阳布, 启动温度纪录程序, 然后每隔一段时间依次打开遮阳布, 纪录每根管水温随时间而变化的关系。
2 研究结果
研究测得的6根太阳能真空管内水温随时间的变化关系如图2所示。
为了便于后续的数据处理, 我们用方程T=a+bt+ct2+dt3拟合这些实验数据, 获得每条曲线的方程参数, 如表1所示。
用这些方程回算的曲线即为如图2所示的拟合线。
用时间对温度求导, 可得到在不同时间点每根集热管的升温速率, 如图3所示。可见, 每根集热管温度升高速率在开始时均随时间延长而降低, 这可理解为随着时间延长, 水温升高, 光热转化效率降低, 因此升温速率降低。但在集热后期, 升温速率反而升高, 则可能与太阳辐射强度随时间的变化有关。
为消除太阳能辐射角度对升温效率的影响, 我们综合图2和图3的结果, 在相同的时间点从图2读出每根集热管的温度, 从图3读出每根管的升温速率, 所获得的温度与升温速率的变化关系如图4所示。
由图4可见, 随温度升高, 所有的集热管均表现出升温速率明显下降的趋势。在20℃左右, 升温速率高达0.7℃/min, 超出高温时段升温速率的1倍以上;在50℃以下的温度范围, 升温速率随温度升高呈直线下降的趋势;当温度高于50℃, 升温速率明显变缓;当温度在70~100℃区间, 升温速率几乎保持不变, 约为0.35℃/min。
当集热管中热水的平均温度为50℃时, 水的升温速率为0.4℃/min。设水的热容量为4.18J/ (℃·g) , 则每根集热管吸收并储存太阳能的速率为0.4×4.18×2 500=4 180J/min, 相当于0.001 16kW·h/min或0.069 6kW·h/h电;如1d的平均集热时间为8h, 则每根集热管每天集热0.557kW·h电。
3 结语
真空集热管 篇4
在传统能源枯竭和日益强调环保的今天,太阳能作为一种无污染可再生能源越来越为人们所重视。怎样更高效又更低成本地采集、利用太阳能,是当今太阳能集热器设计界着重思考并解决的问题[1,2,3,4,5]。对于广泛应用于太阳能热水器中的真空管式太阳能集热器,真空管的管中心距是直接影响集热器性能与成本的重要因素。在真空管数目一定的情况下,通过减小真空管管中心距,会降低集热器的成本,但是同时也会增强管间遮阴作用、降低单根真空管的太阳能采集利用率,导致集热器性能的降低;通过增大真空管管中心距虽然能减弱遮阴作用,使集热器集热量有一定程度地提高,但是同时会导致集热器成本的提高。面对真空管管中心距与集热器能量和成本之间的复杂关系,太阳能集热器生产厂家亟需一个准确可行且同时考虑集热器性能和成本的真空管管中心距优化模型来指导生产。因此,需要综合考虑集热器性能和成本两个因素,建立真空管集热器管中心距优化模型。
目前常见的真空管集热器管中心距优化模型一般选取集热器集热量为优化目标[6,7],在晴天太阳辐射模型[8]的基础上建立真空管管间遮阴模型,得出考虑遮阴的集热器集热量,并得出了考虑集热量的最优管中心距。由于集热器成本也是真空管管中心距优化的一个重要影响因素,在优化管中心距时,应同时考虑成本的影响。因此,有关文献[9]同时考虑了集热器成本和集热器集热量,对模型进行了改进,以性能价格比为优化目标对管中心距进行优化计算,得出了最优管中心距的范围,但是其集热器成本计算模型没有考虑真空管管中心距的影响,且使用的管间遮阴模型[10,11]运算较复杂。到目前为止,没有综合考虑真空管管中心距对集热性能和成本影响的管中心距优化模型。
本研究对已有的管间遮阴模型进行改进,并在此基础上建立综合考虑性能和成本的真空管集热器管中心距优化模型。
1 综合考虑性能与成本的真空管集热器管中心距优化模型
本研究的优化对象为太阳能热水器中的真空管式太阳能集热器,集热器放置角度关系和结构示意图如图1所示。
θ—入射光线入射角;β—集热器倾角
本研究的优化目标为建立综合考虑集热性能与成本的真空管集热器管中心距优化模型。模型结构如图2所示。
本研究的优化模型建立步骤为:(1)建立综合考虑集热器年集热量Eyear与成本C的真空管管中心距优化总模型;(2)建立集热器成本C计算子模型;(3)建立集热器年集热量Eyear计算子模型;(4)为了计算考虑真空管管间遮阴的集热器年集热量Eyear,建立真空管管间遮阴模型。图2中的晴天太阳辐射子模型可参考文献[8],本研究不再赘述。
1.1 综合考虑性能与成本的真空管集热器管中心距优化总模型
为使优化模型能够综合反映集热器集热性能和成本,本研究选取单位集热量的集热器成本Uc为优化目标,对真空管管中心距进行优化计算,当Uc取最小值时,管中心距有最优值dbest,真空管集热器管中心距的优化模型为:
式中:Uc—真空管式太阳能集热器单位集热量的成本,元,为真空管管中心距d的函数;C—真空管式太阳能集热器的成本,元;Eyear—集热器年集热量,MJ;f—单位集热量的集热器成本最小值min(Uc)与管中心距最优值dbest的函数关系。
1.2 集热器成本C计算子模型
本研究根据图1所示的集热器结构,将集热器成本表示为集热器框架、管、保温材料等成本之和,如下式所示:
C集热器框架=V框架材料×[(d(n-1)+2M)×S1+LS×S2](4)式中:C集热器框架—集热器框架成本,元;n—集热器上真空管根数;C管—折合到每根管上的真空管、铜管、总集热流道、吸热铝翼和连接件等的成本之和,元;C保温材料—集热器总集热流道外保温材料的成本,元;V框架材料—集热器框架材料单位体积的价格,元/m3;d—真空管管中心距,m;M—集热器最外侧真空管中心线与相邻平行集热器外缘的距离,m;LS—集热器长度,m;S1—集热器宽度方向集热器框架总截面积之和,m2;S2—集热器长度方向框架总截面积之和,m2。
公式(4)的集热器框架成本计算反映了真空管管中心距d的影响。
1.3 集热器年集热量Eyear计算子模型
本研究中的集热器无反射板,故任意一天的集热器日集热量Endate仅由集热器接收的太阳直射辐射量Endate,1与集热器接收的来自天空散射辐射量Endate,2两部分组成。一年中集热器的日集热量一直变化,为了分析集热器全年的集热性能,对全年日集热量Endate进行累加,采用集热器全年集热量Eyear作为评价参数。Eyear的计算公式为:
式中:Endate—日序数为ndate时的集热器日集热量,J;d Endate,1,d Endate,2—单位时间dt内集热器接收的太阳直射辐射量和天空散射辐射量,J;Ω—时角;Ωr—日出时角,Ωs—日没时角;γ—入射光线与真空管横截面的夹角;iα—平均入射角;τ—透过率;μ—吸收比;IN—太阳直射辐射照度,W/m2;L—真空管长度,m;n—集热器上真空管的根数;c—散射因子[12];α—遮阴角,由真空管管间遮阴子模型求出;fcs,θm,的计算公式见文献[10]。
1.4 真空管管间遮阴子模型
本研究建立真空管管间遮阴子模型的目的是计算集热器年集热量Eyear计算子模型公式(7)中的遮阴角α。
本研究在单根真空管上建立如图3(a)所示坐标系。坐标系原点O经过真空管管中心线,X轴与真空管管中心线重合,Y轴平行于集热器平面,Z轴垂直于集热器平面。真空管管间遮阴一般情况示意图如图3(b)所示;真空管管间遮阴现象的临界情况如图3(c)所示,此时正好无遮阴现象发生。考虑到入射光线在YOZ平面的投影射线与O1、O2两圆同时相切的情况有两种,故有两种临界遮阴情况。由图3中几何关系可得到遮阴角α的计算公式如下:
式中:Ψ—入射光线在YOZ面投影线与Z轴的夹角;ΨC—临界遮阴情况时入射光线在YOZ面投影线与Z轴的夹角;α—遮阴角,为真空管上被遮阴区域在真空管半圆柱面所形成的角度∠AO1B;x—O1A与入射光线在YOZ面的投影方向的夹角,A点为与真空管内管外径圆O2相切的入射光线在YOZ面投影线在圆O1上的交点;θ—入射角,是入射光线与Z轴的夹角;γ-入射光线在XOZ面投影线与Z轴的夹角;D—真空管内管外径,m;d—真空管中心距,m;β—集热器倾角;As—太阳方位角。
2 模型验证
由集热器管中心距优化模型公式(1)可知,C为成本计算的理论值,因此只需验证集热器年集热量Eyear计算模型的正确性。
笔者采用与文献[13]相同的集热器结构和工况,将本研究模型的集热量预测值与该文献实验值比较,如图4所示。对比结果表明,计算值与88%的实验数据误差在10%以内。
3 优化实例与结果分析
本研究以常见结构参数、地理位置和放置情况的太阳能热水器为实例进行优化计算,经优化得出该集热器的性能和成本综合最优的真空管管中心距,并对优化效果进行评价分析。
已知需要优化的集热器的结构参数为管长L=1.8 m,集热器长度LS=2 m,管数n=12,真空管管外径Dout=0.058 m;集热器所在纬度为北纬40°,海拔高度为0.2 km,集热器倾角为30°,集热器朝向正南方放置。
求最优真空管管中心距dbest的步骤为:
(1)设定真空管管中心距的初始值d=Dout;
(2)将集热器所在地地理环境条件及集热器放置角度代入晴天太阳辐射模型中,计算出瞬时太阳直射辐射照度IN;
(3)将集热器所在地地理环境条件、集热器放置角度、真空管管外径和真空管管中心距代入真空管管间遮阴模型中,计算出遮阴角α;
(4)将步骤(2)和(3)的输出量代入集热器年集热量Eyear计算子模型中,计算出集热器年集热量Eyear;
(5)将集热器结构尺寸和各部件及用材单价代入集热器成本C计算子模型中,计算出集热器成本C;
(6)将步骤(4)和(5)计算得出的Eyear和C代入综合考虑性能与成本的真空管集热器管中心距优化总模型中,计算得出单位集热量的集热器成本Uc;
(7)改变真空管中心距的值,重复步骤(1)~(6),得到单位集热量的成本Uc随真空管管中心距d的变化曲线,曲线最低点对应值即为集热器最优管中心距dbest。
本研究根据以上所述优化方法,编写真空管管中心距优化计算软件,软件界面截图如图5所示。用户在软件中输入地理环境参数、真空管结构和放置角度等参数,利用本研究优化模型通过软件计算,输出真空管管中心距优化图和最优管中心距。
利用本研究优化模型进行计算,得出Uc随真空管管中心距d的变化曲线,如图6所示。同时,为了分析不同管中心距d对集热器成本的影响,本研究给出了集热器总成本随管中心距的变化关系图,如图7所示。
根据图6可以看出,在管中心距d为1.2 Dout时,单位得热量的成本最低,为最优管中心距,即对于优化的58 mm管外径的真空管,在管中心距为70 mm时,单位得热量的成本最低。为了对比优化效果,在图6和图7中,同时给出了已有模型得出的最优点(d=2Dout),对比结果表明,采用本研究模型优化管中心距后,集热器单位集热量的成本降低了1.5%,制造成本降低了4.6%。
4 结束语
(1)本研究建立了综合考虑集热器集热性能和成本的管中心距优化模型,采用该模型对常见的真空管管外径为58 mm的太阳能集热器进行优化,得出的最优管中心距为1.2 Dout;
(2)与已有模型优化后的管中心距为2 Dout的集热器相比,利用本研究模型优化后的集热器单位集热量成本降低了1.5%,制造成本降低了4.6%。
摘要：为提高太阳能热水器的性能并降低其成本,通过综合考虑性能与成本对真空管集热器进行了优化,提出了以集热器单位集热量的成本为优化目标的真空管集热器管中心距优化模型。优化模型包括集热器成本计算模型和集热器集热量计算模型,其中的集热器集热量计算考虑了太阳的辐射强度变化与真空管管间遮阴作用。采用该模型对常用太阳能集热器进行了优化。实验结果表明,优化后集热器单位集热量成本降低了1.5%,集热器制造成本降低了4.6%。