黑液太阳能热水器(对流式)换热效率计算

本科毕业设计（论文）自然循环式黑液太阳能集热器的性能研究学生学院材料与能源学院专业热能与动力工程（热电工程方向）年级班别2007级（1）班学号3107007852学生姓名曾嘉全指导教师柯秀芳副教授2011年6月广东工业大学本科生毕业设计（论文）任务书题目名称自然循环式黑液太阳能集热器的性能研究学院材料与能源学院专业班级2007级（1）班姓名曾嘉全学号3107007852一、毕业设计（论文）的内容与要求黑液太阳能集热器是一种不同于平板集热器和真空管集热器的太阳能集热器，具有集热效率高、生产能耗低、造价便宜的优点。本论文将设计和建立自然循环式黑液太阳能集热器实验装置，开展对自然循环式黑液太阳能集热器的集热性能的实验研究，通过实验研究，获得自然循环式黑液太阳能集热器中黑液对太阳能的反射、吸收和投射特性、影响自然循环式黑液太阳能集热器集热特性的因素以及这些因素影响黑液太阳能集热器集热性能的规律。检索国内外关于黑液太阳能集热系统的文献，并对文献进行详细分析和归纳，了解黑液太阳能集热器的原理及应用，对黑液太阳能集热器的集热特性和性能的进行理论研究，建立黑液太阳能集热器的设计理论，并应用理论设计出黑液太阳能集热器实验装置。实验研究黑液对太阳能的反射、吸收和投射特性，获得影响黑液太阳能集热器集热效率的因素以及这些因素影响黑液太阳能集热器集热性能的规律，并以图表的形式表征实验结果。论文中能够提出自己的观点，各章节条理清楚、内容完整、不少于2万字，研究内容必须有理论深度，数据分析要清晰。二、毕业设计（论文）应完成的工作1查找资料和文献，了解太阳能集热器的发展状况及其应用，并进行英文资料翻译。2对文献进行详细分析，认识黑液太阳能集热器的光热转换原理。3理论研究自然循环式黑液太阳能集热特性和性能。4建立黑液太阳能集热器的设计理论，设计黑液太阳能集热器实验装置。5利用自然循环式黑液太阳能集热器装置，实验研究黑液太阳能集热器集热性能。6撰写毕业论文。三、毕业设计（论文）进程安排四、应收集的资料及主要参考文献1太阳能集热器的期刊文献10篇，其中中文8篇，英文2篇。2黑液太阳能集热器的期刊文献15篇，其中中文5篇，英文10篇。3液体吸收率研究的期刊文献10篇，其中中文8篇，英文2篇。4太阳能理论和应用的专著45本。发出任务书日期2011年3月27日指导教师签名预计完成日期2011年6月14日专业负责人签章主管教学院长签章序号设计（论文）各阶段内容起止日期1查找资料和文献，了解黑液太阳能集热器的发展状况及其应用。328412对文献进行详细分析，认识黑液太阳能集热器的光热转换原理，进行英文翻译。4441563理论研究自然循环式黑液太阳能集热特性和性能。4184224建立黑液太阳能集热器的设计理论，设计黑液太阳能集热器实验装置。4254295利用自然循环式黑液太阳能集热器装置，实验研究黑液太阳能集热器集热性能。545316撰写毕业论文616147准备答辩和答辩615618摘要在能源需求日益旺盛而常规能源供应日益短缺的今天，新能源的利用技术越来越重要。太阳能是众多新能源中最基础、最重要的一种。黑液太阳能集热器是一种与常规平板集热器和镀膜真空管集热器不同的新型太阳能集热器。具有无污染、低成本、效率能与常规太阳能集热器相媲美等有点。本论文将对黑液太阳能集热器的工作原理、集热特性进行理论研究，找到影响黑液太阳能集热器集热性能和特性的因素以及其影响规律，并设计自然循环式黑液太阳能集热器的实验系统。通过实验，研究自然循环式黑液太阳能集热器对太阳能的反射、吸收特性，验证影星自然循环式黑液太阳能集热器特性的因素和影响规律的假设，计算自然循环式黑液太阳集热器的性能参数。从而研究和评价自然循环式黑液太阳能集热器的集热性能，发现提高自然循环式黑液太阳能集热器效率的措施和改善自然循环式黑液太阳能集热器应用的探索方向。关键词太阳能，黑液，集热器，性能ABSTRACTTODAY,WHENTHEENERGYREQUIREMENTSBECOMELARGERANDTHENORMALFOSSILENERGYSUPPLEMENTBECOMELESS,THETECHNOLOGYOFDEVELOPINGANDUSINGNEWENERGYANDRENEWABLEENERGYBECOMEMOREANDMOREIMPORTANTTHESOLARENERGYISONEOFTHEMOSTCOMMONANDTHEMOSTIMPORTANTNEWENERGYTHEBLACKLIQUIDSOLARCOLLECTORISAKINDOFCOLLECTSTHATISDIFFERENTFROMTHEFLATPLATESOLARCOLLECTORSANDTHECOATINGVACUUMTUBECOLLECTORITOWNSLOTSOFADVANTAGES,SUCHASNONPOLLUTION,LOWERCOSTANDCOMPARABLEEFFICIENCYWITHTHENORMALSOLARCOLLECTORSSOMETHEORYRESEARCHESONTHEWORKINGPRINCIPLEANDTHECHARACTERISTICSOFHEATCOLLECTINGOFTHEBLACKLIQUIDSOLARCOLLECTORWILLBEDONEINTHISARTICLE,WHOSEPURPOSEISTOFINDTHEELEMENTSWHICHAREINFLUENCINGTHEWORKINGPRINCIPLEANDTHECHARACTERISTICSOFHEATCOLLECTINGALSOANATURALCIRCULATEDBLACKLIQUIDSOLARCOLLECTOREXPERIMENTALSYSTEMWILLBEDESIGNEDTHEREFLECTANDHEATABSORPTIONCHARACTERISTICSWILLBERESEARCHEDINTHEEXPERIMENTWHENTHEELEMENTSANDITSWORKINGTHEORYWILLBEVALIDATED,WHICHAREINFLUENCINGTHEWORKINGPRINCIPLEANDTHECHARACTERISTICSOFHEATCOLLECTINGONTHEOTHERHAND,SEVERALPARAMETERSJUDGINGTHEEFFICIENCYOFTHENATURALCIRCULATEDBLACKLIQUIDSOLARCOLLECTORINTHEEXPERIMENTWILLBECALCULATEDTHERESULTSOFTHESERESEARCHESCANMAKETHEMETHODOFINCREASINGTHEEFFICIENCYANDTHEDIRECTIONTOIMPROVETHEUSAGEOFTHENATURALCIRCULATEDBLACKLIQUIDSOLARCOLLECTORBECOMINGCLEARKEYWORDSSOLARENERGY,BLACKLIQUID,HEATCOLLECTOR,EFFICIENCY目录1绪论111引言112太阳能集热器的研究与应用概况2121聚光式集热器2122平板式集热器3123真空管式太阳能集热器413黑液太阳能集热器的研究发展概况514本文的主要研究内容72自然循环式黑液太阳能集热器性能测试的实验方案821实验集热器的安装倾角822全玻璃真空那个管内黑液温度分布的测点923黑液配方的确定11231溶剂的选择11232黑色原料的选择12233黑液浓度的确定1224采光面积的确定1325贮液箱和螺旋铜管的设计1426黑液太阳能实验方案建立16261黑液太阳能实验系统16262黑液太阳能集热器实验操作方案173自然循环式黑液太阳能集热器的性能特性理论研究1831黑液太阳能集热器的能量平衡方程1832黑液太阳能集热器的吸热特性1833黑液太阳能集热器的反射特性2034黑液太阳能集热器的性能参数21341黑液太阳能集热器非稳态效率21342黑液太阳能集热器的热损系数2235真空集热管内黑液的流动234自然循环式黑液太阳能集热器性能测试实验结果及研究2541真空集热管内黑液吸热和升温情况2542集热过程中贮液箱内的温度变化情况27421贮液箱内的黑液温度的分层分布27422贮液箱内黑液平均温度变化情况2943提热过程的换热性能305自然循环式黑液太阳集热器的性能评价3351平均日效率D和总效率的测定3552平均热损系数UL的测定3653非稳态效率的测定与非稳态效率方程的拟合376结论40参考文献42致谢4311绪论11引言能源是人类社会发展的重要物质基础。进入21世纪的新时代，人类文明和社会经济的飞速发展意味着人类对能源更大的需求。然而，在常规石化能源欲取紧张的今天，能源成本的上升，直接致使社会经济发展的成本的大幅提升。与此同时，更加严重的是由于使用常规石化能源而产生的对环境的污染问题，对人类生存环境形成了恐怖的威胁。有鉴于此，新能源和可再生能源的开发利用是必然的趋势。太阳能是各种可再生能源中最基本、最充裕的一种。太阳能的分布广泛，在全球的广大地区都有相对均匀的能量分布，能量适宜就地开发利用。同时，太阳能是一种洁净的可再生能源，其使用过程基本不会对自然环境和人类的生活环境产生任何污染，对地球的生态环境平衡具有积极的作用。由于具有上述特点，太阳能的开发利用有着巨大的市场前景，不仅带来良好的社会效益、环境效益，而且还有着明显的经济价值。我国地域辽阔，是太阳能资源丰富的国家之一，三分之二的地区年辐射总量大于5020MJ/M2，年日照时数在2200H以上。尤其在国家“十二五”规划中着重大力发展的大西北地区，其优良的日照条件，令该地区更有太阳能有效开发利用的潜力。在若干年后常规能耗不可避免要枯竭的形势下，从国民经济持续发展和能源安全考虑出发，合理综合利用太阳能已经迫在眉睫。目前直接利用太阳能的主要形式有光热、光电两种，本文将研究的是太阳能热利用的一种新系统太阳能黑液集热器。太阳能光热利用由于受到各种客观条件的限制，目前光热利用技术还处于相对原始的状态，还有许多问题等待解决。从整体上讲，目前急需解决的问题，主要有以下三个1提高太阳集热器集热效率的问题；2降低太阳能利用装置成本与提高使用寿命的问题；3解决低成本、高效率的储能手段的问题。本文的研究工作是针对第一个问题而进行的。影响太阳集热器的集热效率的因素主要有两个一是集热器对太阳辐射能的吸收2能力；二是集热器的散热损失程度。所以，想要提高集热器的效率，总的研究思路是在保持最大地吸收太阳辐射能的同时，尽可能减小集热器热损失。太阳能热水集热器是目前可再生能源利用中利用效率最高的、唯一可与常规化石能源竞争的清洁能源利用装置。其中，集热器的热力性能是整个太阳能热利用系统性能能否与其他能源利用装置相媲美的关键。在最近几年里，各种对集热器的集热表面的材料或涂料的集热性能研究比较多，而相对的对集热器的结构形式和吸热材料的研究比较少见。本文旨在探讨研究一种新型的太阳能集热系统的热力性能，这种集热器的吸热材料同时也是集热器的传热换热工质。传统形式的太阳能集热器其工作原理是，太阳能的辐射热能首先被集热器集热表面的吸热材料涂层或者金属吸收，然后再通过热传导和热对流向与吸热材料接触的工质（通常是水）换热，并将热能存储于工质之中。而本文研究的自然循环式黑液太阳能集热器中，其吸热材料同时也是集热器的传热工质黑液。太阳能的辐射热直接穿过真空玻璃管被黑液吸收而令黑液升温，通过黑液温度变化而产生的密度变化来实现工质的流动，同时将热能存储于黑液之中。这种设计，有效地减少了由于工质容器的温度高于工质而产生的散热损失和换热热阻。可以预测，真空管式黑液太阳集热器的集热效率要比常规的平板型太阳集热器高。同时集热器减少了金属构件和工质循环的一些辅助设备，集热器的制造成本和运行维护费用将大幅降低。12太阳能集热器的研究与应用概况我国的太阳能集热器研究，开始于上世纪后叶。目前，比较普遍使用的太阳能集热器，按照其基本构造和工作原理的不同，可主要分为聚光式、平板式和真空管式三种。下面将按照其发展顺序介绍各种集热器的基本结构和性能特点。121聚光式集热器聚光型太阳能集热器就是利用对太阳光线的反射，将较大面积的太阳辐射聚集到较小的面积的吸热层上，以提高对太阳能的接收。聚光型太阳能集热器的关键部件是聚光镜，其作用就是在吸热层上形成太阳的像。聚光型集热器的类型按照对入射太阳3光的聚集方式分为反射型和折射型，前者是通过一定形状的反射镜将太阳光线反射聚集到反射镜前一个很小的吸热面积上，如太阳灶；后者是通过一定形状的透镜来把太阳光聚集到透镜后的吸热面积上。聚光型集热器的集热性能存在着效率低、散热快、储水量小、不能在冬季使用等缺点，无法大面积推广，发展受到限制。122平板式集热器平板式太阳集热器主要由吸热体、透明盖板、隔热层和外壳四大部分组成。其主要结构如图11所示。图11平板式集热器机构示意图透明盖板由一层或两层透明玻璃组成。它能让太阳辐射透过，但可阻止吸收体反射辐射和减少对流热损失，确保吸热体有良好的绝热性能。吸收体由金属制成不同的截面形状的集热平板和与平板紧密接触的液体流管组成。集热平板表面涂有对太阳能选择性吸收涂层，使集热平板能高效地吸收投射在集热平板表面的高能太阳辐射。液体流管内的液体工质通过与管壁的对流换热吸收集热平板的热量，大部分集热器会把它与集热平板制成一个整体。隔热层对集热器起保温作用，降低向外界的散热损失。集热器外壳用来支撑和固定集热器的其他部件，避免集热器受到破坏，并起防潮防湿作用，保证集热器的使用寿命符合经济要求。4影响平板集热器热力性能的因素，主要有以下几个1集热平板表面选择性吸收涂层对高能太阳辐射的吸收率；2透明盖板对太阳能辐射的透射率和对集热平板长波辐射的透射率；3隔热层的绝热性能。123真空管式太阳能集热器平板式太阳能集热器在吸热体和盖板之间若能抽真空，是减少吸热体与盖板之间对流换热损失的有效措施。然而，对于整块平板式集热器，夹层内抽真空是十分困难的，也是不现实的。原因是其一，如果将平板式集热器吸热体与透明盖板之间抽真空，这盖板需要承受01MPA的巨大压强，显然这是不现实的；而且，集热器盖板和吸热体之间是一个方盒形空间，且有多处结合部位，很难抽真空。但是，要在两根玻璃套管中间抽真空是可能的，而且玻璃管的圆形曲面也令承压问题得以解决，因此按此研发思路，把多根真空管用联箱予以连接，便制作出真空管集热器。全玻璃真空集热管的结构如图12所示。图12全玻璃真空集热管结构示意图全玻璃真空管由内、外两层玻璃管构成，内管外表面涂有高吸收比和地发射率的选择性吸收膜，夹层之间抽成高真空，其形状如一个细长的暖水瓶胆。它采用单端开口，将内、外管口予以环形熔封，另一端是密闭半球形圆头，有弹簧卡支撑内外管，而且可以自由伸缩，以缓冲内管热胀冷缩引起的应力。弹簧卡上装有消气剂，当它蒸散后能够吸收集热管运行时产生的气体，保持套管夹层内高真空度。与常规的平板式集热器相比，真空管式集热器具有以下性能特点51、由于真空管式集热管利用的是工质吸热后密度变化产生热虹吸头的方法令工质处于不停的流动状态，所以真空管式集热器可有效地避免工质冻结；2、由于工质的流动是依靠重力和热力虹吸头作为动力，因此工质的流动是单向的，有效地避免的不工作期间热流体的倒流而引起的热损失；3、由于真空管式集热器让工质直接吸收太阳辐射的能量，因此其集热效率要高于经集热平面吸热再传热到工质上的传统平板式集热器；4、由于真空管内腔的工质容积较小，其工质升温的速度比传统平板式集热器的快，从而令真空管式集热器的启动反应速度也快于传统的平板式集热器。13黑液太阳能集热器的研究发展概况黑液集热器从提出到现在已有接近四十年的历史，本节将对黑液太阳集热器及其相关技术在近年来的研究进展作一个简要介绍。MINARDI教授提出使用黑液既作为吸热材料同时也作为工质的直接吸收太阳能，并制作了一个黑液太阳集热器实验模型，使用的黑液组分为乙二醇水印度墨水。其集热效率几乎可以与单层玻璃盖板蜂窝式平板集热器相媲美，但这种集热器的制作成本要比传统平板集热器小得多。尽管文中并没有给出所用黑液的详细辐射性能数据，但给出的实验结果表明黑液集热器能吸收超过80的辐射能量。RSDARYAN1教授和他的同事设计了一个可用于工业需求的黑液平板太阳集热器，并对其集热性能进行了测试。用矩形盘着的薄透明玻璃管作黑液容器，玻璃管内用黑液直接吸收太阳能。黑液是整个集热器中温度最高的部分，玻璃管由双层玻璃盖和填充有绝热材料的木箱装配成，而且由于没有金属部件，令这个黑液太阳能集热器在制作成本和热力性能方面具有很大优势。这个黑液平板集热器与常规平板集热器区别在于1、太阳能辐射直接被黑液吸收，不需要任何金属作为集热元件；2、这种集热器的集热工质的管道是螺旋形的，黑液通过集热器外的管道和泵，从集热器边缘逐渐流向集热器中心，从集热器中心流出时温度达到最高，所以集热器的散热损失可减到最少；3、采用玻璃管后解决传统平板集热器液体对金属管道的腐蚀问题；64、集热器结构本身只用玻璃管道外加绝热保温材料，并没有金属构件，所以比传统的平板集热器成本要低。上述黑液太阳集热器的研究阶段主要是在上世纪70年代末至90年代初和其它太阳能热利用技术一样，在随后的十几年，黑液集热器的发展速度非常缓慢，90年代以后的相关文献极少。直至2005年，TGYANAPRAKASH教授2和他的同事以浓度为003的黑墨水溶液作为黑液材料制作了一个黑液太阳能集热器。它们还对集热器进行了非稳瞬态分析，找出了控制集热器性能的各个无量纲物理参数，并通过四阶RUNGEKUTTA法对集热器系统的控制方程进行了求解，得出了各无量纲物理参数的值。通过对静态和流动的黑液工质进行的实验分析，发现理论预测结果与实测数据能够很好的吻合。相对的，中国在黑液太阳能集热器的研究比外国少。只有在近年国家大力发展新能源利用技术时，对提高太阳能集热器性能的研究才提出了涉及黑液太阳能集热器的研究。尽管黑液的使用能提高一般太阳能集热器的集热效率，但目前还存在这一些难以解决问题而影响着黑液太阳能集热器的使用和推广黑液作为集热材料必须通过换热构件来将从太阳辐射中吸收到的热能传给真正需要热能的液体水，其中换热过程的性能将对整个集热器的性能产生着严重的影响；另外由于黑液是使用水作为溶剂，常压下黑液的沸点将在100左右，这个温度限制了黑液太阳能集热器在高温工业用途上的应用，只能应用于一般的低温民用热水供应用途。黑液太阳集热器作为直接吸收式太阳能集热器，与普通间接吸收式集热器传统的选择性吸收涂料集热表面相比，黑液太阳能集热器主要有以下几个优点1黑液太阳集热器使用黑液作为吸热工质直接吸收日照辐射的能量，而不需要通过使集热器集热部件和其他辅助部件升温；2黑液太阳集热器的在工作时其最高温度点并不是出现在集热表面的构件或者吸收涂料上，而是出现在工质黑液之中，从而大幅降低了集热器的热损失。3由于黑液对太阳辐射的吸收是整个体积上各个表面都在进行的，因此集热器的安装倾角对黑液太阳能集热器的性能影响没有传统平板式集热器明显。因此黑液太阳能集热器更方便于各种环境的安装和使用4由于黑液对太阳辐射的吸收是整个体积上各个表面都在进行的，所以整个黑液7集热器在吸热过程中受热均匀，有效地避免了集热器不对称受热而引起热应力造成的集热器部件变形或损坏。同时这个特性也降低了对壁面材料适应温差大要求，从而降低了集热器制作材料的成本。5黑液里面的黑色原料价格也很低廉，而且化学性质稳定。现今主要使用的黑色材料为黑墨水、染料、黑色物质的粉末或者造纸工业的黑液。这些物质都容易获取，价格低廉，同时也具有化学稳定性，从而有效地防止了管道腐蚀，部件染色和黑色原料沉积等问题。6黑液集热器设计相对简单，不存在复杂制造的工艺，也节省了由镀膜等高科技工艺所消耗的成本。14本文的主要研究内容本研究以实验为主，理论分析为辅，研究利用全玻璃真空管和以英雄碳素墨水为溶质的黑液所组成的自然循环式真空管黑液太阳能集热器的集热性能。主要研究的内容有1、黑液太阳能集热器随着不同时段的太阳辐照度的变化，集热工质的温度变化情况；2、黑液太阳能集热器真空管中不同位置的黑液温度变化情况的比较；3、黑液太阳能集热器黑液箱内黑液温度变化和分层状态；4、理论研究黑液太阳能的集热特性，分析影响集热特性的量和影响规律；5、测试黑液太阳能集热系统的性能参数并进行评价。82自然循环式黑液太阳能集热器性能测试的实验方案21实验集热器的安装倾角集热器的安装倾角对集热器的集热性能有着很大的影响。对于全玻璃镀膜真空管集热器、平板集热器等常规的集热器，集热器的全年最佳安装倾角近似等于当地纬度，而集热器安装角在最佳值左右20内变化时，其全年收集的能量变化不会超过5。可是，黑液太阳能集热器的工作原理与常规的太阳能集热器略有不同，前一章已经简要阐述了黑液太阳能集热器的安装倾角对其吸热能力的影响相当的小。因此黑液太阳集热器的安装倾角不必完全遵从常规太阳能集热器的安装倾角要求。廖伟初先生在其硕士学位论文6中提及，他通过实验使用热电偶测量不同安装倾角（15、30、45和60）时真空管内黑液温度上升情况，最终得出如图21的温度变化曲线图。从图线和实验数据对比中知道，其它三种安装倾角的真空管的黑液温度上升始终都小于安装倾角为45的真空管的，并且这一现象一直维持在整个实验测试过程。与此同时，安装倾角为45的真空管的黑液温度比黑液升温最低的管的温度高约4。由此得出结论当安装角度为45时，管内黑液的温升能力最强。图21不同安装角度时太阳能真空管的温升文献6的结论与查阅文献10,11的太阳能集热器，最佳安装倾角为42的要求相符。参阅上述文献资料和实验结论，可以确定本次研究时实验的黑液太阳能集热器的9安装倾角取为45，这可以令集热器的集热性能达到最高同时也符合相关技术要求。22全玻璃真空那个管内黑液温度分布的测点从物理学知识可以知道，当液体受热升温时，该液体的密度会变小。而且在同一状态下，温度越高，密度也越小。而流体力学知识则提示出，在同一液体体积内，密度较小的部分会上升，最终全部汇集于密度较大的部分之上。有了以上的简单理论基础，可以建立一个真空管内黑液流动和温度分布的模型，如图22所示，红色箭头表示热流体流动方向，蓝色箭头表示冷流体的流动方向。图22真空管内黑液流动和温度分布情况示意图由于向太阳的一面直接吸收太阳辐射能量，因此面向太阳的会升温较快成为温度较高、密度较小的热流体部分。相对的背向太阳一侧的升温较慢，这一侧的流体成为了温度较低，、密度较大的冷流体部分。而在多根真空管和贮液箱连接之后，由于贮液箱内的黑液开始时只能通过热传导获取热量，温度比真空管内的黑液温度要低很多。因此，真空管内面向太阳的一侧的黑液温度上升成为热流体之后，由于密度变小的关系而逐渐上升，进入贮液箱并浮升到贮液箱内液体的最上端。此时真空管内向太阳一侧的黑液减少，与这部分黑液温度最接近的那部分黑液，即真空管底部的黑液，在压力的作用下会补充上升到面向太阳的一侧，而背向太阳一侧的冷黑液流体则在重力的10作用之下，依次逐渐下降补充。以上的液体流动过程在集热器受到太阳照射时不停地都在进行，不断地循环，从而形成一个黑液流动循环冷黑液在重力的作用下离开贮液箱从真空管口进入真空管背向太阳一侧，受太阳辐射和周围环境散射的太阳辐射而缓慢升温并逐渐下降至真空管底端，在底端受热虹吸压头作用而转向上升至真空管面向太阳辐射一侧，继续受太阳辐射照射后升温并逐渐上升，最后从真空管口离开真空管进入贮液箱并浮升至贮液箱上层。从上述黑液流动模型，可以推导出真空集热管内黑液的温度分布情况。在真空管背向太阳一侧，管口一端的温度最低，真空管中段温度比管口高，而真空管底端的温度最高；在面向太阳一侧，真空管底端的温度较低，管中段的温度比管底端高，而真空管口的温度是这一侧中最高的；而整个真空管中，面向太阳一侧各点的黑液温度都比背向太阳一侧的各点高。在得出上述液体流动和温度分布模型之后，可以确定真空管中黑液温度测点的布置方案，如图23所示。分别在真空管口（距管口约25CM）、真空管中间（距管口约75CM）和真空管底端（距管口约125CM）三处，分别在面向太阳一侧和背向太阳一侧均布置一个热电偶测量该处黑液温度。在实验过程中，六个测点的测量温度如图23所示定义为T11、T12、T21、T22、T31、T32。在实验之前，通过建立上述的温度分布模型，可以理论预测实验过程中，真空管内六个测点的温度值从大到小的顺序为T11，T21，T31，T32，T22，T12，此顺序可以用以检验实验设备的搭建和运行是否正确。11图23真空管内热电偶分布示意图23黑液配方的确定1974年MINARDI教授制作其实验用的黑液平板集热器时，所使用的黑液配方为乙二醇水印度墨水。2005年，TGYANAPRAKASH教授2同事所建立的黑液太阳能集热器进行研究时所使用的黑液是以浓度为003的黑墨水溶液。基于前述文献和相关研究工作的成果，本次研究使用的黑液配方为水墨水。下面将简要介绍实验用黑液配方的具体确定。231溶剂的选择本次研究所使用的黑液溶剂为水，当中分别有纯净水和自来水可供选择作为溶剂。文献6在其研究过程中，对纯净水和自来水作为溶剂的升温能力进行了实验研究，并得到结论使用纯净水作为溶剂的黑液的升温能力要优于自来水作为溶剂的黑液，但两者之间的差别不超过5，从工程应用角度上看，这种性能差别可以忽略。而且该项实验是在2009年进行的，但是在20092011年这两年时间里，广州进行了西江引水等一系列改善自来水水质的工程，所以自来水的水质一直在上升。因此，综合水的获取12成本、难度以及杂质影响等因素考虑，选择自来水作为本次研究使用的黑液溶剂。232黑色原料的选择本次研究使用黑色墨水为黑液的黑色原料，其中有普通墨水和英雄碳素墨水两种墨水可供选择。普通墨水是指黑色染料的水溶液，而英雄碳素墨水则是黑色碳粉末的溶液。在查阅到的文献中，RSDARYAN教授在提出他的黑液配方时，曾就两者之间的选择作出对比。黑色染料容易获取而且便宜，但其化学稳定性较差，容易与集热器的其他部件发生化学反应，特别是在温度较高的时候。而且普通墨水非常容易令玻璃真空管的内管染色，会令玻璃真空管吸收更多的辐射热能而减少黑液直接吸收到的能量，这与当初设计黑液太阳能集热器的设计思路相违背。而由于碳素墨水中的主要物质是碳粉末，它是日常接触到的物质中化学稳定性最高的。所以碳素墨水能避免使用普通墨水的诸多弊端，不过使用碳素墨水的成本会比较高，而且设备运行维护不好的话容易出现碳颗粒沉积。由于在本研究中，使用的是低浓度墨水溶液制成的黑液，所以即使碳素墨水的成本较高，这种成本增加将不会令整个实验成本明显增加。而且使用碳素墨水能避免在实验过程中出现影响实验结果的诸多问题，这对实验的准确性和实验价值是有很高贡献的。因此，综合上述因素考虑，在本研究中将使用碳素墨水作为黑色原料，作为黑液的溶质。233黑液浓度的确定本次研究实验最终选择英雄碳素墨水和水的溶液作为工质黑液。然而，溶液的浓度有待确定。在2008年，文献6的研究过程中，配制了十一种不同浓度的黑液测试不同浓度下黑液受日照下的升温能力。最终，实验结果揭示出低浓度的黑液的升温能力最强。该结论的理论解释为黑液浓度应该能使单位体积的黑液在整个循环流动过程中均能吸收太阳辐射的要求；浓度过高，则黑液不能在整个循环流动路径中吸收太阳13辐射，集热有效路程变短而使能量被该有效路程以外流段的玻璃表面吸收，增加热损失。在十一个浓度的黑液中，升温能力最强的是浓度为1的黑液，出于实验探索的需要，本次研究实验中使用的黑液的浓度为02，用以与文献6的实验结果（使用1浓度的黑液的结果）作出对比，以研究黑液浓度变化对集热器性能的具体影响。24采光面积的确定根据中华人民共和国国家标准家用太阳热水器热性能试验方法（GB/T1291591）的规定试验时，集热器的采光面积可使用直尺或卷尺测量，并读数精确到1MM；采光面积应按太阳热水器表面透光部分在太阳入射角为零时的最大投影面积计算，透明盖板之间的压条面积不予以扣除。本次实验研究取用的是中华人民共和国国家标准全玻璃真空太阳集热管（GB/T170492005）中规定的QB37/471500型非镀膜全玻璃真空集热管。集热管长度为1500MM，内玻璃管外径D为37MM,玻璃管外径D为47MM，玻璃壁厚为16MM，而真空管伸进水箱内长度为100MM，吸气剂部分长度为50MM，集热管间距S为75MM。取广州当地纬度倾角平面年平均日辐照量1211MJM2D，假设黑液集热器总效率为50，进水温度20，出水温度40，则体热过程中以2L/MIN流量放水60分钟后，通过120升水系统总需能量211032MW2K4810TCMEPH则可确定所需采光面积222651023MADTHC而按照国家标准GB/T191412003家用太阳能热水系统技术条件的规定按公式计算采光面积（23）1DSNLAC则可以求得真空集热管的数量14（24）取整）1897SDLACN则实际采光面积为（25）2M5C根据以上关系式可得出黑液太阳集热器的相关参数，如表21表21黑液太阳能集热器相关参数总需能量假定日效率DHT设定值真空管有效长度L采光面积AC管数N10032MW501211MW135M1785M21825贮液箱和螺旋铜管的设计整个集热器测试性能实验分为集热和提热两个过程。集热过程中黑液与贮液箱和螺旋铜管只发生短暂的自然对流换热，这个换热过程并没有造成热损失，因此不需通过这一换热过程进行贮液箱和螺旋铜管的设计计算。而提热过程是自来水流经螺旋铜管，通过与螺旋铜管的换热吸取黑液收集到的热量升温的过程。这个换热过程分为三个阶段黑液通过自然对流把热量传给螺旋铜管的外表面；接着螺旋铜管内发生热传导把热量从外表面传导到内表面；最后自来水通过与螺旋铜管内表面的强制对流吸取热量而升温。根据传热学定理，可通过下式求出整个提热过程的传热系数（26）OIOIIHDDHK1LN21由于铜管的热阻较小，相对于两个对流换热过程的热阻可以忽略，因此可将式（26）简化成下式15（27）OIIHDK1依据文献11的规定，热水的供水温度取40，而供水温度假设为20。实验提热过程的水流量设为2L/MIN，则水流流速约为V0188M/S，水的定性温度为30，查阅水的物性表格可查出该定性温度下水的物性参数导热系数0618W/（MK），运动粘度0805106M2/S，普朗特常数PR542。则螺旋铜管内水流的雷诺数为，可判断水流状态为湍流。10563REDV依据传热学的实验关联式，可求得该管内对流换热过程的对路换热系数（N04）（28）0867PR02308NNU对于螺旋管外表面与黑液的自然对流换热过程，可按水平管的自然对流换热来进行换热系数的计算。文献6已经对相同的螺旋铜管和黑液模型进行了该换热系数的计算，因此不再详细叙述计算过程，将螺旋铜管外表面传热系数的相关特性参数列于表22。表22螺旋铜管外表面传热系数相关特性参数NUWHIW/M2RADHOW/M2KW/M27713393985972932749655最终确定贮液箱和螺旋铜管尺寸如表23和图24。表23黑液箱和螺旋管的相关规格螺旋管总长（M）螺旋铜管绕长（MM）螺旋径（MM）节距（MM）螺旋铜管换热面积A（M2）1641391105700616图24黑液箱和螺旋铜管结构图26黑液太阳能实验方案建立261黑液太阳能实验系统综合以上各节所述，本次黑液太阳能集热器性能研究使用的黑液太阳能实验系统由集热器、热电偶温度测量系统、计算机温度数据自动采集系统和便携式太阳辐射仪四部分组成。其中黑液太阳能集热器由18根非镀膜全玻璃真空集热管、一个黑液贮液箱和螺旋铜管装配而成。热电偶温度测量系统由12个热电偶测温点和两个8通道数/电转换模块组成。热电偶温度测量系统测得数据通过与测温系统连接的计算机温度数据自动采集系统自动记录测量所得温度数据。此外，通过放置在集热器旁边的便携式太阳辐射仪测量和记录即时的太阳辐射值。黑液太阳能集热器实验系统示意图如图25所示。17图25实验系统示意图262黑液太阳能集热器实验操作方案整个实验过程由集热和提热两部分组成。集热过程在晴朗的白天进行，黑液太阳能集热器内黑液受太阳辐射而升温，然后通过自然对流的作用上升至黑液贮液箱内保温储存，如此不停地循环最终将所有的黑液加热。实验系统将实时测量全玻璃真空管和贮液箱黑黑液的温度分布并将数据存储在计算机系统内。提热实验在集热实验当天傍晚太阳完全下山后进行。此时，太阳辐射已经完全停止，太阳辐射仪显示太阳辐射为零，黑液太阳能集热器已经停止吸收太阳辐射。这时开启进水口自来水阀门，调整阀门开度到流量计读数在合适的流量值处，通过测得自来水的进出口水温来计算提热过程所取出的热量，并研究黑液太阳能集热器的相关性能参数。相关实验数据处理详见第4章。183自然循环式黑液太阳能集热器的性能特性理论研究31黑液太阳能集热器的能量平衡方程根据能量守恒定律，任意时间内进入实验系统的能量等于同一时间内集热器工质黑液从系统里取得的有用能量和各种系统热量损失之和。对于实验用的全玻璃真空管黑液太阳能集热器，任意时间内可以列出下述能量平衡方程（31）21SSFRFQQ式中QF日照中接收到的辐射能；QR辐射能穿透真空管外管和内管后被黑液吸收的辐射能，即系统能输出的有效热量；QFS实验系统对太阳辐射反射而损失的能量；QS1集热器真空管部分散热所损失的能量；QS2热量透过贮液箱的隔热保温材料散热所损失的能量。32黑液太阳能集热器的吸热特性黑液太阳能集热器的吸热特性，是指黑液太阳能集热器对太阳辐射热能的吸收的性能特性。评价黑液太阳能集热器对太阳辐射的吸收性能，可以通过集热器系统吸收进入系统的总能量和太阳日照辐射所投射在集热器表面的总能量之比来衡量，这个比值可以定义为集热器的吸热效率。而集热器系统吸收到的能量包括辐射透过真空管内外管被黑液吸收的能量QR，集热器真空管部分的散热损失的能量QS1和透过贮液箱隔热层散热损失的能量QS2。因此，集热器的吸热效率可以通过下式表示19（32）FSRFQ21吸热吸热通过上式可以看出，黑液太阳能集热器的吸热性能与黑液将太阳辐射的能量转换为黑液自身的热能的能力有关。文献6在其研究中曾经提出了一个反应太阳能集热器把实际得热量转换成有效得热量的能力的无量纲物理量，此无量纲量被定义为黑液太阳能集热器的热转换因子，它是工质的有效热容与总热容之比。即（33）MWCCF式中，下标W的项为集热器有效工质的热容下标M的项为无效工质和有直接转换材料的等效热容。从此无量纲量定义中的各个量的含义可以得出，黑液的吸热能力与黑液的有效热容密切相关。而工质的有效热容有两个主要的影响因素，其一是工质的有效吸热质量，其二是工质的比热容，这两者均与黑液的黑色原料的浓度相关。依据流体学理论可知，黑液中黑色原料浓度的增加，会降低黑液的比热容，从而改善黑液的升温能力，却降低了黑液对辐射的吸收能力。但是，黑液中的黑色原料的浓度的上升，会令黑液的吸热质量上升，而且其吸热质量的上升速度会比溶液浓度令比热容下降的速度更快。因此，综合上述理论，在低浓度范围内，黑液中黑色原料的浓度的增加可以令黑液太阳能集热器的热转换因子的值上升，显示着黑液浓度的增加可以增加黑液对太阳辐射的吸收能力。另外，根据辐射传热理论，黑液对太阳辐射的吸收能力与黑液自身的物性参数吸收比相关。吸收比越大，则意味着黑液所吸收的能量越多而透射和反射的能量就越少。依据液体物性理论，液体的吸收比与其自身的色素浓度有关，浓度越高，液体越不透明，其吸收比就越大。在本次研究中，此关系转化为黑液中黑色原料的浓度越高，黑液中的透明间隙就越少和越小，则黑液的吸收比就越高。这一结果看上去似乎与之前黑液浓度越高，黑液升温能力越差这一理论相矛盾。其实不然，这两个理论正好互相佐证，黑液中黑色原料的浓度越高，则黑液对太阳辐射的吸收能力越好，因此在整个液体的流动路程里，黑液吸收相同热量上升到相同温度的流动路程就越短，从而会令20有效路程外的其他吸热路程的黑液温度更高，产生更多的散热损失，损失的热量形成的黑液温度上升能力下降的现象。通过上述研究，可以得出黑液太阳能集热器的吸热特性的基本理论结果和假设黑液太阳能集热器的吸热能力与黑液的黑色原料的浓度密切相关，浓度越高，黑液对太阳辐射的吸收能力越好，吸热性能越好。但是伴随着吸收能力的提升，集热器的散热损失会增大，从而在整体上影响了黑液太阳能集热器的性能。33黑液太阳能集热器的反射特性有了前一节关于黑液太阳能集热器的吸热特性的研究为基础，可以很方便推导出衡量黑液太阳能集热器反射性能的参数。黑液太阳能集热器的反射特性，是指黑液太阳能集热器对太阳辐射热能的反射的性能特性。评价黑液太阳能集热器对太阳辐射反射的性能，可以通过由于集热器系统表面反射而离开系统的能量QFS和太阳日照辐射所投射在集热器表面的总能量QF之比来衡量，这个比值可以定义为集热器的反射比率反射。集热器的反射比率可以通过下式表示（34）FFS反射而通过前述的集热器能量平衡方程可以推导出（35）21SSRFFSQQ把式（32）和式（35）代入式（34）并简化后可以得到（36）吸热反射12121FSSRFSSRFFFSQ21由上式的推导结果可以看到，黑液太阳能集热器的反射比率与黑液太阳能集热器的吸热效率的和为1。因此，可以推论得出，影响黑液太阳能集热器的吸热效率和反射比率的主要因素是相同的，都是黑液中黑色原料的浓度。通过函数增减关系的分析可知，浓度增加，提高集热器的吸热效率，同时也可以降低黑液集热器的反射比率，减少反射损失的能量。34黑液太阳能集热器的性能参数341黑液太阳能集热器非稳态效率依据国标GB/T1291591的规定，任意时刻的太阳能集热器的非稳态效率是指在有太阳辐射照射的任意时间内，太阳能热水器贮水所获得的热量与照射到太阳能集热器采光面上的太阳辐射能量之比。从定义上看，集热器的非稳态效率即任意时刻内的集热器的吸热效率。因此，在太阳能集热器性能试验中，需要计算试验过程不同时刻的非稳态效率用以评价太阳能集热器的吸热特性。太阳能集热器的非稳态效率可通过以下定义式计算得出（37）1IIPHATMC从式中可以看出，黑液太阳能集热器的非稳态效率除了与集热器工质的黑液的物性有关外，还会受到试验过程中的太阳辐射变化的影响。因此，可以预测在试验过程中计算所得的黑液太阳能集热器非稳态必定呈现为坐标图中一系列离散的点，在评价集热器的性能时，需要对这一系列离散的点进行拟合，通过拟合得到的曲线方程的特征参数，这些参数同时也是集热器性能的特征参数。依据国标GB/T1291591规定，对集热器的非稳态效率需要进行下列最小二乘法回归拟合（38）21IMTT（39）AIIA22（310）IIHI1（311）ITBAAM上式中A回归直线方程的截距，无因次；B回归直线方程的斜率，W/M2式（311）即为评价集热器性能的非稳态效率方程。因此，在理论上不可以简单地使用黑液太阳能集热器的非稳态效率数据来代替集热器的吸热效率来评价集热器的吸热特性。342黑液太阳能集热器的热损系数黑液太阳能集热器的热损系数由真空管的热损系数和贮液箱的热损系数两部分构成。由于真空管和贮液箱的散热损失的形式不同，原理不同，因此必须分开讨论和处理。对于真空管，由于内外管之间是真空的，因此内管除了沿其径向的热传导和热辐射外，无对流热损。而且由于吸气剂的关系，由于真空夹层内的气体而产生的热传导只占整个真空管散热损失的很小一部分，可以忽略简化。因此，可以使用辐射传热的公式计算真空管散热损失的热量（312）CAMRATQ4（313）21DK由于玻璃真空集热管的发射率接近于1（），代入化简可得，真空管的散热损失为（314）CAMKRATQ4则所有集热管的总散热量为23（315）CAMAAMKKRSATTTNQQ241则可以推导出真空管的热损系数（316）2AAKLGTTU对于贮液箱，其主要构造为；内外金属壳之间填充一层隔热材料。因此，贮液箱的主要热损失方式是透过壳体的热传导散热。贮液箱的隔热层选用聚氨酯材料整体发泡成型制作，聚氨酯材料的导热系数为KA0022WMK，厚度为50MM，由于隔热材料的热阻很大，因此通过贮液箱热传导方式的散热非常少。而且，由于贮液箱内外金属胆的热阻相对于隔热材料的热阻相当小，因此在计算过程中可以予以忽略。因此可以通过下式计算贮液箱的散热损失的热量（317）AMDXTKAQ则推导出贮液箱的热损系数为（318）/DLXKU通过上述分析，可以得到结论，集热器的热损系数主要与集热器的真空集热管和贮液箱的材料的隔热性能有关。对于真空管，其管壁发射率越小，对辐射（尤其是黑液的长波辐射）的阻隔能力越好，则热损系数越小；对于贮液箱，壳体隔热材料的导热系数越小、厚度越大，贮液箱的热损系数就越小。35真空集热管内黑液的流动黑液在真空管内自然对流时质量流量可用下式表达（319）1812IOPMTCQ式中24TO流出真空管黑液流体的温度；TI从黑液箱流进真空管口的黑液流体的温度；测试时间间隔；M黑液箱和真空管内黑液质量之和CP黑液的定压比热容；T1测试开始时全部黑液的平均温度；T2测试结束时全部黑液的平均温度真空管和黑液贮液箱连接后工质黑液的流动模式已在前一章进行讨论，示意图如图22所示。观察式（319）各项含义可知，影响黑液在真空管内流速的主要因素有太阳辐射强度和黑液箱内即真空管口的黑液温度。太阳辐射的强度越高，黑液所吸收的能量就越多，面向阳光一侧和背向阳光一侧的黑液之间的温差也越多，黑液内部的密度差越大，浮力也越大，从而提升了真空管和贮液箱内黑液的流动速度。另外，在受到一定时间太阳辐射照射后，黑液升温，从而降低了其粘度，黑液在真空管内的流动阻力也会跟着减少，因此黑液温度越高，黑液的流动速度也越高。由于全玻璃真空集热管内黑液的冷热流体之间没有明显的屏障分隔，因而冷热流体间也存在着热对流换热。同时冷热流体也在同一截面处进出真空集热管，只有流动方向上的不同，所以真空管附近的自然对流流动和换热模式相当复杂。文献6通过引用类似HOLMAN和BOGGS提出的热虹吸循环回路分析该类型的换热规律，以及该模式下黑液的流速、密度、换热和虹吸压力的关系。得到如下结论自然对流中冷流体从热流体侧吸热的传热系数可由下式得出（320）IOLTAQH式中25AL微元体的吸热面积；TO流出管口流体温度；TI流进管口流体温度。并利用分析的结论对运行中的黑液太阳能集热器的太阳辐射强度与黑液流速之间的不完全一致的关系进行分析，找出其中原因中午小时辐照量达到最大，而此时的黑液流动速度反而达到最小，这是由于中午时分集热管内黑液与黑液箱内的温差达最大，黑液下沉时带来的阻力也越大，导致真空管内黑液上升的速度减少。264自然循环式黑液太阳能集热器性能测试实验结果及研究41真空集热管内黑液吸热和升温情况研究黑液在真空集热管内的温度变化情况，能够为研究黑液太阳能集热器的吸热特性。依据前述对