（机械制造及其自动化专业论文）太阳能热水系统流体均布研究.pdf

昆明理工大学研究生论文 摘要 目前我国太阳能热水器产业进入高速发展时期，每年以2 0 一3 0 的速度 增长，到2 0 0 2 年，年产量己达1 0 0 0 万n l2 ，年产值达1 1 0 亿元，占世界第一位， 太阳能热水器已成为太阳能热利用中最成熟、最具经济性的产品，太阳能热水器 产业成为了世界快速、稳定发展的新兴产业之一。 太阳能集热器阵列中的流体分布极不均匀，在同一集热器阵列中流过不同集 热器中的流量可能相差几倍、十几倍、甚至数十倍，从而使太阳能热水系统热效 率降低，能量损失较大。本课题针对太阳能集热器阵列中流量分布不均的问题， 通过对太阳能热水系统建立理论模型、实验模型，寻求解决太阳能集热器系统流 量分布不均的思路和方法。 根据流体力学知识对太阳能热水系统建立了一个数学离散型模型，简化计算 过程，提出了流量分布不均的理论依据。利用计算机对数学离散模型进行数值模 拟，确定了系统的流量分布规律。进而建立流体均布模型，利用计算机模拟，研 究分析使流体均匀分布所需的集管阻力特征。研究太阳能热水系统集管阻力特性 对流量分布的影响，为解决太阳能热水系统流量分布不均奠定了理论基础a 在理 论分析的基础上，探讨工程上解决流体分布均匀化的方法。 建立实验模型，测试必要的流体阻力参数，得到了支管的总沿程阻力系数k 3 和集管的总沿程阻力系数k ： k 3 = 4 4 3 5 3 5 r e 。o 1 8 ，9 k = 4 6 0 9 4 8 6 r e o 3 3 1 5 根据测得的流体阻力系数，计算太阳能热水系统集热器阵列在自然状态时的 流量分布，验证离散型数学模型的正确性。同时根据流体均布模型，建立一个流 量均布的实体模型，测量流体均布模型的流量，对流体均布模型的正确性进行验 证。 按流体均布模型确定的集管阻力特征进行实验，集热器阵列不同集热器的流 量基本趋向均匀，集热器相互间的流量差小于3 ，进一步证实了流体均布模型 的正确性和可行性。 关键词：太阳能热水系统流量 流量均布阻力配置集热器阵列 一垦塑堡三丕鲎堕壅笙堡壅 a b s t r a c t a tp r ese n tt h es o l a rw a te r h e a t e rin d u s t r yo fou rc 0 1 i n t ry e n ter s h i g hs p e e dd e v e lo p m e n tp e r i o d ，in c r e a s e sw i t h2 0 一3 0 s p ee da n n u a l ly ，t h ea n n u a l o h t p u t h a s a l r e a d y r e a c h e d 1 0 i n i l l io n sm 2 ，a n dt h ea n n u a lp r o d u c t io nv a l u eh a sr e a c h e d1 1b i l l i o n y u a n s b y2 0 0 2 s h a t e s t h ef i r s to ft h ew e t ld t h es o l a rw a t e r h e a t e rh a sb e c o m em o s tm a t u r ea n de c o n o m ie p r o d u c ti n s 0 1 a rh e a t u t il iz a t io nf ie l d 。a n dt h es 0 1 a rw a t e r h e a t e ri n d t l s t r yb e c o m e s o n eo fn e w l y a r is e ni n d u s t r i e st h a td e v e i o pr a p i d l ya n ds t e a d i l y t h e f l a t p 1 a t e s 0 1 a rc 0 1 l e c t o r s a r r a y s1 i q u i dd is p l a y s v e r y u n e v e n l y c o l l e c t o r s l iq u i dm a yd i f f e rs e v e r a lt i m e s ， m o r e t h a nt e nt i m e s e v e nf e wd e c u p l ei no n ef l a t p l a t es 0 1 a re 0 1 1 e c t o rs a r r a y ，t h e r e f o f e ，t h i sm a k eh o te f f ic i e n c yb e c o m e1 0 wa n dt h e e n e r g y 1o s esb i gi i 9s o l a rh o ts y s t e m i nt h i s p a p e r ， i tw i l lb e d i s c u s s i n g t h a th o w l i q u i d d i s t r i b u t e e v e n l y i nt h e f l a t p l a t e s o l a r c o l l e c t o r s a r r a y t h i sp a p e r l o o kf o ra w a yt o s o l v ef l o wd i s t r i b u t e u n e v e n l y i nt h e f l a t - p l a t e s o l a rc o l l e c t o r s a r r a y f r o mt h et h e o r i e s m o d e l ， e x p e r i m e n tm o d e l ，e n g i n e e r i n g a c c o r d i n g t of l t l idm e c h a n i e sk n o w l e d g e ， an e w ”f l o w m a t h e m a t i c sd i s c r e t em o d e l ” i se s t a b l i s h e d i t s i m p l i f i e sc o m p u t i n g p r o c e s s a n d p r o v i d e s t h et h e o r i e st h a tf l o wd i s t r i b u t e s u n e v e n l y m o r e o v e r ，t h r o u g hc o m p u t e r sn u m b e r i m i t a t e s ，t h er e g u l a t i o no f l i q u i d d i s t r i b u t i o ni sc o n f i r m e d a “f l o we q u a ld i s t r i b u t i o nm o d e l ”i sf u r t h e r e s t a b l i s h e d t h r o u g hc o m p u t e r s s i m u l a t i o n ，r e s e a r c ha n d a n a l y s i s r e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i ct h a tt h e f l o w e q u a l d i s t r i b u t i o nm o d e ln e e d s r e s e a r c hi n h e r e n t p r o p e r t y i n f l u e n c eo n l i q u i d d i s 、t r i b u t i o n o fs o l a r c o l l e c t o r sa r r a y ，i tl a y st h et h e o r yf o u n d a t i o nf o rs o l v i n g s o l a rc o l l e c t o r s a r r a y sl i q u i d d i s t r i b u t i o n su n e v e n l y a t l a s tf r o m a n a l y z i n g t h e a p p l i c a t i o np r o j e c t t h e o r e t i c a l l y ，i n q u i r y i n t ot h e a p p l i c a t i o n o nt h e e n g i n e e r i n g b ye s t a b l i s h i n g af l o w e q u a l ，d i s t r i b u t i o n p r a c t i c e m o d e l ，a n d n 一 垦塑型三丕兰坚窒尘堡奎 measuret hen e c e s s a r y f l u idr es is t a n ce p a r a b e t e r 。g o tr is e r tu b e sr e s is t a n c ec o e f f i c ie n t k ，a n dm a n i f o ldr es is t a 几ce c o e f f ic ie n tk ： k 3 = 4 4 3 5 35 r e 。o j s 3 9 k = 4 6 0 ，9 4 8 6 r e o 33 15 a c c o r d i n gt of l u i dr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t ，c a l c u l a t el i q u i dd i s t r i b u t i o r l o fn a t u r es t a t ei nt h es o l a rc o l l e c t o r s a r r a y ，t h ea c c u r a c y o ft h e m a t h e m a t i c sd i s c r e t em o d e lf 1 0 wm a t h e m a t i c sd is c r e t em o d e lisv e r i f i e d a c c o r d i n g t of l o w e q u a l d i s t r i b u t i o nm o d e l ，a p r a c t i c a lm o d e lis e s t a b l i s h e d ，c a l c u l a t el i q u i dd i s t r i b u t i o no ff l o we q u a ld is t r i b u t i o nm o d e l ， t h e nt h ea c c u r a c yo ft h ef l o we q u a ld i s t r i b u t i o nm o d e lv e r i f i e d t h e p a p e rc h a n g e r e s is t a n t e p a r a m e t e r o ft h e f l a t p l a t e s o l a r c o l l e c t o r s a r r a y a c c o r d i n g t ot h em e t h o d0 ft h et e x t p u t f o r w a r d ，i tc anm a k e1 iq u i df 1 u xi n e l i n et 0e v e r li nd i f f e r e n t f l a t p l a t es o l a rc o l l e c t o r s t h e i rg i l a t u a l f l u xd i f f e r e n c ei su n d e r3 ， t h ea c c u r s c ya n df e a s i b i l i t yo ff l o we q u a id is t r i b u t i o nm o d e l is f u r t h e rc o n f i r m e d k e yw o r d s ：t h e h o tw a t e rs y s t e mo fs o l are r i e r g y l i q u i df l u x u t y p e a r r a n g e s e v e nd i s t r i b u t i o n r e s i s t a n c ea l l o t m e n tc o l le c t o r sa r r a y i i i y6 6 9 2 8 8 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：1 一江隼 日 期：埘年z 月7 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：趔论文作者签名：1 ：垫聋 日 注：此页放在封面后，目录前。 旦舅翌三盔堂班塞垡堂焦i 佥童 符号表 a 集热器集管截面积，m 2 b i 分流集管在节点i 处的流量，m 3 s t i 】汇流集管在节点i 处的流量，m 3 s i 热水系统节点i 处 u 【i 分流集管在节点i 处的压力，p a p 【i 汇流集管在节点i 处的压力，p a i i 支管在节点i 处的流量，m 3 s v _ 集管液体的流速，m s p 水的密度，k g m 3 厂一水的重度，n m 3 d 集管直径，m r 支管水半径m g _ 一重力加速度，m s 2 n 热水系统集热器阵列集热器的数量 r e 水流的雷诺数 集管的沿程阻力系数 s 集管截面积，m 2 s 1 支管截面积，n 1 2 e p s _ 一误差值 r i 】计算机计算的沿程阻力系数 k 集管的总阻力系数 七分流集管节点问的总阻力系数 k 2 汇流集管节点间的总阻力系数 k 3 单根支管的总阻力系数 旦明堡兰太堂班究生堂僮论塞 第1 章绪论 随着人类文明的不断向前发展，能源的消耗以惊人的速度增长，常规能源的 储存量越来越少，新能源的开发变得越来越重要。 太阳能作为一种取之不尽的新能源，具有数量巨大、时间长久、清洁安全、 无处不在的特点，因此它的利用变得尤为重要，具有广阔的应用前景。从近期来 说，利用太阳能供热和采暖具有现实意义；而从远景发展来看，在大规模地开发 和利用太阳能，将满足人类长期对大量能源的需求。 对于太阳辐射能的直接利用，基本上有三种方式，即太阳能直接转换成热 能，称为光一热转换；太阳能直接转换成电能，称为光一电转换；太阳能直接转 换成化学能，称为光一化学转换。下面将分别加以简单地介绍。 一) 太阳能的光一热转换 这是目前技术最为成熟，成本最为低廉，因而是目前应用最为广泛的形式， 也是本文所要介绍的主要内容。其基本原理是吸收太阳辐射能【l 】，用以加热物体 而获得热能。目前使用较多的太阳能收集装置有平板太阳集热器、玻璃真空管太 阳集热器和聚焦型集热器。 二) 太阳能的光一电转换 太阳能的光一电转换，主要是用于发电。太阳能发电有两种方式，种是光 一热一电转换方式；另一种是光一电直接转换方式，例如太阳能电池。 三】太阳能的光一化学转换 利用太阳能辐射直接分解水制氢，是一种很青前途的光一化学转换方式。 其中太阳能的光一热转换在当今的运用最为广泛，太阳能热水器、太阳能干 燥器、太阳能温室、太阳灶、被动式太阳房等等已经在全世界得到了广泛运用。 早在1 9 0 8 年，弗朗克舒曼( f r a n c k s c h u m a n n ) 就在美图成立了世界上第一 个专门从事太阳能热利用的公司东方太阳动力公司。在此基础上，从1 9 2 0 年 开始，美国加利福尼亚州即首先大量生产并使用太阳能热水器。从此以后太阳能 热水器在全世界开始得到广泛运用【l l 。在我国早期发展比较缓慢，1 9 5 8 年天津大 学和西藏地区曾分别建造过集热面积仅为十几至几十平方米的热水器，以后太阳 能热水器开始慢慢得到运用。直到9 0 年代，太阳能热水器产业进入高速发展时 期，每年以2 0 一3 0 的速度增长，n 2 0 0 2 年，年产量已达1 0 0 0 万m2 ，年产值 4 一昆明堡王盔堂班嚣生堂僮论塞 达1 1 0 亿元，占世界第一位【引。随着太阳能热水器不断推广，太阳能产业将成为 世界快速、稳定发展的新兴产业之一 3 1 。 在太阳能热水系统中，集热器阵列的流体分布很不均匀，对系统敬率构成了 严重的影响，引起国内外高度重视并进行了大量研究。然而，到目前为止，只是 停留在对流体分布不均的规律的研究上，没有能提出解决问题的方法。本课题的 目的正是要对该问题寻求解决的思路与方法。 1 2 课题的来由、研究现状 太阳能热水系统由于系统的一些固有特性，造成了太阳能热水系统的流量分 布很不均匀。而且系统规模越大，流量分布越不均匀。流量大的支管产热水温度 低，而热效率高，相反流量小的支管产热水温度高热效率低，混合后水温并不高 而整体效率较低。这种状况早已引起人们关注并一度成为研究热点。d u n c l e 等早 在1 9 7 0 年在就开始研究，他们假定支管沿集管连续分布的条件下求得系统流量分 布的近似解 4 j ：c h i o u 等仅以单片集热器进行研究研究发现在不同参数状态下 单片集热器流体分布不均匀对板效率造成的影响在2 至2 0 之间t s l 。上海机械 学院王兴安等人在国家自然科学基金的资助下进一步对集热器阵列的流体分布情 况及其对热效率的影响进行了理论分析和实验研究陋”，发现对于顺流( z 型) 布置的集热器阵列有以下特点：进出口两端支管的流量大，中间流量小，甚至处 于滞流状态。对于逆流( u 型，也称c 型) 布置的集热器阵列存在以下特点：进 口端支管流量的很大，另一端流量小，存在短路现象。文献【7 】以4 片集热器组 成的阵列作为研究对象，发现逆流布置时，第一片集热器的流量竞占总流量的 7 6 1 ，而第四片集热器的流量仅占总流量的1 6 ，两片集热器的流量相差4 7 6 倍；顺流( z 型) 布置时，第一和第四片集热器的流量分别占总流量的4 0 0 和 5 1 4 ，而第二和第三片分别占总流量的6 0 和2 6 ，第四片与第三片集热器的 流量相差1 9 8 倍。如此可见其支管的流量分布是很不均匀的。文献【6 】通过对1 6 片集热器组成的阵列进一步对流量分布及其热效率的影响进行研究，从文中实验 的结果图1 1 得，顺流布置时，如图中1 进出口鼯端集热器的温度只是2 0 * ( 2 左 右，而中间部分的出口水温达5 0 c 以上，集热器阵列的总出口水温仅3 2 0 ：逆流 ( u 型) 布置时，进出口端的集热器出口水温几乎与进1 2 1 水温一致嘲，不到 2 0 c ，而另一端则高达5 8 c ，集热器阵列的总出1 3 水温只是2 8 3 1 2 ，水温低的地 方热效率达8 0 以( 局部) ，而水温高的地方热效率只是3 0 左右( 大部) ，平 均效率仅4 4 8 。据文中给出的资料估计，由于流量不均使顺流时燕效率下降 昆明理王态堂班冠生堂僮途童 2 0 以上，逆流时下降5 0 以上，可见由于流量分布不均匀造成的热效率下降是 比较大的。天津大学的赵镇南在忽略集管的磨擦阻力，建立连续性的连续数学模 型，指出汇流集管与分流面积比和支管总面积与集管的面积比的大小对支管的流 量分布有着很大的作用，减小支管流通总截面积与集管截面积之比，才能使太阳 能热水系统集热器阵列流量分布趋向均匀。j o n e s ，l i o r t 和k i k a s 等 1 0 - 1 1 1 以离散数 学模型方式研究集热器的几何尺寸对流体分布的影响，表明对于正常的集熟器几 1 1u 型布置时1 6 片集热器阵列性能 ( a ) 支管流量( b ) 水温分布( c ) 热水器单片效率分布 6 昆塑堡王盍堂班筮生堂焦途塞 2 ) u 型布置时1 6 胯巍热器悻列性能 、 ( a ) 支管流量( b ) 水温分布( c ) 热水器单片效 图1 1集热器阵列流量与热效察分布图 何尺寸，各支管流体分布是十分不均匀的。 综合国内外对太阳能热水系统流豢分布问题的研究状况，、得出如下结论： 1 太阳能热水系统中流体流量分布是很不均匀的，由此对系统热效率的影 响是很大的。 2 到目前为止，国内外的研究都只是对太阳能热水系统作特性的研究，对 系统的了解已经比较充分。 3 对系统流量不均匀的阔题提出的解决办法不够理想，赵镇南提出减小支 管流通总截面积与集管截面积之比，即减小集热器阵列的规模。以现有的3 m 2 规 格的集热器为例，其单片集熟器的支管总截面积与集管截面积之比己达到2 左 右，所引起的流量分布不均匀己比较明显。对于大规模系统，每组集热器的阵列 常由十几片甚至几十的集热器组成，因此，通过减小系统的规模获得流量分布的 均匀化是不现实的，且系统流量的分布仍很不均匀。 综上所述，目前广泛应用的太阳能热水系统。在其集热器阵列中存在着系统 流量分布很不均匀的状况，严重地影响系统的热效率，鼠然多年来人们对其进行 了大量研究，对存在的问题有了清楚的认识，但未能提出比较切合实际的解决办 法。 7 昆明堡王态堂班宜生堂僮途塞 1 3 本课题的主要研究内容 针对太阳能热水系统中集热器阵列中存在流量分布不均的特点，本课题将围 绕如何将流量的分布均匀化展开讨论，探讨解决问题的理论与方法。 l 、通过分析国内外太阳能热水系统的发展历程和发展现状，表明太阳能热 水系统的发展趋势，进一步推广和研究太阳能技术的重要意义。 2 、在分析前人太阳能热水系统流量分布的数学模型和流量分布不均原因的 基础上，建立了离散型二维数学模型。根据支管两端压力差是支管液体流动的动 力，改变支管压力差可以控制流体的流量，因而建立了阻力式离散二维模型。 3 、通过建立自然状态的离散型二维数学模型，利用计算机模拟计算，证明 了阻力式离散二维数学模型的正确，并用实验验证。然后建立使流体分布均匀化 为特征的离散型二维数学模型，探讨如何改变集管阻力系数才能使太阳能热水系 统的流量分布处于均匀状态。同时通过集管的阻力媳势辑与其改变，在理论指导 下通过实验模型探讨工程应用的可能性。 4 、通过建立实验模型，测试必要的流体阻力参数，验近理论分板的结论。 同时并根据实验结果，探讨工程方案，为解决工程问题摄稿揪蔼璐。 通过研究证明，改变太阳能热水系统集热器阵y l l 盼臻溯黼当猢上一定的阻 力配件，太阳能热水系统流量分布基本可以达蓟均钮撬i 篱逶i 篷l 攀诃以提高太阳能 热水系统的热效率。 s 昆明堡王太堂班塞生堂焦i 佥塞 第二章太阳能热水器概况 随着科学技术的发展，人民生活水平的提高及其环保意识的加强，常规能源 的日趋减少，太阳能热利用在全世界范围内得到重视，世界上许多国家纷纷制定 能源发展战略，如日本的“阳光计划”、印度的“绿色能源工程”、美国的“能 源农场，等等。太阳能热水器得到迅速发展，已成为了太阳能热利用中最成 熟、最具经济性的产品。 图2 1太阳能热水器 2 1太阳能热水器发展简介 回顾太阳能热水器发展过程，太阳能热水器大体上分为四个阶段，下面分别 介绍1 1 4 1 。 1 ) 第一阶段( 1 9 0 0 1 9 4 5 ) 在这一阶段，太阳能热水器刚刚起步，太阳能热水器技术比较落后，第一台 太阳能热水器在美国加利福尼亚州诞生，其形状如同一个漆黑的金属桶，它是一 9 昆明理王盔堂班窥生堂焦论塞 种闷晒式热水器。但由于造价较高，且由于吸光率不高，热效率较低，推广价值 不大。在这4 0 多年中，太阳能研究工作处于低潮，太阳能发展比较缓慢。 2 ) 第二阶段( 1 9 4 5 1 9 7 3 ) 在第二次世界大战结束后的2 0 年中，些有远见的人士注意到常规能源日趋 减少，从而呼吁人们重视这一问题，从而推动了太阳能研究工作的恢复和开展， 并且成立太阳能学术组织，举办学术交流和展鉴会，再次兴起太阳能研究热潮。 在这一阶段，太阳能研究工作取得一些重大进展，比较突出的有：1 9 5 5 年，以色 列泰伯等在第一次国际太阳能热科学会议上提出选择性涂层，为高效集热器的发 展创造了条件；1 9 6 0 ，在美国佛罗里达建成世界上第一套用平板集热器供热的氨 一水吸收式空调系统，制冷能力为5 吨。在这阶段，加强了太阳能基础理论和 基础材料的研究，平板集热器有了很大的发展，技术上逐步成熟。而到了后期， 由于太阳能技术处于成长阶段，投资大，效果不明显，难以与常规能源竞争，因 而得不到公众、企业和政府的支持。 3 ) 第三阶段( 1 9 7 3 - 1 9 9 2 ) 在这一阶段，世界上发生了“石油危机”，从而使许多国家重新加强了对太 阳能及其其它再生能源的研究，世界上再次兴起太阳能研究热潮。这一时期，太 阳能处于前所未有的在发展时期，各国开发利用太阳能成为政府行为，支持力度 大大加强。真空集热器研制成功，太阳能热水器、太阳能电池等开始商业化，但 规模较小，经济效益尚不理想。 4 ) 第四阶段( 1 9 9 2 - 至今) 在这一阶段，太阳能产业得到迅速发展，太阳能热水嚣技术基本达到成熟， 全世界开始广泛使用太阳能热水器，尤其是我国太阳能产业的兴起，使太阳能热 水器运用达到一个新台阶。在我国，至l j 2 0 0 0 年，全国太阳能热水器总使用面积达 到2 6 0 0 万平方米。在2 0 0 2 年，以色列在政府的支持下，有8 5 ：的住宅装上了太阳 能热水器：在美国，有1 3 0 多万个游泳池都装上了太阳能热水器1 1 卯。 8 0 年代，日本、澳大利亚、以色列、美国和希腊等国家出现新兴的太阳能热 1 0 昆明理王太堂班宜生堂僮论童 图2 - 2 我国太用热水器年销售 的蛮化 水器工业。进入9 0 年代，我国太阳能热水器 工业发展快速，如图2 2 。2 0 0 0 年，我国 各种类型的太阳能年产量达到6 4 0 万m 2 ，比 、1 9 9 9 年增长4 3 ，根据1 9 8 9 年到1 9 9 9 , 年我国 太阳能集热器销售量发展的状况，我国年销 售量的增长保持在2 5 左右。山东、江浙、 云南和河北分别占有1 5 、1 8 、1 2 和1 0 的市场份额【。至1 9 9 8 年底，我 国太阳能热水器拥有量占世界总量的四分之一，已是国际上公认的太阳能热水器 生产总量最多、潜在市场最大的国家【1 7 1 。 目前，我国热水器主要有玻璃真空管太阳集熟器、平板太阳集热器和闷晒式 集热器三大类，图2 3 给出了2 0 0 0 年真空管式、平扳式和闷晒式热水器市场份 额情况【1 6 1 。真空管式太阳能热水器以自行研究和开 发的全玻璃真空集热器为主导产品，玻璃真空集热 器的产业化刚开始是由清华大学率先将科研成果小 式一中式一小规模生产的基础上实现的。1 9 9 2 年， 清华大学成立了太阳能电子厂，到2 0 0 0 年为止全国 图2 32 0 0 0 年3 种热水共有真空管生产线2 9 0 多条，年生产能力迭5 0 0 万 器市场份额 m2 ，其生产垲主要集中在北京、山东；平扳集 热器以铜铝复合集热器为主，全铜、全防锈铝集热 器次之。平板集热器的产业化以引进国外先进制造集热器吸热板芯技术开始， 1 9 8 7 年，北京市太阳能研究所引进加拿大s u n s t r i p i n c r 制造集热器吸热板芯的 全套铜铝复合辗压吹胀生产线，在我国首先实现现代化生产。到2 0 0 0 年，全国共 有2 8 条生产线，年生产能力达3 0 0 万m2 ，其生产地主要集中在北京、天津、河 北、云南、广东。闷晒式热水器主要分布在农村。 2 3 太阳能热水器发展趋势 根据现状，太阳能热水系统将向以下几个方向发展： 1 ) 随着太阳能技术的成熟，人民生活水平的提高，太阳能热水器市场将不 断扩大，同时太阳能热水器产业规模也将不断扩大。毛e 2 0 0 0 年【1 8 1 ，我国年销售量 约为2 5 0 万m2 ，实用总量约为1 5 0 0 万m2 ，用户率约为3 2 1 。如果在2 0 0 1 2 0 0 5 年，销售量按1 5 递增，在2 0 0 6 2 0 1 0 年，销售量按1 0 递增，在2 0 1 0 2 0 1 5 年，销售量按6 递增，则其结果如图2 4 所示的。到那时，实用总面积达 l t 。 一 一一 昆明堡王盘堂盟究生堂焦途塞 5 9 9 5 万1 1 12 ，我国用户率才达到9 9 9 ，跟以色列( 已达8 5 ) 等相比，还相差 甚远。 图2 42 0 0 1 2 0 15 年我国太阳熟7 | ( 器销售量、宴用总量和用户率 2 ) 太阳能集热器材料将不断改进。目前太阳能热水系统使用的透明隔热材 料存在抗冻性不强、易损坏、抗老化不好等特点，随着材料性能提高，质量的改 善，太阳能热水系统的热效率将会不断提高。 3 ) 太阳能选择性涂层的制备技术将不断改进。目前选择性涂层制各技术有 三种：喷涂与溶胶方法，化学与电化学方法和真空蒸发与磁控溅射方法【l9 1 。如果 选择性涂层制各技术提高，那么吸收涂层具有优异的光谱选择性，即高的太阳吸 收比，低的发射比，太阳能热水系统吸热效率提高，因而使太阳能热水系统总热 效率得到提高。 4 1 太阳能热水器系统与建筑结合。目前我国太阳能热水器安装基本上是在房 屋建成后再购买设备安装的后置部件安装而成。这样不仅影响房屋的美观，而且 增加了资源浪费( 比如水管的重新安装、电路的改装等费用) 。太阳能热水器与 建筑密切结合，寻求建筑的外形美观、布局合理、管路规范的太阳能建筑，同时 又能提高太阳能热效率，也会节省大量的常规能源。 5 ) 太阳能热水系统在大型生活设施应用 随着工业的发展，人口越来越集中，建筑立体化发展，使用热水比较集中， 同时工业生产用热增加，采光面积可以达到几百甚至几千平方米，大规模的太阳 能热水系统将会得到广泛运用。 6 ) 太阳能热水系统功能多元化 随着太阳能技术的提高，太阳能热水系统不仅提供热水，而且作为太阳能空 昆盟堡王盔主班嚣生主焦论塞 调，利用太阳能产生的热水制冷；又可用来发电，使太阳能热利用率达到最高。 在我国，中科院广州能源所在广东省江门市建成了i o o k w 太阳能空调系统，采用 的是高效率平板太阳能集热器、低温运行的两级吸收式制冷机。 7 1大力开发多能互补的高性能太阳能热水器 太阳能热水器与已装备的煤气热水器配合使用，同时将太阳能热水器与电配 合使用。在不同的地区，为满足不同客户的要求，结合各种资源一起使用。 昆明堡王盔堂班宜生堂僮途塞 第三章 理论模型的建立与研究 3 1 引言 目前太阳能热水系统集热器的流量分布很不均匀，但是至今还没有提出具体 的解决方法和理论，本章将着重从理论上分析如何将热水系统流量分配趋向均 匀。对于太阳能热水系统u 型阵列布置比较少用，因而着重讨论z 型阵列时太阳 能热水系统流量分布问题。根据流体力学知识，流体流动的动力为管路两端的压 差，压差越大，流速越高，流量就越大。显然，并联管路中支管流量分布决定于 分流集管和汇流集管的压力分布。对于两集管的压力分布作如下分析，集管的压 力分布决定于集管内流体动能与静压能的相互转换和各流体的沿程阻力损失。对 于分流集管，由于分流作用，流量沿集管越来越小，即流速越来越小。又由于流 速减小，使得流体动能减小，静压能增加；同时流速越来越小，阻力损失趋缓。 两种因素作用可能有以下几种结果：1 ) 若分流集管沿程阻力系数较小，分流作 用较大时，则集管的压力沿程上升；2 ) 若沿程阻力系数较大时，沿程阻力损失 大于分流作用，则集管的压力将渐步减小；3 ) 若开始分流集管的流速较大，沿 程阻力损失大于分流作用，之后随着流速减小，分流作用大于沿程阻力损失，则 集管的压力先下降，又缓慢上升。对于汇流集管，由于其汇流作用，流量越来越 大，即流速越来越大。由于流速增大，使得流体动能增大，静压能减小；同时流 速越来越高，阻力损失加大，两种因素都使得静压能减小，其结果必然使汇流集 管的压力减小，而且由于支管不断地补充流量，其集管蜘流速越来越大，静压能 减小的幅度将越来越大。由于分流集管的压力分布第一种可能性比较小，则后两 种集管压力分布如图3 一l 所示，图中( a ) 表示分流集管为集管压力沿程减小的并 联管组压力分布示意图；图中( b ) 表示分流集管的压力先下降后上升时并联管 组压力分布示意图。从示意图中可知两集管压力分布不相同，但都存在两端压差 大，中间的压差较小的特点。从而使太阳能热水系统流量分布规律呈现两端流量 大，中间流量小的现象。为了使流体均匀分布，就必须使各支管的压差相同，即 各支管的流量相同。因此需要调节两集管的压力分布，使支管两端压力差基本一 致，这样就可以太阳能热水系统流盛分布均匀。为此通过加阻力来调节两集管的 压力分布，即在集管上加大的阻力则集管的压力下降快，小的阻力则集管的压力 下降慢。因而在进口端将汇流集管的压力升高，在出口端将分流集管的压力降 低，如图3 2 示意图所示，那么太阳能热水系统流量将会得到均匀分布。 t 4 一一垦塑堡三奎兰堕塑生堡苎 一j 。 日 、 3 0 0 0 时，设 k = a r c b ( 4 4 ) 待定系数a , b 利用最小二乘法与实验数据结合而得，数据处理由计算机进行。计 算结果如下： k = 4 4 3 5 3 5 r e ：o 1 8 3 9 ( 4 5 ) 4 2 2 测量单片集热器集管的沿程阻力系数 测量汇流集管的沿程阻力系数时，将实验模型中单片集热器的分流集管的 进、出水球阀关闭，如图4 6 所示；测量分流集管的沿程阻力系数时，将实验 模型中单片集热器的汇流集管的进、出水球阀关闭，如图4 7 所示： 1 i e= 自j *- = # 硼 ， 彦k 。 j ，j k ! i 描= 剥，e 舛。托斟；栅 图4 6 测上集管沿程阻力系数进水简图 测量单片集热器集管的沿程阻力系数时，考虑到单片祭热器中各根支管的存 在，液体流过时将会产生漩涡，而每根支管对集管的影响又_ 不同，因而将单片集 热器所有的局部阻力损失视为一起，作为个总沿程阻力系数，则有； 1 i ，2 4 p 甜否 ( 4 6 ) 昆明理王盍堂班宜生堂僮论童 = j ：# 2 端= = h 目 、 、 伊 7 + h j 崩i= d ，啡 = b i 衅比，d 圈4 7 测分流集管沿程阻力系数进水箍图 根据实验数据，利用最小二乘法对集管沿程阻力系数k 进行求解，碍： k = 4 6 0 9 4 8 6 r e _ 0 3 3 1 5( 4 7 ) 4 _ 3 流体均布模型实验研究 为验证理论分析所得的结果，实验将按照第三章第三节进行调整，在进口端 调节系统汇流集管的球阀，出口端调节系统分流集管的球阔，把出水端第一片分 流集管的球阀开度调小，然后依次增大；同理在进口端第一片汇流集管的球阀开 度调小，然后依次增大。通过观察各片集热器的压力差判断流体分布的均匀性， 适当调整阀门开度。 在不同流量下，通过调节阀门开度，使得各片集热器的压力差趋于均匀，以 此说明其流体分布也基本均匀，实验数据如表4 1 ，图4 - 7 所示 哥 o 曲 = 气豇 。 、， 山l 警氟 露喜 藩簖簖 宴窨 窑 心 睿 皿窑旃心 苗面 盗辫罄瓣苗藩 蔷 漭 斋 擤 褂弗蔷弗蔷露 瓣 释 蕊 辩 溢错灌 戳藩斟 瞪 秭 瞧 馘 瞧皑皑 小q a a昏a 、葫撇 l _ 碍 o j 西 l 1 j 一 _u 1uo o 年 m一西 u- - , j i 一 一 a 山猹 汁 mb l ol u -u io f f 丑 o 一 0 0u 汪 器 u l 寥 西 0 n a 基 a l h l 狱* 上-uo o 、ju loi s 琶 _、ju iui i l 耳 _ l 翘小 n 9吼 mq o u 、j s _譬a o 】 瑁 埘 u io 一 x “ v f _ 一 _ e _ 研 小o a 9 _ o u 猕 o o 口 盒斟 8 。q n &o q 一 耳 心_ l u h uo u h- k 凇 _ 印 l aa小q u _ 譬 mou 墨 l 一 n ul 一 耳 o o oo oooo o o 8 舔趟 o o_ s 、j s 、jo心 箫苗 ul au laa 冀避 指 o o 也 o一 9酱 f l l 嚣 吣 盒 h 上 ” 卜 h o u 。 u i - 金 l u o 一 n 书港斑汁家湃洳丰旨长寓高m书苗驿游凿书苗搏露氏麻舌苍蜘汁寓。 铎釜嘲姆尉辎梧嚣雄爆田撩葵皿卜嘲塔匿佟榭蒯蘩繇林寸匾 厶 汁丑熙瓣游韶辑型糌蜉薄湘血牟犍龄湘匕葛i交 蓊磐*龆弧漤器口誊淞隶高y汁两嚣漤*着；辫叮游碧谢辫慊藩瞳舌3牟凇黼_|芋、 卅l冲面嚣漤才(弧漤瀚誉帮碍漫韩海耕照脚舔湘灯卑犍垂吉湘氏蜉 彳导艮譬-f舔汩谢iv。 c o o ) 出 每 o 曲 一一 c o 戛雾 o o 吣4 是脚 卑渣耳整 立 整肆墅牟燕 錾 犍帅犍呻将冲犍脚犍脚 罅旃谁拣簿勰 罅虢罅赫 油池油湘湘湘湘湘湘沲 u 这 t t , o濉 o q l o崎q o jo小 毒 o q 上 一 _uon 一 高x 淞 l h ii 拜 o上-q 荩盒 o 埠 丑mu卜) 器 uuh ju 1 糖 辫 ou 0 0u a * qu lo_一o 口q 坪 讯 辫 粮 卜) p 溜 漤 o奈 豁 口崎 警 翻 躯 q_ _ 滩 爵 漫 一一一 糖 一 ooo 斟 邑 、ju qqq囊u 、j 厶 耳 、j口 一 l nu oo 】 o juuuuo ju u 磊 艟 c h电_u i小 、】ao j 口ou 口 o jl 蜜 a 耳 0qou uo ；主。酗耳藩啦冲豇簖脚嚣叫冷 昆明理王太堂硒宜生堂焦j 金塞 从计算机计算结果与实验数据比较可知，得到以下几点结论； 1 ) 计算机计算结果与实验数据，都是中间小，两端大，两者流量分布趋 势基本一致。从表4 2 中可以发现，在不同流量各板流量分布均为第一片和第 六片均很大，而且两者之中，第六块为系统中流量为最大的一片。从而证明了数 学模型的正确。 2 ) 计算机计算结果与实验数据两者有一定的误差，在模型中系统流量 中，第三片中流量为最小，第四片中流量稍微增大。而在计算机计算结果中，第 三片与第四片中流量都很小，不均度( 标准系数差) 增大。这是由于在数学模型 中，将汇流集管的汇流作用与分流集管的分流作用视为了集管的阻力使计算机计 算模型产生定的误差。 总之，计算机计算模型与实验模型有一定的误差，但基本上与实验模型一 致。 4 5 实验，j 、结 经过对太阳能热水系统实体模型的实验，褥出以下几点： 1 ) 得到实验模型的支管阻力系数和集管沿程总阻力系数的计算公式。 支管阻力系数k 3 = 4 4 3 5 3 5 r e 。m 9 ： 集管总沿程阻力系数k - - - - 4 6 0 9 4 8 6 r c ”5 。 2 ) 通过对太阳能热水系统的模拟，得到了太阳能热水系统z 型布置时在不 同进口流量下的流量分布。 3 ) 通过对太阳能热水系统实体模型阻力系数的调整，实现了集热器阵列流 体分布均匀化，验证了第三章理论的正确性。 4 ) 得到集管总流量对热水器系统的影响：集管总流量过大或过小都会使 太阳能热水系统集热器阵列中的流量分布的不均匀度有所增大。 昆盟堡王盔堂班究生堂僮论窒 5 1 结论 第五章结论与展望 本文针对耳前平板太阳能热水系统集热器阵列流量分布不均的问题，进行理 论和实验研究，得出以下结论： 1 为了论证阻力对热水系统的影响，提出了一种简单的数学物理模型，进 行计算机模拟计算，并通过实验模型的验证，两者的误差不超过8 ，验证了数 学物理模型的正确。 2 建立了“流体均布模型”，利用计算机模拟计算，得出了流体均布状态 与太阳能热水系统的阻力分布关系，并建立了流体均布的实验模型加以验证。按 理论计算的集热器阵列集管的阻力特征设置集管阻力，太阳能集热器阵列中的流 量分布趋于均匀，太阳能集热器阵列中流量分布的不均度在0 1 以下。 3 探讨工程运用方案，讨论在不同的阻力配置下流量分布规律，得出了在 最少的设置阻力情况下，而达到流体分布比较均匀的一种工程方法。 需要指出的是，本论文虽然研究了太阳能热水系统阻力与流量分布的关系， 但并没有提出真正地解决实际问题的方法。本文中的阻态是以瑞阕代替。通过调 节球阀的开度，改变阻力的大小实际工程中完全可以堰避政交纂热器的结构、 适当加入某些阻力配件。本文中所作的研究还很