全玻璃真空管太阳热水器夜间散热特性研究

摘要

全玻璃真空管太阳热水器因其结构简单、性能优良、性价比高的特点，在我国得到了广泛的应用。其夜间热损失的多少不仅影响着为用户供应热能的稳定性，还影响着热水器夜间的抗寒防冻能力。目前，国内外关于热水器集热性能方面的研究已有很多，而定量分析多因素对夜间热损失的影响以及夜间热水器内流动传热特征的研究还没有。 本文以全玻璃真空管太阳热水器为研究对象，首先对夜间散热过程进行了理论分析，找出了影响热水器夜间热损失的关键因素。为了揭示初始温度、环境温度、风速等外界因素对热水器夜间热损失的影响，搭建了全玻璃真空管太阳热水器热损失测试平台，进行了连续14天的夜间热损失试验。根据试验结果分析得到贮热水箱对流热损失、真空管辐射热损失和对流热损失占热水器总热损失的比例，得到了外界因素与热水器夜间热损失的多元线性回归方程。 为分析热水器贮热水箱保温材料的导热系数、保温层厚度以及真空管涂层发射率等自身结构参数对夜间热水器热损失的影响，利用CFD软件对全玻璃真空管太阳热水器夜间的散热过程进行了模拟研究。在得到了热水器自身结构参数对夜间热损失的影响的同时，还揭示了热水器散热过程中流动传热的规律。 主要内容和结论如下： （1）在热水器夜间散热的过程中，贮热水箱由于向周围环境散热，贴近壁面处的流体温度率先下降，密度变大，沿着水箱壁面向下流动，速度较大，其余部位流体的流速很小。同样，贴近真空管壁面处的流体也向下流动，管内温度较高的流体在浮升力的作用下向上流动，并迫使一部分还未到达真空管底部的冷流体一起回流进入水箱。此时，水箱与真空管联结处出现随机的漩涡。随着散热的进行，整个热水器内温度分层越来越明显，流体的流速愈来愈小，管内静止区域逐渐扩大。 （2）夜间热水器的热损失主要包括水箱的对流热损失、真空管的对流热损失和辐射热损失。其中，真空管的辐射热损失最大，约占热水器总热损失的57.8%。其次是水箱的对流热损失，占比约为32.1%。真空管的对流热损失最小，约占3.7%。其余热损失为水箱和真空管联结等其他因素引起的热损失。 （3）在热水器结构参数不变的条件下，采用多元线性回归方法分析了初始温度、环境温度和风速对贮热水箱夜间温降、真空管夜间温降以及热水器夜间热损失的影响，具体结果如下：水箱初始温度每增加1℃，其夜间温降增加0.15℃，热水器夜间热损失增加0.13MJ；真空管初始温度每增加1℃，其夜间温降增加0.53℃，热水器夜间热损失增加0.22MJ；平均环境温度每增加1℃，水箱夜间温降减少0.08℃，真空管夜间温降减少0.26℃，热水器夜间热损失减少0.18MJ；平均风速每增加1m/s，水箱夜间温降增加0.11℃，真空管夜间温降增加0.01℃，热水器夜间热损失增加0.10MJ。 （4）对于贮热水箱保温材料的导热系数为0.035W/(m·K)、保温层厚度为50mm、真空管涂层发射率为0.06的热水器，选用导热系数为0.020W/(m·K)的保温材料时，热水器夜间热损失可减少8.5%；选用60mm厚的保温层时，热水器夜间热损失可减少5.0%；选用涂层发射率为0.05的真空管时，热水器夜间热损失可减少4.0%。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.1.1 太阳能和太阳能热利用

1.1.2 太阳热水器

1.1.3 全玻璃真空管太阳热水器

1.2 国内外研究现状

1.2.1 全玻璃真空管太阳热水器研究现状

1.2.2 热水器夜间散热和内部流动情况研究现状

1.2.3 国内外研究现状总结与启示

1.3 本课题研究的目标、内容及意义

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.3.3 研究意义

1.4 本章小结

第2章 全玻璃真空管太阳热水器夜间散热过程分析

2.1 全玻璃真空管太阳热水器夜间散热过程分析

2.1.1 贮热水箱的散热过程分析

2.1.2 全玻璃真空管的散热过程分析

2.2 全玻璃真空管太阳热水器的夜间热损失

2.3 全玻璃真空管太阳热水器夜间散热影响因素分析

2.4 本章小结

第3章 全玻璃真空管太阳热水器夜间散热特性试验研究

3.1 试验研究方法

3.1.1 试验目的

3.1.2 试验台介绍

3.1.3 数据测量和采集系统

3.1.4 试验结果计算依据

3.1.5 试验误差分析

3.2 全玻璃真空管太阳热水器内的温度变化

3.2.1 全天热水器内的温度变化

3.2.2 夜间热水器内的温度变化

3.3 各个因素对夜间热水器内温度的影响

3.3.1 初始温度对夜间热水器内温度的影响

3.3.2 环境温度对夜间热水器内温度的影响

3.3.3 风速对夜间热水器内温度的影响

3.3.4 多元线性回归分析多因素对夜间热水器内温降的影响

3.4 夜间全玻璃真空管太阳热水器的热损失

3.4.1 夜间热水器的热损失分析

3.4.2 多元线性回归分析多因素对夜间热水器热损失的影响

3.5 本章小结

第4章 全玻璃真空管太阳热水器夜间散热特性模拟研究

4.1 数值模拟方法介绍

4.2 数值模拟的具体过程

4.2.1 建立模型

4.2.2 划分网格

4.2.3 前处理设置

4.2.4 求解器设置

4.2.5 后处理查看结果

4.3 夜间全玻璃真空管太阳热水器内的温度和速度分布特性

4.3.1 模型验证

4.3.2 夜间热水器内的温度和速度分布特性

4.4 结构参数对夜间热水器内温度和热损失的影响

4.4.1 贮热水箱保温材料的导热系数对夜间热水器内温度的影响

4.4.2 贮热水箱保温层厚度对夜间热水器内温度的影响

4.4.3 真空管涂层发射率对夜间热水器内温度的影响

4.4.4 结构参数对热水器夜间热损失的影响

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的论文

附录B 攻读学位期间获奖情况