全玻璃真空管太阳能热水器掺混现象分析研究

摘要

太阳能以其取之不尽用之不竭的巨大优势使得全玻璃真空管太阳能热水器的利用成为农村实现可再生能源替代传统能源供暖和减少环境污染的有效途径。全玻璃真空管太阳能热水器用于建筑供暖过程中因强制对流的存在会对热水器内温度场、流场产生影响，从而导致供能不稳等问题。 为研究太阳能热水器内的流场和温度场，本文以甘肃省兰州市七里河区魏岭乡的一座 99m2 单体建筑供暖系统中的第一组全玻璃真空管太阳能热水器作为研究对象，在实际工况下测量并分析了储热水箱、真空管内的温度分布，储热水箱热损系数，利用数值模拟方法研究了强制循环条件下 1kg?s、2.85kg?s、4kg?s进口流量以及 25?C、35?C 进口温度对全玻璃真空管热水器储热水箱内流场和温度场的影响。 本文的主要研究结论如下： (1)利用雷诺数Re和瑞利数Ra判断全玻璃真空管太阳能热水器水箱部分和真空管部分内部流体的流态，经计算雷诺数 Re=98622.7>4000，水箱内流动状态为湍流；Ra=5.32×106?T，而真空管内温差不可能大于 50℃，因此Ra?109，无论何时真空管内流动状态必为层流。 (2)实验结果显示，2018年2月6日为晴天并且环境风速小于1m?s，环境温度在-12.7℃～2.7℃之间，全玻璃真空管太阳能热水器安装倾角为 45°，进水口水的平均质量流量为2.85kg?s，真空管内轴向温度低于水箱温度，该情况下距真空管轴向出口端 1.7m 处水的温度随着时间一直在变化，24 小时内基本均低于距真空管轴向出口端0.9m、0.4m处水温。但在12:00-18:00时间段内，由于太阳辐射增强了真空管内的对流换热，1.7m 处温度与 0.9m、0.4m 处水温非常相近，而在其他时间段内，则低于 0.9m、0.4m处的温度。由于太阳辐射增强了真空管与储热水箱内水的对流换热，水箱内温度存在分层现象，距水箱顶部0.1m、0.18m处的温度相近，并且在9:00—16:00时间段，真空管内温度与水箱 0.10m、0.18m测点位置的温度相近，而0.28m处的温度较低。在没有太阳辐射的时候，由于水箱内的强制对流，并且水箱与真空管的对流换热减弱，因此水箱内温度分布较为均匀。 （3）2018 年 02 月 06 日全玻璃真空管太阳能热水器内真空管温度分层主要发生20:00-00:00及00:00-9:00，温度最大相差3.75℃，储热水箱内温度分层主要发生在9:00-18:00，温度最大相差8.0℃，两个部分温度分层时间基本相反。2018年 02 月 07 日 17:20-18:00 在太阳辐射和强制循环同时存在时间段内，真空管轴向温度分布较均匀，最大相差1.0℃，随着水箱进口温度的增加，水温逐渐升高，但出现了明显的分层现象，最大温差达到 8.1℃。 (4)通过计算，得到无太阳辐射时真空管内自然对流质量流量为0，非强制循环条件下太阳能热水器的热损系数平均值大小为 2.14W?(m2?℃)，强制循环情况下太阳能热水器的热损系数平均值大小为 29.08 W?(m2?℃) ，两者相差约26.94W/(m2??C)，后者是前者的12.6倍。 (5)通过将2018年02月06日17:20-18:00有强制循环但无太阳能辐射条件下对应试验数据和模拟结果进行对比分析，证明模拟结果和方法是正确的，进而对全玻璃真空管热水器内整体温度场和流场进行分析，结果显示在实验条件下，热水器入口流量为 2.85kg?s 时，在太阳能热水器储热水箱台肩处以及真空管与储热水箱连接处会形成涡旋，在上台肩处由于主流惯性产生分流，形成比较大的涡旋，并在粘滞力的作用下带动涡旋旋转，而水箱连接处的涡旋强度在轴向先减弱后增强。 (6)储热水箱进口温度为均为25?C，入口流量分别为1kg?s、2.85kg?s、4kg?s时，来流质量流量越大，速度降越慢，储热水箱内温降越快，掺混越剧烈；质量流量越大，储热水箱上台肩处涡流越大，能量损耗也越大。 (7)质量流量为2.85kg?s，入口温度分别为25?C，35?C时，温度较低的流体能够更快的与储热水箱内流体掺混，但也使得水箱内流体温度降低的更快，从而增加对环境的散热量，降低供暖效率。 本课题的创新点如下： (1)分析带有强制循环策略的全玻璃真空管太阳能热水器在一天24h内的温度场，并对强制对流情况下储热水箱热损系数与非强制对流情况进行了对比分析。 (2)通过模拟分析真空管插入水箱内部时入口流量、温度对无太阳辐射、强制循环条件下全玻璃真空管太阳能热水器内温度场和流场的影响，揭示了储热水箱内部掺混的机理。 本研究得到了国家重点研发计划课题（2018YFB0905104）、国家自然科学基金项目（51676094）、甘肃省国际科技合作专项（1604WKCA009）和兰州市人才创新创业项目（2017-RC-34）等项目的联合资助，在这里表示感谢。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2全玻璃真空管太阳能热水器国内外现状

1.3 国内外研究现状对本课题的启示

1.4 本课题研究目标、内容和意义

1.5 本章小节

第2章 全玻璃真空管太阳能热水器研究方法

2.1 试验研究方法

2.2数值模拟研究方法

2.3流态判断及求解模型选择

2.4控制方程

2.5近壁区的流动计算

2.6本章小结

第3章 试验与数值模拟分析

3.1试验数据分析

3.2数值模拟

3.3实验验证与数值模拟结果分析

3.4本章小结

总结与展望

本文研究工作总结

本文的创新点

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