【摘 要】
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在太阳能中低温热利用中,传统的U型全玻璃真空管集热器易生产价格低,得到了广泛应用,但管内工质流动是由浮力和热虹吸产生的,换热效率较低。本文提出一种直通式全玻璃真空管集热器,属于强制对流的主动换热,热性能好,更具成本效益,同时管道中的主动流动有助于改善水质,在大型太阳能热水系统利用中具有重要意义。本文围绕直通式全玻璃真空管集热器,通过MATLAB软件模拟计算、FLUENT软件仿真和实验验证相结合的方
【基金项目】
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国家自然科学基金重点项目（51736006）；
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在太阳能中低温热利用中,传统的U型全玻璃真空管集热器易生产价格低,得到了广泛应用,但管内工质流动是由浮力和热虹吸产生的,换热效率较低。本文提出一种直通式全玻璃真空管集热器,属于强制对流的主动换热,热性能好,更具成本效益,同时管道中的主动流动有助于改善水质,在大型太阳能热水系统利用中具有重要意义。本文围绕直通式全玻璃真空管集热器,通过MATLAB软件模拟计算、FLUENT软件仿真和实验验证相结合的方法开展研究,主要内容和结论如下:（1）首先根据全玻璃真空集热管的国家标准以及工作要求,参照传统U型全玻璃真空集热管设计方法,设计了两端均熔封,没有自由端的直通式全玻璃真空集热管。为了保证集热器在工作时的安全性及寿命,从理论和实验两个角度验证了直通式全玻璃真空管集热器满足实用可行性的要求。（2）为了研究集热器在运行过程中的温度分布特性,利用有限元方法,以集热器单元为研究对象,以SOLTRACE模拟得到的吸热管能流密度为边界条件,通过ANSYS热仿真模拟得知:集热管速度场和温度场分布不均匀,有左右对称分布的特点,吸热管壁面温度在轴向上逐步增大,而在径向上随圆周角增大而降低且逐渐趋于平缓,分别在圆周角θ=0°和θ=180°时达到最大值和最小值,且在圆周角0°～100°之间变化最大。吸热管外壁面温度受工质入口流速和太阳辐射强度影响较大,传热工质流速小,工质在吸热管出口截面温度高,但外壁面最高温度和温差较大,因此合理控制工质入口流速很重要。（3）进一步研究集热器热性能,根据能量流动方式,建立单根集热管的一维传热模型,分析其传热过程,并推导集热管热损失系数UL、瞬时热效率η和进出口温差（To-Ti）等表征其热性能的参数表达式。借助MATLAB软件编程,采用假设温度法迭代求解,分析集热管热性能的影响因素:环境温度、风速及太阳辐射强度对集热器热性能影响较大,应充分利用气象参数提高集热器热性能;工质入口温度越高,热效率越低,进出口温差较小,工质入口温度等于环境温度时,瞬时效率为定值0.456;随工质流量增加,进出口温差先下降最终趋于平缓,因此实际应用中应选取合适的运行参数,使集热器热性能最佳。（4）搭建真空集热管的热性能实地测试平台,运用动态测试的方法采集数据,将实验结果与模拟结果进行比较分析,热仿真模拟与一维传热模拟误差分别在7.4%和11.80%以内,验证了理论建模的可靠性。通过对比试验得知,直通式集热管的瞬时热效率比传统一端封闭的集热管约高25%。
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