二次换热式太阳能热水器的应用研究

【摘要】：目前,随着世界经济的快速发展,传统能源危机日益严峻。加快新能源特别是太阳能的开发利用力度,已成为我国迫在眉睫的一项任务。现在应用最广泛的全玻璃真空管太阳能集热器和平板型太阳能集热器,虽然工艺技术较为成熟,但都存在集热效率不高、缺乏储能设备,用水清洁度得不到保证等不足之处。因此本文创新性的提出一种融集热、储热、提热于一体的新型太阳能集热器概念。这种集热器采用二次换热形式,同时利用相变储能材料将白天吸收的太阳辐射能储存起来供需要产生热水时使用。这样既解决储能问题,又实现热水即产即用,从而保证用水的清洁卫生。 本文以理论结合实验的方法,研究了二次换热式家用太阳能热水器和储能式太阳能热水系统的热性能。首先,理论分析真空管太阳能集热器工作原理和太阳能热储存原理。其次,通过实验测试二次换热式家用太阳能热水器和储能式太阳能热水系统的相关传热参数。主要包括：真空集热管内传热工质温度变化规律、不锈钢套筒换热器换热性能、二次换热式家用太阳能热水器取热性能、储能材料相变规律和温度场分布、出水水温变化规律,以及水流量对铜管换热性能的影响。 实验结果表明,第一,用水或乙二醇水溶液作为传热工质,镀膜真空集热管作为集热器时,两种方案的二次换热式太阳能热水器的平均日效率可达到54%,平均热损系数仅为0.63W/(m2·K)左右。真空管集热器中传热工质吸收的能量,以热对流和热传导的方式通过不锈钢套筒换热器传递给贮水箱的水,在夜间使用热水的情况下,能保证把集热器吸收的能量传导到贮水箱中去。第二,储能式太阳能热水系统的平均日效率为52.03%,直接系统的平均热损系数为0.58W/(m2·K),间接系统的平均热损系数为0.41W/(m2·K)。储能式太阳能热水系统为强制循环系统,在储能箱储能过程中,系统循环水通过螺旋盘管换热器将热量传递给相变材料以达到储能目的。在取热过程中,铜光管外管壁周围的储能材料首先通过热传导把热量传递给流经盘管的水,储能材料释放能量后,当温度低于相变点时,会出现储能材料凝结在铜管外表面上,而离盘管较远处的储能材料仍处于液体状态,铜光管外表面凝结的储能材料阻碍液态储能材料向铜管内的自来水传递能量,因此会造成相变材料材料储存的能量无法提取这种现象。 二次换热式太阳能热水器具有抗冻性好,能量便于储存,用水清洁卫生等优点,但相对于技术成熟的传统式太阳能集热器,仍存在总效率偏低,成本较高等不足。要增强该系统的实用性,还有待进一步的改进性实验研究。 【关键词】：传热性能 二次换热 储能 太阳能集热器 相变材料
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK513
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-11
• CONTENTS11-14
• 第一章 绪论14-21
• 1.1 引言14-18
• 1.1.1 太阳能利用的意义14-17
• 1.1.2 太阳能利用的特点17-18
• 1.2 中国太阳能集热器的发展历程及现状18-19
• 1.2.1 中国太阳能集热器的发展历程18
• 1.2.2 中国太阳能热水器的发展现状18-19
• 1.3 太阳能热储存技术研究19-20
• 1.4 本研究课题来源及主要研究内容20-21
• 第二章 真空管式太阳能集热器原理21-37
• 2.1 真空管太阳集热器21-24
• 2.1.1 全玻璃真空管型太阳集热器21-22
• 2.1.2 金属-玻璃真空管型太阳集热器22-24
• 2.2 全玻璃真空集热管的热性能分析24-29
• 2.2.1 集热管的能量平衡方程24-26
• 2.2.2 投射到集热管上的总太阳辐照能量26-28
• 2.2.3 集热管的热损失分析28-29
• 2.2.4 集热管的有用能量29
• 2.3 集热器表面的太阳辐射能29-32
• 2.3.1 太阳常数29-30
• 2.3.2 集热面上太阳入射角的计算30
• 2.3.3 倾斜表面上面太阳辐射量的计算30-32
• 2.4 太阳能热水系统概述32-36
• 2.4.1 自然循环式太阳能热水系统32-33
• 2.4.2 直流式太阳能热水系统33-35
• 2.4.3 强制循环太阳能热水系统35-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第三章 太阳能热储存原理37-44
• 3.1 太阳能显热储存37-39
• 3.1.1 显热储存的一般原理37-38
• 3.1.2 液体显热储存38-39
• 3.1.3 固体显热储存39
• 3.2 太阳能潜热储存39-42
• 3.2.1 潜热储存的一般原理40
• 3.2.2 潜热储存的优点40-41
• 3.2.3 潜热储存系统设计中存在的问题41-42
• 3.3 太阳能化学反应热储存42-43
• 3.3.1 太阳能化学热储存一般原理42
• 3.3.2 可逆化学反应储热的优点42-43
• 3.3.3 可逆化学反应储热主要缺点43
• 3.4 本章小结43-44
• 第四章 间接式家用全玻璃真空管太阳能集热器设计和实验研究44-61
• 4.1 热负荷的计算44-45
• 4.2 采光面积的计算45-46
• 4.3 换热器设计46-47
• 4.4 间接式家用全玻璃真空管太阳能集热器实验方案47-48
• 4.5 不同方案系统实验研究48-60
• 4.5.1 方案一实验研究48-54
• 4.5.2 方案二实验研究54-58
• 4.5.3 方案三实验研究58-60
• 4.6 本章小结60-61
• 第五章 储能式太阳能热水系统设计和实验研究61-75
• 5.1 系统设计方案61-62
• 5.2 热水系统负荷计算62
• 5.3 采光面积的计算62-63
• 5.4 储能材料的确定63-64
• 5.5 换热器及储能箱设计64-67
• 5.6 储能式太阳能热水系统实验方案67-68
• 5.7 系统平均日效率和平均热损系数的测定68-71
• 5.7.1 系统平均日效率测定69-70
• 5.7.2 系统平均热损系数测定70-71
• 5.8 系统集热性能实验研究71-72
• 5.9 系统取热性能实验研究72-73
• 5.10 本章小结73-75
• 结论与展望75-77
• 参考文献77-81
• 攻读硕士学位期间发表的论文81-83
• 致谢83

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