CN102226591A - 太阳能空气集热器 - Google Patents

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collector
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张欢
由世俊
李宪莉
高煜
李博佳
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Tianjin University
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Tianjin University
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Abstract

本发明公开了太阳能空气集热器，它包括外壳，在所述的外壳内镶嵌有隔热层，在所述的外壳的开口端盖有真空玻璃盖板，在所述的外壳的下端开有进风口，在所述的外壳的顶部设置有出风口，在所述的外壳和真空玻璃盖板构成的空间内安装有冲缝型吸热板，真空玻璃盖板与冲缝型吸热板之间以及冲缝型吸热板与外壳之间分别形成流道。真空玻璃具有透过率高、传热系数小、抗压能力强等优点，它的应用可以有效地减小集热器的热损失。采用本集热器增加了吸热板与空气之间的对流换热面积，增大了气流扰动，提高了空气与吸热板的对流换热系数，增强了辐射、对流换热能力。

Description

太阳能空气集热器
技术领域
本发明涉及空气集热器，具体涉及太阳能空气集热器。
背景技术
平板型集热器对太阳直接辐射和漫射辐射均能吸收，该种集热器具有投资小，结构简单，故障少，维护管理方便，易与建筑结合等优点，因此，相对于真空管集热器来说，该集热器在村镇建筑中的应用空间更大。
然而，该种集热器的集热效率较低，国内外许多学者已经从增强吸热板与空气之间换热、增大换热面积和减小热损等几方面对其进行改善，如吸热板加装隔板、隔板上附加翅片、倒角、金属丝网及起皱模块等等，并由此开发了许多类型的空气集热器，如：[1]H M Yeh，C D Ho.Collector efficiency of double-flow solar air heaters with fins attached[J].Energy，2002，27(8)：715-727.(翅片式双流程太阳能空气集热器的集热性能研究)[2]Cengiz Yildiz，I T Togrul. Thermal efficiency of an air solar collector with extended absorption surface and increa sed convect
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单，造价低，集热效率高以及安装方便的太阳能空气集热器。
本发明的太阳能空气集热器，它包括外壳，在所述的外壳内镶嵌有隔热层，在所述的外壳的开口端盖有真空玻璃盖板，在所述的外壳的下端开有进风口，在所述的外壳的顶部设置有出风口，在所述的外壳和真空玻璃盖板构成的空间内安装有冲缝型吸热板，真空玻璃盖板与冲缝型吸热板之间以及冲缝型吸热板与外壳之间分别形成流道。
本发明的突出优点是：
真空玻璃具有透过率高、传热系数小、抗压能力强等优点，它的应用可以有效地减小集热器的热损失。冲缝型吸热板增加了吸热板与空气之间的对流换热面积，增大了气流扰动，提高了空气与吸热板的对流换热系数，增强了辐射、对流换热能力，从而实现了结构简单，造价低和集热效率高的目的。该集热器保温和密封性能好，安装方便，有效解决了其与太阳能建筑的一体化问题，实现了技术与艺术的有机结合。
附图说明
图1是本发明的太阳能空气集热器的主视图；
图2是图1所示的集热器的1-1剖面图；
图3是图1所示的集热器的俯视图；
图4是图2所示的集热器的冲缝吸热板主视图；
图5是图4所示的冲缝吸热板的冲缝作法大样图；
图6是图1所示的集热器的后视图；
图7是本发明的太阳能空气集热器的工作原理图；
图8是实施例1中测试日太阳辐射强度变化；
图9是实施例1中测试日环境温度变化；
图10是实施例1中测试日空气进口温度变化；
图11是实施例1中测试日室外风速变化；
图12是实施例1中采用的本发明的集热器空气出口温度的实验值与模拟值对比；
图13是室外风速对实施例1中采用的本发明的集热器的有效效率的影响；
图14是环境温度对实施例1中采用的本发明的集热器的有效效率的影响；
图15是空气进口温度对实施例1中采用的本发明的集热器的有效效率的影响。
具体实施方式
下面结合具体的实施例，并参照附图，对本发明技术做进一步的说明：
如图1-7所示的本发明太阳能空气集热器，它包括外壳1，在所述的外壳1内镶嵌有隔热层2，在所述的外壳1的开口端盖有真空玻璃盖板3，在所述的外壳1的下端开有进风口6，在所述的外壳1的顶部设置有出风口5，在所述的外壳和真空玻璃盖板3构成的空间内安装有冲缝型吸热板4，真空玻璃盖板3与冲缝型吸热板4之间以及冲缝型吸热板4与外壳1之间分别形成流道。透明盖板3可以采用真空玻璃或单层玻璃，由此减小了辐射损失和对流损失。冲缝型吸热板4是在其表面开有多条缝隙的板。
本发明装置的工作原理如下：
如图7所示，冲缝板型太阳能空气集热器在太阳光8的照射下开始工作。真空玻璃盖板3与冲缝型吸热板4、冲缝型吸热板4与外壳1之间分别形成流道，室内空气在风机7作用下，经进风口6流入集热器，一部分空气沿外壳1表面上升，在冲缝型吸热板4与外壳1之间的流道中被加热，另一部分空气穿越冲缝型吸热板4，在此过程中与吸热板4发生换热，之后进入盖板3与冲缝型吸热板4之间的流道，沿冲缝型吸热板4表面上升，继续被加热，最后这两部分空气在集热器最高处混合，经出风口5送入室内。
实施例1
为了获得冲缝板型太阳能空气集热器的性能，采用数学模拟和实际测试相结合的方法对其进行研究。其中，测量参数包括太阳辐射强度、温度和风速，测量仪器分别采用TRT-2总辐射表、T-型热电偶以及Fluke自动读取和保存设备、ZRQF系列智能风速计和KANOMAX KA22热线风速仪。
测量当日的太阳辐射强度、环境温度、空气进口温度和室外风速变化分别如图8-图11所示。由图8-图11可以看出，环境温度和辐射强度随时间增长先升高后降低，分别在14:00和12:20左右，两者达到最高值，296.31K和431.3W/m2，全天环境温度和辐射强度的平均值为293.90K和364.4W/m2。而空气进口温度达到最高值的时间有所推迟，在下午14:40左右，达到最大值为298.31K。另外，室外风速小于0.5m/s，微风，为良好的测试条件。
如图12所示，为测试日集热器空气出口温度的模拟值和实验值，其中，风机全天运行，且风量保持为120m3/h。从图中可以看出，随着太阳辐射强度的增大和室外气温的升高，集热器空气出口温度也迅速升高，下午14:00时刻左右，模拟值达到最大为302.32K，而实验值在14:20时刻达到最大为302.1K。
受实验条件限制，冲缝板型集热器空气出口温度的模拟值与实验值存在偏差，但总体来说，该数学模型能够反映集热器温度的变化，可以用来预测集热器在冬季的使用状况。因此，以有效效率(见公式(1))为目标函数，对冲缝板型太阳能空气集热器进行数学模拟。
η rh = q u - ( W p / C f ) I c A = η - Q g Δp g / ( η pm C f ) 3600 I c A - - - ( 1 )
式中，ηrh-有效效率；
qu-集热器获得的有效能量，W；
Wp-风机耗功，W；
Cf、ηpm-热能-机械能转换因子和风机效率(Cf＝0.02和ηpm＝0.85)。
基础数据：太阳辐射强度为350W/m2，集热器总流量为80m3/h(单位集热面积的流速为0.025m/s)，环境温度为273K，集热器进口温度为293K，室外风速为0.4m/s。
如图13、14和15所示，分别为室外风速变化、环境温度变化和空气进口温度变化对冲缝板型太阳能空气集热器有效效率的影响。
由图13可以看出，当室外风速变大时，集热器的有效效率下降，从47.9％降低到47.4％，平均效率为47.6％。
由图14可以看出，当环境温度变大时，集热器的有效效率升高，从43.5％升高到58.2％，平均效率为50.5％。
由图15可以看出，当空气进口温度变大时，集热器的有效效率下降，从59.3％降低到47.9％，平均效率为53.7％。
因此，可以得到，冲缝板型集热器的热性能是相当好的。另外，该集热器还具有结构简单，热损失小，造价低，易与建筑结合等优点，宜广泛应用于采暖建筑中。

Claims (1)

1.太阳能空气集热器，它包括外壳，其特征在于：在所述的外壳内镶嵌有隔热层，在所述的外壳的开口端盖有真空玻璃盖板，在所述的外壳的下端开有进风口，在所述的外壳的顶部设置有出风口，在所述的外壳和真空玻璃盖板构成的空间内安装有冲缝型吸热板，真空玻璃盖板与冲缝型吸热板之间以及冲缝型吸热板与外壳之间分别形成流道。
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