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摘 要

本文在热管式真空管太阳能集热器研究的基础上，分析了热管式真空管太阳能集热器较之其他一般集热器的优势，总结了影响集热管集热效率的主要因素。 并且建立了集热管主要传热过程的物理模型，对太阳能集热管内部传热机理进行研究，分析蒸发段和冷凝段的传热过程，给出了蒸发段和冷凝段换热系数的经验公式。在获得集热器结构参数对其流动和传热的影响计算公式的基础之上，结合了前人对等径和变径太阳能热管在相同工作条件下的实验研究，利用FLUENT软件建立相应的数值模型，发现理论与实验结果耦合良好，为热管式太阳能集热器的设计开发提供依据。

关键词：太阳能集热器 热管 效率因子 集热效率

Investigation on Heat transfer Performance of Heat Pipe Evacuated Tubular of Solar Collector

ABSTRACT

In this paper, the advantages of Heat Pipe Vacuum Tube Solar Collector are analyzed on the basis of the research about the collector before. Compared with other general collector, this collector has non-substitutable. This paper also was summarized the main factors affected the thermal efficiency of the collector. And this paper has been established a physical model about the heat transfer process of the collector, provided empirical formula evaporation and condensation coefficient. Combining with the predecessor's research, found out that theory and experiment result has perfect match.

Key words: Solar Collector Heat Pipe efficiency factor thermal efficiency

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪 论 1

1.1 研究背景 1

1.2 热管式真空集热管的工作原理、特点及分类 2

1.2.1热管式真空集热管的工作原理 2

1.2.2热管真空管式集热管的特点^[9] 3

1.2.3热管真空管式集热管的分类 3

1.3 热管式真空管集热器的结构、工作原理及热力学分析 4

1.3.1热管式真空管太阳能集热器的结构 4

1.3.2热管式真空管集热器的工作原理 5

1.4 国内外热管式真空管集热器技术理论的研究进展 6

1.5 几种新型的热管式真空管集热器 7

1.5.1 CPC型热管式真空集热器 7

1.5.2新型槽式真空热管集热器 7

1.5.3新型分离热管式太阳能集热器 7

1.6 热管式真空管集热器所组成的几种太阳能热水系统 8

1.6.1太阳能中央热水系统 8

1.6.2太阳能游泳池热水系统 9

1.7 热管式真空管太阳能集热器存在的问题 9

1.8 本章小结 10

第二章 热管式太阳能集热器结构特性分析 12

2.1 热管式真空集热管的基本结构 12

2.2 影响集热管传热性能的因素 13

2.3 热管式真空管太阳集热器的基本结构 16

2.4 本章小结 18

第三章 热管式真空管太阳能集热器的传热性能分析计算 19

3.1 理论分析 19

3.2 总热损系数 22

3.3 集热器效率因子 23

3.4 集热器热迁移因子 24

3.5 计算实例 26

3.6 符号说明 29

3.6.1 命名 29

3.6.2下标 30

3.7 小结 30

第四章 联集管直径对太阳能热管性能的影响研究 32

4.1 联集管的结构 32

4.2 控制方程 33

4.3 模拟结果 35

4.4 本章小结 37

第五章 结论与展望 38

5.1 结论 38

5.2 展望 39

参考文献 40

致 谢 43

第一章 绪 论

1.1 研究背景

近年来，为了节约化石燃料资源，应对能源危机，各国都在积极努力地对太阳能的开发利用进行深入的研究。

在太阳能热利用领域，集热器的集热效率的高低^[1]，直接决定了整个太阳能集热系统的效率。但是热效率低下，易结水垢，冬天易炸管等问题成为目前市场上现行的太阳能集热器发展的主要阻碍，为此，将热管作为集热器的主要组成元件，引入太阳能热利用领域，对于解决上述问题，以及减低化石燃料使用率，减少碳排放，应对能源危机，都具有十分长远深刻的意义。

热虹吸管，又称为重力热管，以下简称为热管，是一种具有很高效率的传热设备，其传递热量的原理主要是利用了传热介质的潜热储能及相变。热管的优点众多^[2],还拥有比银、铜、铝等高出几个数量级^[3]倍数的导热系数。正是因为这些良好的热力学性质，才使得热管在热利用领域中得以广泛的采用。

通过众多科技工作者不懈努力和潜心研究，使得热管技术自问世以来得到了长足的进步和充分的发展。在相变传热学的理论基础之上，我们建立了现有的热管理论。在太阳能热利用的领域引入热管技术这一思路，不仅能完全发挥出太阳能利用效率高、清洁的优点，大幅提高太阳能集热器利用效率，而且降低了在我国能源结构中化石燃料能源所占比例，优化了我国不太完善的能源结构。

市面上主要现行有三种的热管式太阳能集热器：平板式热管太阳能集热器、闷晒式热管太阳能集热器和热管式真空管太阳能集热器^[4]。其中，由于仅依靠热传导和热对流来传递热量，这就导致热损失很大，所以平板式热管太阳能集热器的平均单日效率只有50%以下^[5]。由于闷晒式热管太阳集热器结构单一化，所以制造和安装都很方便且成本低廉，但保温性能不佳。热管式太阳能集热器作为一种带有金属吸热体的真空管式太阳能集热器，继承了全玻璃的两大优点——良好的集热性能和保温性能，并且还兼具有平板式太阳能集热器卓越的导热率和机械强度。此外，它拥有其他类型的太阳能集热设备无可比拟的优势^[6]，就是其核心传热元件是虹吸热管。故本文主要的分析研究对象就是热管式真空管太阳能集热器。主要计算分析其热力学特性，性能及不同环境下集热器的参数设置，从而分析其主要的热损失^[7]，以及提出一定的改进方案。

1.2 热管式真空集热管的工作原理、特点及分类

1.2.1热管式真空集热管的工作原理

热管式真空集热管的大致结构如图1-1所展示的那样。

图1-1 热管真空集热管结构示意图

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