【摘 要】
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随着全球能源短缺问题的日益凸显与可持续发展理念的不断推动,太阳能因其分布广泛、利用便捷及清洁环保的独特优势逐渐在诸多可再生能源中脱颖而出。太阳能空气集热器作为一种运行稳定、寿命长、高性价比的集热装置而倍受青睐,但是由于空气的热容和导热系数较小、集热器换热面积有限的问题,导致传统太阳能空气集热装置的蓄热与换热能力受到了约束。本文在传统集热技术（渗透式集热器、折流式集热器）与高温型多孔介质集热器的基础
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随着全球能源短缺问题的日益凸显与可持续发展理念的不断推动,太阳能因其分布广泛、利用便捷及清洁环保的独特优势逐渐在诸多可再生能源中脱颖而出。太阳能空气集热器作为一种运行稳定、寿命长、高性价比的集热装置而倍受青睐,但是由于空气的热容和导热系数较小、集热器换热面积有限的问题,导致传统太阳能空气集热装置的蓄热与换热能力受到了约束。本文在传统集热技术（渗透式集热器、折流式集热器）与高温型多孔介质集热器的基础上,提出了两种以碳化硅泡沫陶瓷当作吸热板的双层玻璃盖板太阳能空气集热器（D-SAC、S-SAC）结构,通过强化气流扰动、增大换热面积,达到提升集热效率的目的。本文工作主要围绕碳化硅泡沫陶瓷的辐射传热特性实验及碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气集热器的数值模拟展开,具体研究内容与结论如下:（1）通过中温辐射黑度实验得出碳化硅泡沫陶瓷的黑度为0.877,表明该类材料具备优良的热辐射吸收能力;在稳态条件下,当光照强度由65.1 W/m~2增长到2002.3 W/m~2时,泡沫陶瓷上下表面的温差由0.7K提升到了5.6K,上表面骨架与孔隙中空气的最大温差不超过1.5K。其热阻由1.56K/W降至0.37K/W,且热阻降低的幅度随着光照强度的增大不断减小;在室外的非稳态闷晒实验中,当光照强度达到900 W/m~2时,其上表面温度最高提升到了332.5K,下表面温度最高为330.3K,孔隙中空气最高温度为330.4K。综合以上实验结果,认为该材料的性能符合太阳能空气集热器吸热板的应用要求。（2）建立了集热器的三维物理模型和数学模型,采用有限体积法对控制方程进行了求解。（1）就光照强度、介质入口流速、入口温度与环境温度等运行参数对传热性能的影响进行了分析。结果表明:在低太阳辐射强度和较大入口流速的工况下,集热器有较高的热效率,而在高太阳辐射强度与低入口流速的工况下,集热器有更高的出口温度。在入口雷诺数相同的条件下,本文设计的两种集热器热效率比传统的板式太阳能空气集热器提升了20%～30%;集热器的热效率随入口温度的增大而降低,且入口温度越高热效率的下降趋势越明显,较低的入口温度更有利于提升集热器的热效率;集热器的热效率随环境温度的增大而上升,低环境温度会造成较大的热量损失,不利于集热器的高效运行;基于集热器的入口空气温度和环境温度,将二者的温差与对应光照强度的比值定义为归一化温差Ti*,通过曲线拟合的方法得出D-SAC模型和S-SAC模型集热效率η与Ti*的变化关系式分别为ηD-SAC=0.737-5.175Ti*与ηS-SAC=0.651-2.66 Ti*。（2）就孔隙率、孔隙密度、孔径大小和泡沫陶瓷厚度等结构参数对集热器的性能影响进行研究,进一步对集热器的结构进行了优化。结果表明:集热器的热效率与压降随着入口空气流速的增大而增大,但热效率上升的幅度逐渐减小,而压降呈指数型曲线增长;当孔隙率不变时,集热器压降随泡沫陶瓷孔隙密度的增大逐渐上升,但是孔隙密度的改变不会对集热器的热效率造成较大影响;孔径大小是影响集热器整体压降的主要因素,集热器的压降随泡沫陶瓷孔径的增大而减小。在本文所选的5种不同结构参数的泡沫陶瓷材料中,当孔隙率为0.88,孔隙密度为10PPI时,集热器的热效率最高;保持集热器的进出口尺寸不变,在泡沫陶瓷的厚度分别设定为25mm、30mm、35mm、40mm与45mm的情况下,集热器的压降随泡沫陶瓷厚度的增大而逐渐减小,当厚度为30mm时集热器传热性能最优。本文的研究结果为碳化硅泡沫陶瓷材料提供了一种新的工程应用途径,并为以多孔介质为吸热体的太阳能集热器的优化设计提供了理论基础。
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