水平真空管内传热的理论与实验研究外文翻译资料

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水平真空管内传热的理论与实验研究

赵春玉a，b，史俊友a，莉莉薇c，郝高d，魏玉b

天津大学环境科学与工程学院，天津300072

b河北廊坊华北航空航天工程研究所建筑工程系065000

青岛理工大学，青岛266000

收到2015年1月20日,2015年10月21日修订;接受2016年3月8日,2016年3月29日上线

通讯作者：副编辑Ranga Pitchumani

这项研究的目的是调查水头中的水流条件对水平抽空管内传热的影响。开发了基于动态流动和内部流场阻力的数学模型，以研究水流量与太阳辐射之间的关系，抽真空管入口的温度和太阳能集热器内部的流量。为了证明模型的准确性，进行了各种实验，验证了模型的结果;此外，结果表明，水平抽真空管内的水流是由于重力产生的自然对流。通过改变真空管的不同入口处的温度和抽真空管的直径来研究水平抽空管内水流的特征。本研究还考虑了水流入水平抽真空管内的集水管方向对流场的影响。这些结果表明，在“风后模式”条件下，集水箱内的流场可以加速真空管内的水量，而在“逆风模式”条件下，流场减弱。

2016 Elsevier Ltd.保留所有权利。

关键词：卧式真空管; 风后模式; 逆风模式; 流场

1. 介绍

由于近年来在中国观察到的大雾和阴霾，高度污染的石油和煤炭能源受到限制。可再生能源，特别是太阳能。

通讯作者：天津大学环境科学与工程学院，天津300072。电话： 86 13932615128。

电子邮件地址：langfangzcy@163.com（C. Zhao），weilili990503 @ 163.com（L. Wei），gaohaontkt@163.com（H. Gao）。

http://dx.doi.org/10.1016/j.solener.2016.03.016 0038-092X / 2016 Elsevier Ltd.保留所有权利。

从而越来越多地用于提供低质量的热能。为了将太阳能转化为热，真空管被广泛使用，因为它们具有良好的加热特性（Wang等，1987）和与太阳能集热器相比的风阻。真空管的运行方向有两种：水平和垂直（Tang et al。，2011）。卧式真空管通常比垂直抽真空管更经济，从而获得更高的利润;它们可以放置在各种位置;他们在广泛的斜坡上运作良好。这些优点有助于这种管在大型项目中在太阳能热和加热系统中的广泛使用。然而，卧式抽真空管收集

由于极端的自然对流应力，太阳辐射比垂直方向的辐射少（李和松，2007）倾向于具有较低的流体循环特性，并且经历管道爆炸。

许多研究人员进行了研究，主要集中在水平抽真空管内的流动和温度场。 测试了一种方法（Yin等，1984,1985; Harding等，1985; Harding和Yin，1985; Chow等，1984）测试了放置在东西方的水平自然循环抽空管 方向。 Wang等 （1987,1989）应用了一种透明半导体来对真空管进行电加热，并且能够使水平抽空管内的流动可视化。王先生随后研究了放置在恒温热流中的全玻璃水平抽空集热器内的自然对流热交换。

重要方程。 Louise和同事（Shah和Furbo，2007）对玻璃卧式真空管加热器内的流动特性进行了各种数值模拟。 他们的研究结果表明，较短的水平抽空管通常产生较高的热交换器效率。 发现集热器的最佳流量为0.4-1kg / min; 然而，集管内的流动显示对集热器内的流动具有可忽略的影响。对卧式真空管内部流场进行了少量理论研究。 真空管集热器内的流场决定了其传热速率。 本研究通过数学模型和实验研究研究了集水管中的水流条件对水平抽空管内传热的影响。

1. 传热模型

2.1 物理模型

水平管收集器面板由排出的管和太阳能集管组成，其连接管并循环传热流体。 该结构的管的示意图如图1和图2所示。 该管由三个部件组成：在一端密封的两个同心玻璃管，其中在管之间存在环形真空空间，以及在内玻璃管的外壁上的选择性表面膜，如图3.当在强制循环系统中使用时，该收集器的传热是通过管中水的自然对流和集管中的强制流动而产生的。 管中的水被太阳辐射加热，然后。沿着管的顶部上升并与头部中的水混合。

2.2。 内流场数学模型

Wang等 （1987年，1989年）显示有两个部分的水流向相反的方向。 基于这项研究，创建了一个数学模型来更详细地分析这一现象。

2.2.1。 真空管内的水温场

根据实验（Wang等人，1987），真空管内存在两个相反的流动，由于自然对流，热水开始集中在管的顶部。 水的停滞界面假设沿着中心轴存在。 基于质量保护。

当建立流量方程来描述真空管的内部时，需要温度分布来计算管中水的密度和运动粘度。 基于上述研究，真空管内的自然对流被简化，如图1所示。4。

长度为dx的真空管的无穷小元素，如图1所示。 4，在分析中考虑。 截面轮廓如图1所示。 5.无穷大元素的冷流温度为tdi和tdi dtdi，热流温度为tui和tuiplusmn;dt。 玻璃管的厚度可以忽略不计。 热平衡方程（Wang et al。，1989）是：

上，下无穷小之间的温度差小于上无穷小和玻璃之间的温度差异，使得两个水域之间的热传导非常小，从而可以忽略。 对于底部的流量：

集管内的水的温度可以被认为等于入口水的温度。在获得稳态后，下段描述冷流的温度分布

tdfrac14;tineth;3THORN;

真空管的复合传热系数非常小（Ko et al。，2008）; 因此，可以忽略。 从而，

keth;tptamTHORN;2pr0eth;4THORN;

在一段时间内，太阳辐射被设定为平均值。 太阳辐射被真空管中的热水充分吸收。让I2ragfrac14;Eeth;5THORN;代入方程 （2）和（5）变为（1）产生上部热流的温度分布：

2.2.2。 真空管内的流量方程式

水的密度随温度变化，真空管内的水流量取决于水的密度。 关于水密度和温度的相关方程是

在真空管中，水从底部进入并离开顶部，温度差导致管的顶部和底部之间的密度差异。 沿着真空管的底部的水温几乎没有变化，与根据等式的真空管的入口水温相同。 （3），顶部的密度随水温而变化，这取决于管的长度。 因此，通过整个真空管中的密度变化产生的循环功率被描述。

在导通电阻的计算中，需要水运动粘度; 这是受温度影响的另一个参数。 运动粘度与温度相关的方程式是

当水在管的底部流动时，不考虑温度变化，因此，水流的阻力（Ko et al。，2008）由：

在管的上部的流动中，温度被认为沿着管的长度线性变化，这产生阻力

局部阻力是水速和方向突然变化的结果，因此，本文中的局部阻力应包括管密封端，流入口和出口处的局部阻力，总局部阻力系数由三部分组成：

总的地方阻力是不确定的，根据经验，这种计算方法通过了折旧，局部抵抗占当前抵押力的20％。

由于这种导通电阻，沿着流动方向在管的顶部和底部之间存在压力差。 与头部的连接将随天气，时间和热水需求而变化。 参考图1。 如图6所示，当太阳辐射强时，阀1,3和4打开，阀2关闭。 收集器面板并联连接，并且集管中的水的流动方向从底部到顶部。 当太阳辐射较弱并且必须增加供水温度时，阀1,3和4关闭，阀2打开。 收集板连接在一起，图中两侧的集管中的水流方向从底部到顶部，图中间的集管中的水流方向来自 顶部到底部。

集管内的压力变化将包括真空管内的流场。 如图1 如图2和图4所示，当内部流场产生的压力差通过自然对流加速抽真空管中的流场时，称为“跟随风力模式”。相反，当压力与流场相反时 ，被称为“逆风模式。

从该等式可以看出，真空管内的流量与太阳辐射，入口温度和集管内的流动方向有关。 质量流量间接地反映了真空管中的热传递。

1. 实验

为了验证所提出的模型的准确性，进行了各种实验，如图1和图2所示。7-9。 选择具有两排真空管的头部用于实验。 管长1.8m，内径0.047mu;m。 使用十二个热阻来记录管内的温度; 六个传感器放置在每一侧，如图1所示。 每个热阻之间的距离为340毫米。 使用JTR-05太阳辐射记录仪测量入射的太阳辐射。

实验平均流量通过计算通过建立入射管和出口管热流体之间的太阳辐射和质量流量平衡根据关系得到

1. 不确定性分析

不确定性分析的主要焦点是测量和计算参数。 对于测量参数，误差来自设备和测量的敏感性，测量的参数是温度和太阳辐射。 根据设备制造商提供的信息，热电阻基本相对不确定度精度为plusmn;0.5％; JTR-05太阳辐射记录仪的相对不确定度为plusmn;1％。

通过一些基本参数间接获得计算参数，由于不确定度的传递性，计算参数的不确定度可以从基本参数中获得，根据初步测量的不确定性，实验结果的绝对误差使用Kline 和McClintock关系（Kline和Mcclintock，1953），Jia等人报道。（2006年）。 公式是：

质量流量的相对误差由公式（26）。 质量流量的相对误差的精度由测量的太阳辐射和温度所决定，并且通过考虑两个参数测量的不确定性，结果分析表明总体精度约为plusmn;5％。

5、结果与讨论

记录了2014年3月5日的太阳辐射，如图1所示。11。

5.1 真空管内实验值和模拟值的比较

实验和计算的温度分布如图1所示。 在实验过程中，较低的温度沿着管子略微增加，这为模拟假设提供了基础，即两个水域之间流动过程中的热传导可以忽略不计。 沿着管长度的大部分上部温度分布是线性的并且很好与数学模型一致，除了真空管的出口外，出口温度相对较低，因为涡流由集管中的流场产生。

这在水吸收热量后导致密度小的差异，从而产生小的压力差。 这种低水温导致高的运动粘度，低流速和高的局部电阻; 因此，计算值小于实验值。 水密度降低，运动粘度降低，流量增加，局部阻力比例随着管入口温度的升高而降低，从而增加计算值高于实验值的趋势。 实验结果与数学模型吻合良好。

5.2 真空管中质量流量与入口温度之间的关系

计算和测量之间管内的温度比较时刻是在试验日中午，因为这种建模是建立在稳定的太阳辐射假设基础之上的，但白天的实际辐射随时间变化很大。 为了接近模型的条件，选择相对稳定的辐射条件。 太阳辐射在中午相对变化较小的事实符合要求。 早晨或晚上的太阳辐射变化很大，这不适合比较。

在实验过程中，水流速度和集管内的流速保持较低，由于沿着流动路径的阻力，压力差可忽略不计。 实验测试结果与假定相同太阳辐射条件下计算的值之间的比较如图1所示。13。图。 图13示出了计算流量低于在真空管入口处的低温期间的实验测量。 这个结果可能是因为入口处的温度是以下模拟表明流量与不同入口温度下积聚的热量之间的关系;如图所示。 如图14所示，在给定温度下，随着太阳辐射的增加，流量增加，因为较大的辐射导致较大的温度和密度差异。 自然对流因此得到加强。 由于较高的温度导致较低的运动粘度，较少的局部阻力和较大的质量流量。 该图还显示随着入口温度升高，流速增加。 这种现象的原因与上述相似：较低的运动粘度和较高温度下的局部电阻增加了流速。 这一结论与文献中获得的结果相符（Budihardjo et al。，2007）。 真空管中的水循环由类似于双层玻璃窗的原理决定（Li and Delsante，2001）。

5.3抽真空管中的质量流量与集管中流动方向的相关性

在实践中，标题内的流场可以处于“跟随风模式”或“逆风模式”中。 因此，选择典型的太阳辐射条件下的60 W热吸收和50 LC的入口温度作为边界条件。 进行从“逆风模式”到“跟随风模式”的转换模拟，以找出描述内部流量与压力场之间的关系的原理，该原理随着导通阻力而变化。 结果如图1所示。16。

如图所示。 如图16所示，当Dp大于零时（即，对于“跟随风力模式”），由集流管内的流场引起的压力与密度差异引起的压力相同。式。 （17）表明流动驱动随内流场引起的压力增加而增加; 质量流量也增加。 参考文献中的实验研究（Wang et al。，1987; Budihardjo et al。，2007）表明，当流速小时，集水器的水流顺利地流入真空管，这被描述为“随风模式”。 集管内流场引起的压力加速了真空管内部的自然对流; 然而，流量的增加可以小至10 3，因此被忽略。

当Dp小于0时（即对于“逆风模式”），由内部流场引起的压力与由密度差引起的压力相反。 流动驱动随着内流场的压力增加而减小; 流量也降低。 在公式的左边部分 （17），即

因此，由密度差引起的驱动因此增加流量。 因此，流程仍然是稳定的。 这种结果与物理状况一致，表明即使是大的压力也不会改变真空管连续吸收太阳能的事实，从而不断提高温度; 流量增加以抵抗外部压力。

该研究的结果表明，中等质量流量和小流速是优选的。 高流速增加了短路电流的危险，并且在相反方向上流动的电流可能会限制自然通道，从而导致温度升高。

6、结论

1、 本研究建立了真空管的数学模型。 内部质量流量被显示为与吸收的热量，入口温度和系统头部内的流场动态相关。

2、在实验过

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