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简介

据观察，太阳能空气加热器从吸收板到空气的对流换热系数普遍较差。这种低的传热系数导致吸收体板温度相对较高，从而对环境造成更高的热损失，从而降低热效率。因此，要提高平板太阳能空气加热器的热效率，必须提高对流换热系数。为提高热效率，对传统太阳能空气加热器的设计进行了改进研究。平板太阳能空气加热器在建筑供暖、农产品干燥、温室供暖等方面的应用

床式太阳能空气加热器

采用镀黑丝筛矩阵对平板集热器的风管进行填料处理，可显著提高其性能，这是床层和运行参数的重要作用。填料床可以成功地用于提高太阳能空气加热器的传热系数。空气在太阳辐射直接入射的多孔介质中流动。辐射在深度穿透吸收介质后又被吸收。高的传热面积与体积比促进了传热能力，湍流产生的气流路径通过床提供了快速增加的热交换。一些研究人员提出了使用填充床来改善太阳能空气加热器的性能。填料床的材料包括丝网、基质、卵石床、不同材料的切屑等。

文献回顾与目的

米塔尔(Mittal M.K.)研究了用不同几何参数(线径和节距)的黑丝屏矩阵填充的填充床太阳能空气加热器的热工水力et al .,¹⁴．从床层能量传递机理出发，建立了计算有效效率的数学模型。本文还提出了一种太阳能空气加热器风管填料的设计准则，以使其在泵送功率损失最小的情况下获得最佳热效率。有效效率的计算结果清楚地表明，与平板集热器相比，所研究的填充床太阳能空气加热器具有较高的热水力效率。

图1:太阳能空气加热器原理 点击这里查看图

Varshney L。et al .,^20.用金属丝网矩阵填充管道的太阳能空气加热器的传热和流体流动特性。研究涵盖了丝网矩阵的几何参数(丝径、节距和层数)。Colburn j因子和摩擦因子的相关性表明，传热系数和摩擦因子是矩阵几何参数的强函数。

在塔库尔N.S.进行的另一项实验调查中et al .,¹⁹在一个低孔隙率的填充床太阳能空气加热器上覆盖了广泛的几何参数线网矩阵，即线直径0.795 ~ 1.40 mm，间距2.50 ~ 3.19 mm，层数从5 ~ 12。科尔本的相关关系已经得到发展j当孔隙率为0.667 ~ 0.880，填充雷诺数为182 ~ 1168时，孔隙率和摩擦系数均较低。结果表明，传热系数和摩擦系数都是多孔填料床几何参数的强函数。孔隙率的降低增加了体积传热系数。

Nasri Rabadi进行了进一步的实验研究et al .,¹⁵利用弯曲流动技术与多孔介质流动相结合，提高太阳能的收集效率。由粗铝片组成的多孔介质(0.1453孔隙率)填充了流道，以进一步提高传热性能和额外的能量储存能力。铝壳多孔介质将降低集热器在阳光照射下的温升。在流速为70 l/h时，不含多孔介质的收集器出口温度最高可达73℃，在流速为50 l/h时，背含多孔介质的收集器出口温度最高可达60℃。

热性能的研究Paswan M.K.et al .,¹⁶在钢丝网粗糙的太阳能空气加热器提供钢丝网(金属)作为人工粗糙的吸收板的底面。不是比较相同排量的效率，而是使用相同的泵送功率，以便在比较整体加热器效率时也考虑到不等的摩擦损失。报告了这些加热器的板效率系数、散热效率系数、过热损失系数和有效吸收系数等评价参数。

在查阅文献的基础上，本研究采用了带丝网的填料床太阳能空气加热系统。在这种方法中，所需数量的丝网层层叠加，与收集器的背板平行，沿深度相等的距离形成一个矩阵。时，传热表面的流动最好是紊流。这可以通过在空气流动的路径上放置一种材料来实现。

可以回顾，强烈影响传热系数和摩擦系数的参数包括孔隙率P，这是由几何形状决定的，即网格中个别金属丝的直径和间距以及填充到给定空间中的层数;以及通过床的空气流量。早期的研究表明，被认为对传热和摩擦特性有重要影响的系统和流动参数如下:

1. 填充床雷诺数，Re_p
2. 孔隙度

材料与方法

本研究所使用的实验装置示意图如图2所示。已设计、制作并用于收集有填料床和无填料床的太阳能空气加热器的传热和流体流动特性的数据。它包括一个测试部分，有两个相同的管道，一个光滑的管道(就像在常用的太阳能空气加热器)和另一个大小相同，但提供了一个使用金属丝网矩阵的填充床。两条管道长度相同，分别为1.60米，宽0.62米，深0.025米，由软木制成，与水平面成25°的倾斜角。光滑的(或常规的)管道有一个2毫米GI片的吸收板。面对太阳辐射的一面被涂上了黑漆。它有一个3毫米厚的玻璃板盖固定在吸收板上方20毫米。管道的两侧和底部用热冷板绝缘。(Thermocol是泡沫聚苯乙烯的一种商业绝缘材料，导热系数为0.037 W/m/K)。在目前的设置中使用两个管道的原因是比较在相同的操作条件下的性能，如质量流量、日照和进口流体温度。填充床管道有一个2毫米的GI板，在GI板的上部有几层丝网屏幕，其中一层在另一层之上，而在它下面有50毫米的温热和12毫米的胶合板。 The sides were made of softwood, 25 mm thick. A glass cover was provided on the upper side which rested on batons fixed adjacent to the sidewall at a height of 25 mm. Another glass cover was fixed at a height of 20 mm above the first one and supported on the frame, leaving a stagnant air gap of 20 mm between the two glass covers. A wooden exit section was provided at the outlet of the test duct, which was followed by a mixing device, namely baffles for mixing the air. The exit section reduced the effect of sudden change on the test section. The mixing device enabled measurement of the bulk mean temperature at the outlet of the test section. The length of the exit section was 0.5 m and the cross section area matched with that of the test duct. Three equally spaced baffle plates which spread over 100 mm length beyond the exit section were provided for the purpose of mixing the hot air coming out of the solar collectors to obtain a uniform temperature of the air at the outlet. The mixing section was connected to the Mild Steel pipefitting through a transition piece and flexible pipes. A 2.2 kW (3.0 h.p.) centrifugal blower was used for drawing air through the duct. A standard set of inlet and outlet pressure taps were provided at a distance of 25.4 mm on each side of the orifice plate. The temperature distribution in the bed and temperature of the air at the inlet and outlet of the test section were measured by means of pre-calibrated copper constantan thermocouples.

用数字微电压表以毫伏表示热电偶的输出。对温度测量系统进行了校准，以获得正确的温度值。通过校准的微压力计测量了整个试验段的压降。

下面是实验装置的主要组成部分

图2实验风道示意图 点击这里查看图

测试管

风管由镀锌铁皮制成，长1.6 m，宽0.62m，深0.025 m，与水平成25°倾角。管道的底面覆盖着2mm的铝板，下面是3毫米胶合板，下面是50毫米的隔热材料，支撑在另一个3毫米胶合板上。铝板向阳的一面用黑板漆涂成黑色。一个3毫米厚的玻璃盖固定在吸收板上面，吸收板位于一个25毫米高的框架上。另一个玻璃盖固定在框架上第一个支架上方20毫米的高度，在两个玻璃盖之间留下20毫米的滞气隙。太阳能空气加热器的尺寸为1.6米× 0.62米× 0.025米。

风机单元

装有三相3马力电机的离心鼓风机，一端接在软钢管上，将空气吸入试验风管。

孔板流量计

对于通过测试管道的空气流速的测量，孔板已经被孔板固定在两个用直管固定的法兰之间，例如内径80毫米的M.S.管。孔板流量计上游的电磁管长度为800mm，孔板下游的电磁管长度为400mm。

压力计

一个压力计连接到压力水龙头，测量压降(ÄP0)横跨每个孔板。质量流量可以用下面的表达式计算:

在那里,
C_d流量系数是多少
β为孔口直径与管径之比
一个₀孔口面积大吗
ρ是空气的密度

两个孔板都使用标准皮托管进行校准。皮托管测量穿过具有孔板的管道直径的局部速度。利用局部速度的实验值来计算管道内空气的平均速度。根据这一平均速度、空气密度和管道截面积，得到了空气的质量流量。这些质量流量和压力计读数的值就得到了流量系数的值。

日射强度计

由印度加尔各答M/s国家仪器有限公司提供的No . 0052型太阳辐射计被用来测量太阳辐射的强度。Pyranometer与水平面保持25°倾角，这也是太阳能集热器的坡度。这样一来，落在倾斜集热器上的太阳日晒量就可以直接从日晒计中测量出来。

温度计

用0°到100°C范围的数字温度计测量空气入口和出口的温度。

实验

实验数据是按照ASHRAE标准手册(1977)中描述的程序收集的，用于测试在开环模式下运行的太阳能空气收集器。在晴空万里的天气下，在上午11点至下午2点之间以1小时为间隔收集有关给定质量流量的数据。实验开始前，对风管、进气道段、搅拌装置、管件的所有接头进行渗漏检查，并用玻璃腻子封漏。在记录温度的同时，对冰浴和微电压表导线进行了防太阳直射保护。风机运行了一个小时，之后，记录了特定一天的热电偶读数，在不同位置的钢丝网温度和进风口和出风口温度，太阳辐射强度的比拉计读数和管道压降的压力计读数。实验数据收集的流速范围为0.0261至0.031 kg/s的四组矩阵。首先，我们使用了一个低孔隙率的六层方形丝网。然后使用相同的5层、4层、3层钢丝网，再次收集上述数据。

结果与讨论

计算结果如下图所示，数据以努塞尔数图的形式表示，以清楚地显示参数和强化对传热的影响。

图3:容积传热系数 vs雷诺 点击这里查看图

图4:Nusselt No。不。 点击这里查看图

从图3和图4可以看出，热传导随着雷诺数的增加而增加。增加，从图中也可以清楚地看出，随着管道中孔隙率的减少，传热增加，孔隙率的减少增加了湍流，从而增加了体积传热系数和努赛尔特系数。

结论

该填料床式太阳能空气加热器可成功地用于提高传热速率。传热强化是孔隙率和操作参数的函数。研究发现，雷诺数是影响填料床太阳能加热器传热和摩擦因数的重要参数。在本研究范围内，孔隙率(P=0.961)和面积体积比(av=335m2)最大的六层基质传热高。孔隙率对填料床太阳能空气加热器的传热系数和热性能也有很大影响。也可以得出结论，通过降低床层的孔隙率，填料床太阳能空气加热器可以显著提高传热性能。在一定雷诺数下，床层孔隙率决定了填料床太阳能空气加热器的性能，而床层孔隙率和面积体积比是传热的关键参数。雷诺数也被发现是影响填料床太阳能加热器传热和摩擦因数的一个强有力的参数。研究发现，在几乎整个质量流量范围内，具有6层矩阵的方形真空矩阵太阳能加热器的性能最好。(质量流量=0.0261-0.033kg/s)。

因此，强化传热是孔隙率作为操作参数的函数。此外，研究还发现雷诺数是影响填料床太阳能加热器传热和摩擦因数的一个重要参数。

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