1、第四章效率公式推导能量守恒定律太阳能集热器是将太阳辐射能转换成熟能的设备，在利用中，为了尽可能减少热损失并利用真空集热管对太阳的准跟踪，对面积不大的集热器，真空管直接插入储热水箱，这就构成了本实验所用的太阳能加热器。其结构简单、紧凑、防冻能力较强，缺点是取不出管内的热水。根据能量守恒公式：。一。 （一）因为集热器内部不会产生热量，所以这里。，那么能量守恒公式就变为：。一。 （）那么集热器的效率就为：玎。（必卜嘱（）所以，只要我们得到集热器能量收益和能量损失，就可以得到集热器的效率。已知参数）合肥纬度：。） 反射板：反射率，面积 【，倾角。真空管：管长，管距根数外管：外径，内径，透过率，发射率，
2、内管：外径，内径） 涂层：吸收率，发射率）当地风速：）空气流量：。理论瞬时效率推导 该太阳能系统所用的真空管集热器的传热过程及传热网络图如图一所示。因为真空管管壁的很小，根据平壁导热的热阻公式：，兰 。 （）式中为管壁的厚度，为真空管所用材料玻璃的导热系数，由于玻璃的导热系数一般都在一（），而玻璃厚度为几毫米厚，所以管壁的热阻很小，故可忽略不计。驴一 、 、， 一一，、一十、，：一，、十 一 咀；丁卜； 啦 一 一 一 卜一一、，、暑一。图真空管集热器的传热过程及传热网络图、真空管集热器接收的太阳辐射能】（）每根真空管接收的太阳热辐射吼先推导有效太阳辐射。的表达式。集热器南北向安装，倾角为，反
3、射板为漫反射型，长度为，反射率为，内管外径为。内径为，套管的内外径分别为。和。，管中心距为，直射光束透过管间隙到地板上的宽度为。真空管的所收集的有效太阳辐射能。由四部分组成，即真空管直接收集到的太阳直射辐射和漫射辐射，由反射板反射的被真空管吸收的太阳直射辐射和漫射辐射。真空管所拦截的太阳直射辐射强度为 ，（）其中学参蕊岛：打鬲虿五磊夏忑面鬲磊手占：（型（）一）。（）（）式中。为管子表面上法向直射辐射的强度，约为倾角为卢的平面接受的总辐射量的倍。，；庐为当地纬度；艿为太阳赤纬；国为时角：鼠为直射辐射至管子表面的平均入射角；为一年中的第几天数：为时间，小时。真空管所获得的太阳漫射辐射强度为，石（）
4、式中。为倾角为的平面上的漫射辐射强度，晴空时约等于倾角为的平面接受的总辐射量的倍，；“目。为管子对天空的辐射角系数，当“时，。真空管接受的由漫反射板反射的直射强度为。，。（）。 口（一）当见时，：当氏。时，。：以。（）（）式中韩为直射辐射对反射板的入射角（鼠）；为反射板的反射率；一为反射板与管群间的角系数的总和，。时，。；为直射光束透过管间隙到地达反光板的宽度。真空管接受的，由反射板反射的太阳漫射辐射强度为，缈（一）式中。为板条与管子问的角系数，：。为反射板上的漫射辐射强度。，晰）（一）所以：。一“（最啡砖！）每根真空管所拦截的太阳直射辐射强度为。， 。（一）式中。为到达集热器表面的有效太阳辐
5、射强度，：为罩玻璃管的透射率；口为内玻璃管涂层的吸收率；为真空管长度，：集热器接收的太阳能。：。（）式中为玻璃管根数。、每根真空集热管的热损失。在准稳态下，可以近似地认为真空管每个环节的热损失都相等（见图一中的右图），即：。（一）实验流体与内管的对流换热量。实验流体与内管之间的对流换热可近似认为是等热流密度（。一。）下的对流换热，并且假定实验流体在管内的流动是充分开展的层流运动。这样在稳流条件下有：。成孚当介质为空气时，那么：（）。詈。（。）（）当介质为水时，那么：。（一）（一）空气的平均温度取（，而水的平均温度直接取保温箱中热电偶所测得的温 。度的平均值就可以了。吼 吼 （）（）骱 “弘融
6、一和去。一 （）式中。为内管内实验流体与内管壁问的对流换热系数，（）：为集热器内实验流体的平均温度，；。为空气的进口温度，；。为实验流体的出口温度，；为所进行计算时刻的前一个时间点温度，为所进行计算的后一个时间点的温度，（因为所测点的太阳辐射的作用效果并不是完全作用在下一个十分钟，也不是完全作用在前一个十分钟，而是作用在以它为对称中心的十分钟里，根据积分中值定理的思想，这样做的误差比较小）：为。为以为定性温度的实验流体的导热系数，（）；为内管壁的平均温度，。为集热器内空气质量流量。（二）内外管之间的热损失：因为内外管之间是商真空，所以没有对流和导热损失，仅存在辐射热损失，即内外管之间的热损失：
7、为： 万，（）：里二旦上堕：（）岛 孝监）何。（）（）（）式中量为内管涂层的发射率；岛为外管表面的发射率；为外管壁温度，；盯为黑体辐射常数，盯“（）：。为内管外径，：。为外管内径，；（三）外管至外部实空气的热损失，包括对流和辐射两部分，即。对流换热热损失。：。石。（一）（）。每（。舶黜），（）：亟（）式中。为外管与外部空气间的对流换热系数，（）；为外管外径，：和，分别是以（为定性温度的空气的导热系数（）和运动粘度（）；为风速， 辐射热损失：。乞仃（一）所以：（），。石：。（）石：。岛仃（）（）（）旷铲警其中，形占（：）【）集热器的能量收益。：。（。一）（）（）集热器的集热效率：打：二垒（）式中为相邻的两根真空管的间距，：为倾角为的平面接受的总辐射量，。在以上方程里含有多个未知变量，真正不能一下得到的是。和，结合试验所测数据、集热器各种物性参数、实验流体的物性参数、空气流量以及瞬时气象参数，可直接推算出对该方程组进行迭代就可以推算出、和：，从而就可以得到，把和。的值代入式（）即可求得，的理论值。实际瞬时效率推导空气实际瞬时效率，计算公式为：”：（，）式中为
