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介绍

太阳能空气加热器从吸收板到空气的对流传热系数普遍较差。这种低的传热系数导致吸收板温度相对较高，对环境的热损失较大，因此热效率较低。因此，需要提高对流换热系数来提高平板太阳能空气加热器的热效率。为了提高热效率，人们对太阳能空气加热器的传统设计进行了改进。平板太阳能空气加热器在建筑采暖、农产品干燥、大棚采暖等方面的应用

包装床太阳能空气加热器

用发黑丝网基体填充板集电管，可明显改善板集电性能，这与床层和操作参数有很大关系。填料床可成功地用于提高太阳能空气加热器的传热系数。空气流经太阳辐射直接入射的多孔介质。辐射从深度穿透吸收介质而被吸收。高的传热面积体积比提高了传热能力，而产生湍流的空气流动路径通过床提供了快速增加的换热。利用填充床来改善太阳能空气加热器的性能已被一些研究者提出。填料床所用材料有丝网、基体、卵石床、各种材料的切片等。

文献综述及目的

由米塔尔M.K.米塔尔(Mittal M.K.)对一种填料床太阳能空气加热器进行了热液压研究，该装置的风管中填充了不同几何参数(导线直径和间距)的黑色丝网矩阵et al .,¹⁴．从床层能量传递机理出发，建立了计算床层有效效率的数学模型。本文还提出了一个设计准则，即选择一个矩阵来填充太阳能空气加热器的风道，以获得最佳的热效率和最小的泵浦功率损失。有效效率的结果表明，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热水力效率。

图1:太阳能空气加热器原理 点击这里查看图

由Varshney L。et al .,^20.用金属丝网矩阵填充风管的太阳能空气加热器的传热和流体流动特性。研究涵盖了丝网基体的各种几何参数(丝径、节距和层数)。研究表明，传热系数和摩擦系数是矩阵几何参数的强函数。

在Thakur N.S.进行的另一项实验研究中et al .,¹⁹在低孔隙率填充床太阳能空气加热器覆盖广泛的几何参数丝网矩阵，即线材直径0.795至1.40 mm，间距2.50至3.19 mm，层数从5至12。这种关联已经在科尔本研究中得到了证实j填充雷诺数为182 ~ 1168，孔隙度范围为0.667 ~ 0.880。研究发现，多孔填料床的传热系数和摩擦系数都是几何参数的强函数。孔隙率的降低使体积传热系数增大。

Nasri Rabadi进行了进一步的实验研究et al .,¹⁵利用弯曲流技术结合多孔介质流动增强太阳能收集。由粗铝屑组成的多孔介质(孔隙率为0.1453)填充了流道，进一步提高了传热性能并增加了额外的储能能力。铝壳多孔介质在阳光照射下会降低集热器的温升。在流量为70 l/h时，无多孔介质集热器的最大出口温度为73℃，多孔介质背衬集热器的出口温度为50 l/h时的最大出口温度为60℃。

Paswan M.K.进行的热性能研究et al .,¹⁶在金属丝网加粗太阳能空气加热器的吸收板下面提供金属丝网作为人工加粗。采用相同的泵浦功率代替相同排量的效率比较，从而在比较加热器整体效率时也考虑了不同的摩擦损失。给出了该加热器的板效率系数、除热效率系数、过热损失系数和有效吸收系数等额定值。

在文献综述的基础上，本文采用了带丝网网的填充床式太阳能空气加热系统。在这种方法中，所需的金属丝网层数相互堆叠，平行于收集器的背板，沿深度等距离形成一个矩阵。，最好使传热面上的流动变得湍流。这可以通过在气流路径中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，即网格中单个导线的直径和间距以及在给定空间中填充的层数;以及通过床层的空气流量。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. 填充层雷诺数，Re_p
2. 孔隙度

材料和方法

本研究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充床和无填充床太阳能空气加热器的传热和流体流动特性数据。它包括一个测试部分，有两个相同的管道，一个光滑的管道(就像常见的太阳能空气加热器)和另一个相同的尺寸，但提供了一个使用丝网矩阵的填充床。两个管道长度相同，为1.60 m，宽度为0.62 m，深度为0.025 m，均为软木，与水平成25°倾斜。光滑的(或传统的)管道有一个2毫米GI板的吸收板。它被太阳辐射的一面涂上了黑色的板漆。它有一个3毫米厚的玻璃板盖固定在吸收板以上20毫米。管道的两侧和底部都用隔热板绝缘。(Thermocol是一种商用的保温材料，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为了比较在相同的操作条件下的性能，如质量流量、日晒和进口流体温度。填充床风管有一个2毫米的GI片，有几层铁丝网筛网排列在GI片的上方，而在它下面有50毫米的热镀锌和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.

用数字微伏表表示热电偶的输出，单位为毫伏。对温度测量系统进行了校准，以得到正确的温度值。通过使用校准的微压力计测量测试段的压降。

以下是实验装置的主要组成部分

图2:实验风管示意图 点击这里查看图

测试管

风管由镀锌铁板组成，长1.6 m，宽0.62m，深0.025 m，与水平倾角25°。风管的底面覆盖着2mm的铝板，下面是3mm的胶合板，下面是50mm的隔热层，支撑在另一个3mm的胶合板上。铝板面向太阳的一面被黑色板漆涂成黑色。吸收板上方固定有一个3mm厚的玻璃盖，它位于高度25mm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有20毫米的滞气间隙。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

带有三相3hp电机的离心式鼓风机，一端与低碳钢管连接，通过试验管道吸风。

孔板流量计

为了测量通过试验管道的空气流量，孔板已被固定在两个法兰之间，固定有直的M.S.管道，例如内径80毫米。孔板上游m.s.管长度为800mm，下游m.s.管长度为400mm。

压力计

一个压力计连接到压力水龙头，用于测量每个孔板上的压降(ÄP0)。质量流量可由下式计算:

在那里,
C_d是流量系数吗
β为孔板直径与管径的比值
一个₀孔的面积是多少
ρ是空气的密度

两个孔板都用标准皮托管校准。皮托管测量的局部速度通过管直径有孔板。利用实验得到的局部速度值计算了管道内空气的平均速度。利用该平均速度、空气密度和管道横截面积的知识，得到了空气质量流量。这些质量流量值和压力计的读数得出了流量系数的值。

日射强度计

印度加尔各答M/s国家仪器有限公司提供的0052型太阳辐射计用于测量太阳辐射强度。太阳辐射计与水平方向保持25°的倾角，这也是太阳能收集器的倾角。这样，落在倾斜集热器上的日晒量就直接由日晒计来测量。

温度计

使用0°~ 100°C的数字温度计测量空气进口和出口的温度。

实验

按照ASHRAE标准手册(1977)中描述的程序收集了实验数据，用于测试开环模式下的太阳能空气收集器。与给定的质量流量有关的数据是在晴朗的天空中从上午11点到下午2点以1小时的间隔收集的。试验开始前，对风管、进气段、搅拌装置及管件各连接处进行了渗漏检查，并采用玻璃腻子对渗漏处进行密封。在记录温度时，冰浴和微电压表的引线被保护起来，不受太阳直接辐射。吹风机运行一小时后，在特定的一天记录不同位置的热电偶读数、入口和出口空气温度、太阳辐射强度的日晒计读数和通过管道的压力降的压力计读数。收集了四组基质的流速为0.0261 ~ 0.031 kg/s的实验数据。首先使用六层方形低孔隙率丝网。然后使用相同的5层丝网，4层和3层，再次收集上述数据。

结果与讨论

结果如下图所示，数据以努塞尔数图的形式表示，以清楚地揭示了参数和强化对传热的影响。

图3:体积传热系数 与雷诺没有 点击这里查看图

图4:Nusselt与雷诺。 点击这里查看图

从图3和图4可以看出，传热随着雷诺数的增加而增加。增加，从图中还可以清楚地看到，随着管道中孔隙率的减少，传热增加，孔隙率的减少增加了紊流，从而增加了体积传热系数和努塞尔特系数。

结论

填料床式太阳能空气加热器可以成功地提高传热速率。传热强化是气孔率和操作参数的函数。研究发现，填充床式太阳能加热器的雷诺数是影响传热和摩擦因数的重要参数。在本研究范围内，具有孔隙率(P=0.961)和最大面积体积比(av=335m2)的六层基质传热较高。多孔性也强烈影响传热系数，进而影响热性能的填料床太阳能空气加热器。通过降低床层的孔隙率，可以显著提高床层的传热性能。在一定雷诺数下，床层的孔隙率决定着床层太阳能空气加热器的性能，而床层的孔隙率和面积容积比是影响热传递的关键参数。雷诺数也是影响填充床式太阳能加热器传热和摩擦因数的重要参数。研究发现，在几乎整个质量流量范围内，具有6层矩阵的方形空隙矩阵太阳能加热器的性能最好。(质量流率= 0.0261 - -0.033公斤/ s)。

因此，传热强化是气孔率作为操作参数的函数。此外，还发现雷诺数是影响填充床式太阳能加热器传热和摩擦因数的重要参数。

参考文献

1. 张志强，张志强，张志强，等。组合式太阳能空气加热器的热水力性能。能源Conv。等37: 205 - 214(1996)。
2. ASHRAE标准93-77，测定太阳能空气加热器热性能的试验方法，纽约，1-34(1977)。
3. 王志强，王志强，王志强。热传导系数。在吸收板上具有横向楔形肋粗糙度的矩形太阳能空气加热器管道的用户和摩擦因数关系式。可再生能源， 25: 341-69(2002)。
4. 赵建平，多孔材料的传热与流动特性．j .传热88: 69 - 76 (1966) . .
5. 赵志强，张志强，一种新型的薄膜太阳能集热器。太阳能9: 73 - 80(1965)。
6. 《破碎玻璃作为一种散发空气加热的太阳能集热器材料的特性》。在学报是二十五周年纪念大会， Boer K. W. and Glenn B. H. (Eds)， Atlanta, GA, pp. 264-268(1979)。
7. 王志强，王志强。多孔介质的传热与流动摩擦特性研究。化学。Eng。课题52,57f - 63f(1956)。
8. 张志强，太阳能空气加热器的设计与应用，北京科技大学学报(自然科学版)能量转换管理．34(2): 125 - 138(1993)。
9. 张志强，张志强，张志强，一种新型太阳能空气加热器的热性能分析模型，太阳能学报，2008,31(4):594 - 598。应用能量。88: 2157 - 2167 (2011)
10. El-Sebaii A.A, abul - enein S, Ramadan MRI, Shalaby SM, Moharram BM，双通道翅片太阳能空气加热器热性能研究。应用能源．88: 1727 - 1739(2011)。
11. 古普塔。M.K.和Kaushik S.C.，太阳能空气加热器的性能评估膨胀金属网作为吸收板的人工粗糙度，热科学。48: 1007 - 1016 (2009)
12. 张志强，王志强，张志强，太阳能空气加热器热性能的研究。第九届国际喷丸技术会议论文集，巴黎67 - 74(2005)。
13. 刘志强，刘志强，刘志强，矩形太阳能空气加热器管的传热特性及摩擦因数研究。太阳能， 80: 895-907(2006)。
14. 钢丝网太阳能空气加热器的最佳热工性能。太阳能．80: 1112 - 1120(2006)。
15. 张志强，双通道太阳能空气加热器的性能及熵产分析，可再生能源。30(2006)。
16. Paswan MK和Sharma SP，丝网粗糙太阳能空气加热器的热性能。出现．5(1): 31-40(2009)。
17. “太阳能集热器系统的床层参数优化”。可再生能源．29日:1863 - 1876(2004)。
18. Singh R, Saini RP and Saini JS, Nusselt number and friction factor correlation for packed bed solar energy storage system with large size elements of different shapes.针对具有大尺寸不同形状元件的填充床太阳能储能系统，研究了Nusselt数和摩擦因子相关性。太阳能．80: 760 - 771(2006)。
19. Thakur NS, Saini JS和Solanki SC，填料床太阳能空气加热器的传热和摩擦因子相关性，用于低孔隙率系统。太阳能．74: 319 - 329(2003)。
20. Varshney L和Saini JS，用线屏矩阵包装的矩形太阳能空气加热器管道的传热和摩擦因子相关性。太阳能．62(4): 255 - 262(1998)。
21. 张志强，金属丝网太阳能空气加热器的热性能研究，印度科学研究所技术。4(1)、12 - 14、(2011)。