基于功能型热导材料的太阳能空气集热技术非稳态耦合传热机理研究

This project is aim at the issue of the actual demand for room heating with clean energy, which is based on the solar-thermal effect and high efficient heat transfer technology of micro heat pipe arrays. By using theoretical analysis, experiment research and numerical calculation methods, the main solutions for problems in the heat transfer process under unsteady condition of solar air collector with micro heat pipe arrays is gained. The issues include: 1) The whole heat transfer process of the flat-plate solar air collector based on the high-efficient functional thermal conductivity material-micro-heat pipe arrays; 2) Heat transfer analysis based on the heat collection and ventilation heat exchange of micro-heat pipe arrays. 3) The convective heat transfer of fins in the collector with unstable boundary conditions; 4) The low loss mechanism of the flat-plate solar air collector based on the micro-heat pipe arrays. These results can be obtained, which is heat exchange experience formula and matching criteria for heat transfer and ventilation of the collector, the correlation criterion between the structure factor and heat exchange of the fins in the condensation section, calculation method of heat loss of the collector and the ways of heat loss. With the investigation, the heat transfer condition inside of the collector can be Improved.

项目立足农村清洁能源取暖的实际需求，基于太阳能光热效应与微热管材料的高效热传导技术，通过理论分析、实验研究及数值计算的方法，主要解决基于微热管阵列太阳能高效热利用过程中（空气集热技术）的非稳态传热问题：1）基于高效功能性热导材料--微热管阵列的平板式太阳能空气集热器整体传热过程；2）基于微热管阵列集热与通风换热侧热传递过程分析；3）非稳定边界条件下的集热器冷凝段翅片的对流换热问题；4）基于微热管阵列的平板太阳能空气集热器的低损失机理。通过研究得到空气集热器的换热经验公式以及集热与通风换热侧的匹配准则；得到边界条件不稳定状态下，冷凝侧翅片结构因子与换热之间的关联准则；得到集热器热损失计算方法及低热损失途径，改善集热器内部换热条件。该项目的研究也能为太阳能空气采暖技术的发展及清洁能源计划的发展提供一定的理论依据。

本项目应用基于高效功能型热导材料-微热管阵列集热板芯集成技术，对空气集热器在结构形式上进行创新性改进，进而改善传统空气集热器在强化传热与热损失、流动阻力之间的矛盾关系。通过研究该集热器集热过程中的组件热传递问题和集热器损失机理，明确该类型集热器性能优化的方向。项目研究完成了核心传热元件微热管阵列的传热性能系统研究，通过大量的实验研究获得了大尺度微热管阵列在不同能流密度，不同冷却边界，不同倾角下的热传递规律；完成了微热管阵列空气集热器及系统的数值模型开发，并且通过实验数据获得了模型可靠性的验证分析；通过模拟仿真对微热管阵列太阳能空气集热器集热和通风换热特征及运行参数影响下的热传递和热损失机理进行了全面研究，提出了该类型集热器的优化方法。此外，在项目原研究基础上，对研究进行了进一步拓展，对与微热管阵列太阳能空气集热器相结合的集热/蓄热系统，微热管阵列PV/T热风系统及技术进行了实验探究，获得了微热管阵列空气集热器全天候应用的系统设计方法和耦合方案。研究结果对微热管阵列太阳能空气集热器的优化运行，系统设计和其在采暖和干燥领域的运用提供了参考，为空气集热器在的清洁能源中的发展和应用提供了实践经验。项目研究成果共发表学术论文12 篇，其中 SCI 收录论文8 篇，中文核心期刊论文2篇，会议论文2篇。