【原】766 太阳能热泵干燥装置-平板型空气集热器设计

基本结构

平板型空气集热器的基本结构如下图（空气流道和集热面可有其他多种型式）。

图中太阳光穿过透光板、静止空气层后到达集热面上变为热能，加热空气流道内流动的空气，进入集热器的冷空气在流过空气流道过程中被加热为热空气排出。

设计方程

设计基本方程为（以单位面积为例）：

Q_S=Q_a+Q_u+Q_d

式中，Q_S为集热面上得到的太阳能，W/m²；Q_a为空气流过流道过程获得的热能，W/m²；Q_u为通过静止空气隔热层的热损失，W/m²；Q_d为通过保温层的热损失，W/m²。

集热面得到的热能为：

Q_S=E_SC_pC_a

式中，E_S为垂直于透光板的太阳总辐射强度，W/m²；C_p为透光板的透过率，无因次；C_a为集热面的净吸收率，无因次。

空气获得的热能为：

Q_a=m_aC_pa(T_o-T_i)=a_fa(T_h-T_am)

式中，m_a为空气流量，kg/s；C_pa为空气定压比热，J/(kg.℃)；T_o为空气出集热器温度，℃；T_i为空气进集热器温度，℃；a_fa为集热板与流动空气之间的对流换热系数，W/(m².℃)；T_h为集热板平均温度，℃；T_am为空气进出集热器的平均温度，℃。

通过静止空气层的热损失：

Q_u=k_a(T_h-T₀)/H_a

式中，k_a为空气热导率，W/(m.℃)；T_h为集热板温度，℃；T₀为环境温度，℃；H_a为静止空气层厚度，m。

通过保温层的热损失：

Q_d=k_d(T_h-T₀)/H_d

式中，k_d为保温材料热导率，W/(m.℃)；T_h为集热板温度，℃；T₀为环境温度，℃；H_d为保温层厚度，m。

计算示例

设太阳总辐射强度600W/m²，透光板的透过率0.90，集热板的净吸收率0.85；空气进集热器温度20℃，要求出集热器温度60℃，空气定压比热1005J/(kg.℃)，集热板与空气之间的对流换热系数15 W/(m².℃)；空气热导率0.023 W/(m.℃)，静止空气层厚度0.023m；保温材料热导率；0.04 W/(m.℃)，保温层厚度0.08m；试确定单位面积集热器相匹配的空气流量。

集热板得热量为：

Q_S=E_SC_pC_a=600*0.90*0.85=459W/m²

空气得热量：

Q_a=a_fa(T_h-T_am)=15*(T_h-40)

静止空气层热损失：

Q_u=k_a(T_h-T₀)/H_a=0.023*(T_h-20)/0.023

保温层热损失：

Q_d=k_d(T_h-T₀)/H_d=0.04*(T_h-20)/0.08

由设计基本方程：

459=15*(T_h-40)+0.023*(T_h-20)/0.023+0.04*(T_h-20)/0.08

解上式得：

T_h=66℃

空气流过集热器得热量：

Q_a=15*(66-40)=390W/m²

集热器热效率约为：

390/600=0.65

空气匹配流量应为：

m_a=Q_a/(C_pa(T_o-T_i))=390/(1005*(60-20))=0.0097kg/s

设空气密度1.2kg/m²（20℃时），则空气体积流量约为：

3600*0.0097/1.2=29.1m³/h

参考上述数据可确定不同流量空气时所需的集热器面积；如需加热的空气流量为200 m³/h时，则所需的集热器面积约为：

200/29.1=6.9m²

实际应用中，考虑到集热器可能存在的少量其他热损失及长期使用可能存在的性能衰减，确定集热器面积时应有一定的裕量。

空气流道的形状会影响接收太阳能当量面积、集热面与流动空气之间的当量换热面积；空气与集热面之间的对流换热系数与流道形状、空气流速等均有关系，上述因素均可根据实际应用进行优化设计。

对移动型平板空气集热器，可考虑透光面、集热面（含空气流道）、保温层均采用柔性材料，可便于运输和安装。