一种太阳集热器过渡过程时间测试方法与流程

本发明涉及一种过渡过程时间测试方法，特别是涉及一种太阳集热器过渡过程时间测试方法。

技术背景

集热器的过渡过程时间反应的是集热器对瞬变输入响应的动态特性，在稳态测试方法中，根据集热器过渡过程时间值的大小可估计集热器达到稳态或准稳态所需的时间长短，随着太阳集热器的应用越来越广泛，集热器过渡过程时间作为太阳集热器热性能的最重要性能指标之一。

目前包含有集热器过渡过程时间测试的方法概括起来可用ashrae93-2010、iso9806-1来代表，iso9806-1所描述的方法和ashrae93-2010所描述的两种方法之一都要求在测试时调节集热器入口温度与周围环境温度相等，这一要求使得许多地区能适用于过渡过程时间测试的时间大为减少，比如在北京，冬季的环境温度大多在0℃以下，若集热器内的工作流体为水，此时按照上述标准的规定是不能测试过渡过程时间的，ashrae93-2010中的另一种方法虽不要求集热器入口温度与周围环境温度相等但需事先已知参数frul。

技术实现要素：

鉴于上述现有测试方法存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种新的集热器过渡过程时间测试方法，此方法不要求在测试时调节集热器入口温度与周围环境温度相等，也不需要事先知道参数frul，这不仅使得测试条件降低，而且对于工作流体为水的集热器，其过渡过程时间的测试在许多地区的测试期大为增加。

本发明为实现上述目的，采用如下测试方法，测试装置及连接方式如附图1所示，其特征在于，包括以下步骤：

步骤s101：测试可在晴天室外条件下进行，在测试过程中的稳态阶段太阳辐照度的变化在平均值±50w/m²的范围内，此外在测试期间环境温度也要基本保持不变；

步骤s102：打开数据采集仪，记录落在集热器采光面上的太阳辐照度，集热器进、出口处的温度，环境温度及流经集热器工作流体的流量；

步骤s103：调整流经集热器工作流体的流量到设定范围并保持稳定，之后在步骤四或步骤五中任选其一；

步骤s104：用遮光板挡住落在集热器上的太阳辐射，当达到稳态时，移去遮光板(定义此时τ＝0)并继续记录被测量值，直到再次出现稳态，对于该项实验，当出口工质温度的变化小于0.05℃/min时，即可认为达到稳态；

步骤s105：先让集热器在太阳辐射下达到稳态，接着用遮光板挡住落在集热器上的太阳辐射(定义此时τ＝0)直到再次出现稳态，达到稳态的判断方法与前面描述的一样，即当出口工质温度的变化小于0.05℃/min时，即可认为达到稳态；

步骤s106：集热器的过渡过程时间为τ＝0开始，也即从到表达式的值达到0.95时所需的时间。

理论依据：

先考虑一个单层盖板集热器中流体不流动时的纯粹蓄热的情况，为简化起见，将集热器分成两部分：将吸热板、内部流体和隔热材料作为一部分，并认为它们处于同一温度下，以吸热板板温tp来代表；将玻璃盖板层作为另一部分，它的温度为tc，且tc＜tp。

对于吸热板整体(包括流体及隔热材料)，蓄热过程的能量平衡方程为：

其中：s＝i(τ′α)

对于盖板部分，假定它不吸收太阳辐射，则它的能量方程为：

假定u2(tc-ta)＝ul(tp-ta)，ta保持不变，将此式对时间求导，可得：

将(1)和(2)两式相加，并结合上式，可得：

假定ul≈ut＝u1u2/(u1+u2)，并令集热器的有效热容(mc)e为：

对于有n层盖板的集热器，其有效热容为：

式中ai为集热器总热损系数与从所讨论的盖板层到环境的热损系数之比。

假设集热器的有效热容(mc)e由吸热板负担，且吸热板与作为传热工质的流体之间的对流换热系数足够大，则可以认为流体的平均温度tf,m与吸热板的温度tp相等，这时集热器处在交付有用能量收益的情况下，对集热器列能量方程：

式中：ul为太阳集热器热损失系数，w/(m²·℃)；

称为集热器的热转移因子；

称为集热器的效率因子。

当集热器工作状态达到稳态，太阳辐照突然发生阶跃变化，此时集热器的工作状态将由一个稳态向另一个稳态过渡。

假定在此过程中集热器入口工质温度、工质流量和环境空气温度均保持不变，则集热器内流体平均温度tf,m随时间的变化率与集热器出口温度tf,0随时间的变化率有如下的关系：

这样，将式(8)代入式(7)，式(7)可转化为：

重新整理方程(9)得到：

为使方程(10)形式看起来简单，求解时方便，我们做如下的代换：

y＝tf,0-tf,i(11)

x(τ)＝s-ul(tf,i-ta)(12)

则方程(10)可化为：

此方程代表一个典型的一阶系统，y是系统的输出，x是系统的输入，t是时间常数，是系统的放大系数。

考虑x(τ)在τ＝0时有一个突变，即x(τ)从τ＜0时的一个常数值变化到τ>0时的另一个常数值(虽然在整个过程中可将ul(tf,i-ta)看作是常数，但s在0点有一个突变)，此方程在τ>0时的通解为：

因当τ>0时，x(τ)＝x0+是一常数，则上式变为：

将(15)回代到(17)得到：

整理方程(18)得到：

这样：

当τ＝∞时

这样：

过渡过程时间ts是单位阶跃响应h(t)与稳态值h(∞)之间偏差达到±5％，且以后不再超出此范围的最短时间，因此，对本测试系统来说，集热器的过渡过程时间为表达式从0变化到0.95所需的时间τ。

此方法在推导过程中没有做tf,i＝ta的假设，测试过程中只需保持集热器入口温度tf,i、环境温度ta及流经集热器工作流体的质量流量保持恒定，而不需调整入口温度，使之与环境温度相等，而且也不需像ashrae93-2010一样需事先已知集热器参数frul。

附图说明

图1为太阳集热器过渡过程时间测试系统图。

图2tf,0随时间的变化(tfi＝38℃，g按步骤s104)。

图3r随时间的变化(tfi＝38℃，g按步骤s104)。

图4tf,o随时间的变化(tfi＝38℃，g按步骤s105)。

图5r3随时间的变化(tfi＝38℃，g按步骤s105)。

图6r随时间的变化(tfi＝ta，g按步骤s105)。

图7r随时间的变化(tfi＝ta,g按步骤s104)。

图8不同测试方法测试结果比较。

具体实施方式

为验证新方法的有效性，在冬天和夏天各进行了一系列实验，将使用新方法得到的测试结果与使用现有方法得到的测试结果进行比较，证明了使用新方法进行测试的有效性。

实施例1

测试是在夏天进行的。试验期间环境温度在30℃左右。

所述的太阳集热器过渡过程时间测试方法，测试装置及其连接方式如附图1所示。其特征在于，包括以下步骤：

步骤s101：测试在晴天室外条件下进行，在测试过程中太阳辐照度的变化在平均值±50w/m²的范围内，此外在测试期间环境温度也要基本保持不变；

步骤s102：打开数据采集仪，记录落在集热器采光面上的太阳辐照度，集热器进、出口处的温度，环境温度及流经集热器的工作流体的流量；

步骤s103：调整流经集热器的工作流体的流量到设定值(1l/min)，并使流量保持稳定；调整集热器入口温度tf,i到38℃左右，之后分别进行步骤s104、步骤s106和步骤s105、步骤s106；

步骤s104：用遮光板挡住落在集热器上的太阳辐射，当达到稳态时，移去遮光板(定义此时τ＝0)并继续记录被测量值，直到再次出现稳态，对于该项实验，当出口工质温度的变化小于0.05℃/min时，即可认为达到稳态；

步骤s105：先让集热器在太阳辐射下达到稳态，接着用遮光板挡住落在集热器上的太阳辐射(定义此时τ＝0)直到再次出现稳态，达到稳态的判断方法与前面描述的一样，即当出口工质温度的变化小于0.05℃/min时，即可认为达到稳态；

步骤s106：集热器的过渡过程时间为τ＝0开始，也即到表达式的值达到0.95时所需的时间。

分别将集热器出口温度tf,0及随时间变化的曲线绘于图2～5。

由图3与图5可知，在本实例中，得出集热器的过渡过程时间分别是160s和148s。

实施例2

测试是在冬天进行的。试验期间环境温度在3℃左右。

所述的太阳集热器过渡过程时间测试方法，测试装置及其连接方式如附图1所示。其特征在于，包括以下步骤：

步骤s101：测试可在晴天室外进行，在测试过程中太阳辐照度的变化在平均值±50w/m²的范围内，此外在测试期间环境温度也要基本保持不变；

步骤s102：打开数据采集仪，记录落在集热器采光面上的太阳辐照度，集热器进、出口处的温度，环境温度；

步骤s103：调整流经集热器的工作流体的流量到设定值(1.04l/min)，并保持流量稳定；调整集热器入口温度tf,i与环境温度相同，之后分别进行步骤s104、步骤s106和步骤s105、步骤s106；

步骤s104：用遮光板挡住落在集热器上的太阳辐射，当达到稳态时，移去遮光板(定义此时τ＝0)并继续记录被测量值，直到再次出现稳态，对于该项实验，当出口工质温度的变化小于0.05℃/min时，即可认为达到稳态；

步骤s105：先让集热器在太阳辐射下达到稳态，接着用遮光板挡住落在集热器上的太阳辐射(定义此时τ＝0)直到再次出现稳态，达到稳态的判断方法与前面描述的一样，即当出口工质温度的变化小于0.05℃/min时，即可认为达到稳态；

步骤s106：集热器的过渡过程时间为τ＝0开始，也即到表达式的值达到0.95时所需的时间。

将变量随时间的变化绘于图6～7，得到的时间常数均为192s。

本发明测试所得数据结果与ashrae93-2010和iso9806-1测试比较。

采用ashrae93-2010和iso9806-1测试方法，对上述两个实例进行测试，测试结果比较值见图8。

测试结果表明，不论集热器入口温度与周围环境空气温度是否相等，用新方法得到的集热器过渡过程时间均基本相等，且与用ashrae93-2010、iso9806-1测试得到的过渡过程时间也相等，因此本发明提出的新方法测试得到的集热器过渡过程时间时间是有效的。