前述测试主要是对利用特征数据进行分类精度对比，由于数据集大小、类分布不同等因素影响，精度只能在一定程度上代表数据对分类的支持情况。为探索特征数据的性能，更深入的分析是必要的。这组分析表明，特征数据集具有较好的线性可分特性。表5.11Fisher线性判别的分类结果2.特异分析在数据集中，一些数据或对象与其中其他数据或对象显著不同，则称是特异数据或特异对象。......
2023-06-16
分析集热管的热力性能
【摘要】：图4-3是集热管热损分析图。根据热损分析图可列出以下能量平衡方程：图4-3 集热管热损分析图1—换热流体 2—吸热管内壁 3—吸热管外壁 4—玻璃套管内壁 5—玻璃套管外壁 6—周围环境 7—大气环境 8—集热管支架1）金属吸收管内壁能量平衡方程：Q12，conv=Q34，cond；2）金属吸收管外壁能量平衡方程：Qsolarabs=Q12，cond+Qcondbracket+Q34，rad+Q34，conv；3）玻璃套管内壁能量平衡方程：Q45，cond=Q34，rad+Q34，conv；4）玻璃套管外壁能量平衡方程：Q45，cond+Q5，abs=Q56，conv+Q57，rad。
太阳辐射能到达金属吸热管后分为两股能量流：一部分能量由金属吸收管外壁通过导热的方式传入金属吸收管内壁，金属吸收管内壁与导热介质通过对流换热，把热量传递给导热介质有用热量Q56，conv；另一股能量一部分通过支架结构散热给环境Qb，conv，另一部分能量由金属吸收管传热给玻璃套管后，玻璃套管向环境散失的热量Q4，rad和Q4，conv。图4-3是集热管热损分析图。根据热损分析图可列出以下能量平衡方程：
图4-3 集热管热损分析图
1—换热流体 2—吸热管内壁 3—吸热管外壁 4—玻璃套管内壁 5—玻璃套管外壁 6—周围环境 7—大气环境 8—集热管支架
1）金属吸收管内壁能量平衡方程：Q12，conv=Q34，cond；
2）金属吸收管外壁能量平衡方程：Qsolarabs=Q12，cond+Qcondbracket+Q34，rad+Q34，conv；
3）玻璃套管内壁能量平衡方程：Q45，cond=Q34，rad+Q34，conv；
4）玻璃套管外壁能量平衡方程：Q45，cond+Q5，abs=Q56，conv+Q57，rad。
1.换热流体与吸热管内壁对流换热量
根据牛顿冷却定律，换热流体与吸热管内壁对流换热量为
式中，h1为流体对流换热系数（W/m2·K）；D2为吸热管内径（m）；T2为吸热管内壁温度（K）；T1为换热流体温度（K）；NuD2为特征尺寸为D2的努塞尔数；k1为在T1温度下换热流体导热系数（W/m·K）；
上述温度T1，T2为一维模型，假定沿圆周方向温度均匀。而努塞尔数NuD2与流体流过集热管的流动形式（层流流动、湍流流动、层流-湍流过渡流动、环形流动）有关，通常在典型工况下，流体流动形式为湍流，但在没有日照或者实验平台实验计算集热管热损时，流动可能为层流流动或者层流-湍流过渡流动，这是由于在较低温度下，流体的粘度较大引起的。
（1）湍流、层流-湍流过渡流动
当雷诺数ReD2＞2300时，换热流体与吸热管内壁的对流换热的流动形式为湍流流动或层流-湍流过渡流动，努塞尔数NuD2可采用Gnielinski关联式表示：
式中，f2为吸热管内壁摩擦系数；Pr1为对应T1温度下的普朗特数；Pr2：对应T2温度下的普朗特数。
上述关联式适用范围为：0.5＜Pr1＜2000，2300＜ReD2＜5×106。
（2）层流流动
当雷诺数ReD2＜2300时，努塞尔数NuD2等于常数，根据Incrop-era and DeWitt的管内流动理论，NuD2=4.36。
（3）环形流动
在集热器试验台进行实验模拟时，试验台经常模拟一个槽式太阳能热发电站的实际运行工况。根据相似理论，试验台的实验条件与实际热发电站的运行参数按等比例缩小，但由于试验台的电泵没有足够大的功率使其达到相似原理所要求的功率，而且试验台的集热场长度也受限制，因此，为了模拟要求，在集热管的内部插入一根绝热棒，来提高雷诺数ReD2，从而达到实验要求。
插入绝热棒后，对于湍流流动，式（4-4）中的特征尺寸D2可用水力直径Dh代替：
式中，Acs为流动横截面积（m2）；Pw为湿周（m）；D2为吸热管内壁直径（m）；Dp为绝热棒直径（m）。
对于层流流动，努塞尔数NuD2与Dp/D2大小有关，见表4-3。
表4-3 NuD2与Dp/D2的对应关系表
2.吸热管内外壁导热
根据傅里叶导热定律，中空圆柱体壁面导热可由下式表示：
式中，k23为吸热管内外壁面平均温度
对应的导热系数（W/m·K）；T2为吸热管内壁温度（K）；T3为吸热管外壁温度（K）；D2为吸热管内径（m）；D3为吸热管外径（m）；
式（4-5）中，导热系数k23只与吸热管内外壁面平均温度和吸热管材料有关。吸热管的材料包括以下几种：不锈钢304L、不锈钢316L、不锈钢321H、铜管B42。对于不锈钢304L型或不锈钢316L型，导热系数k23由式（4-6）表示：
k23=（0.013）T23+15.2 （4-6）
对于不锈钢321H，k23=（0.0153）T23+14.775。
对于铜管B42型导热系数k23可以取常数400（W/m·K）。
计算吸热管壁面导热时，忽略吸热管外壁选择性涂层的热阻。
3.吸热管外壁与玻璃套管内壁之间的热传导
吸热管外壁与玻璃套管内壁之间的环形空间，主要发生的传热方式是对流传热和热辐射两种方式。而对流传热方式又与环形空间的气体压力有关，通过空气或其他媒介在表面互相掠过而进行的自然对流，按媒介可区分为自由分子对流和自然对流。当集热管与玻璃罩管按内部压力大小为1Torr[2]压强来分界区分真空和非真空状态。
（1）真空状态
当pair＜1Torr时，环形空间的对流传热方式为自有分子导热，参数取值参见表4-4：
式中，h34为对流换热系数[（W/m2·K）]；kstd为空间气体热导率[（W/m·K）]；D3为吸热管外壁（m）；D4为玻璃套管内壁（m）；b为关联系数；λ为分子碰撞自由程（m）；a为调节系数；γ为空间气体比热比；T34为空间平均气体温度（K）；Pa为空间气体压强（Pa）；δ为空间气体分子直径（m）。
表4-4 真空状态下空间气体计算系数及常数
注：表中数据是在平均温度为300℃、太阳辐射为940W/m2下的计算数据。
（2）非真空状态
环形空间内部压力pair＞1Torr时，认为失去真空状态，处于非真空状态。
此时，空间换热形式为自然对流换热。水平环状空间自然对流换热公式为
对于理想气体：
式中，k34为在T34温度下，环形空间气体的导热系数[（W/m·K）]；T3为吸热管外壁温度（K）；T4为玻璃套管内壁温度（K）；D3为吸热管外径（m）；D4为玻璃套管内径（m）；Pr34为普朗特数；RaD3为特征尺寸为D3的瑞利数；β为体积热膨胀系数（1/K）；T34为环形空间平均温度（K）。
上述公式的使用条件是沿圆周方向的温度均匀，且
4.吸热管外壁与玻璃套管内壁之间的热辐射
根据辐射理论，假设吸热管外壁与玻璃套管内壁表面都为灰体，且没有气体参与热辐射传热过程，则热辐射不能穿过玻璃套管壁面。吸热管外壁与玻璃套管内壁之间的热辐射可用以下公式表示：
式中，σ为波尔兹曼常数，σ=5.67×10-8（W/m2·K4）；D3为吸热管外径（m）；D4为玻璃套管内径（m）；T3为吸热管外壁温度（K）；T4为玻璃套管内壁温度（K）；ε3为选择性涂层发射率；ε4为玻璃套管内壁发射率。
5.玻璃套管内外壁导热
根据傅里叶导热定律，玻璃套管内外壁导热可由下式表示：
式中，k45为玻璃套管内外壁面平均温度
对应的导热系数[（W/m·K）]；T4为玻璃套管内壁温度（K）；T5为玻璃套管外壁温度（K）；D4为玻璃套管内径（m）；D5为玻璃套管外径（m）。
6.玻璃套管外壁与环境传热
玻璃套管外壁与环境传热包括两个方面，即对流换热和热辐射。
（1）对流换热
玻璃套管外壁与周围空气之间的对流换热，是集热管最主要的热损失之一。根据牛顿冷却定律有
q56conv=h56πD5（T5-T6） （4-12）式中，h56为对流换热系数（W/m2·K）；D5为玻璃套管外径（m）；T5为玻璃套管外壁温度（K）；T6为环境温度（K）；NuD5为特征尺寸为
D5的努塞尔数，k56为在
温度下的空气导热系数[（W/m·K）]，
当环境风速v=0m/s时，玻璃套管与环境之间的对流换热方式是自然对流。由Churchill&Chu关联式（适用范围：105＜RaD5＜1012）可知：
式中，RaD5为特征尺寸为D5的瑞利数；g为重力加速度（m2/s）；T56为玻璃管外壁与环境的平均温度（k），
为在T56温度下的空气热扩散系数（m2/s）；β为体积膨胀系数（1/K）；Pr56为在T56温度下的普朗特数；ν56为在T56温度下的空气动力粘度（m2/s）。
当环境风速v＞0m/s时，玻璃套管与环境之间的对流换热方式是强迫对流。由Zhukauskas关联式（适用范围：0.7＜Pr6＜500，1＜ReD5<106）可得
式中，C和m的取值见表4-5。
表4-5 真空状态下空间气体计算系数及常数
上文中特征数的特征温度除Pr5以外，都为环境温度T6。
（2）热辐射
根据辐射理论，玻璃套管与大气之间存在热辐射，为简化计算，假设玻璃套管外壁外灰体，大气环境为黑体，且大气温度值等于环境温度减去8℃，即如果环境温度等于20℃，则大气温度等于12℃。
式中，ε5为玻璃套管外壁发射率；σ为波尔兹曼常数，σ=5.67×10-8（W/m2·K4）；D5为玻璃套管外径（m）；T5为玻璃套管外壁温度（K）；T7为大气温度（K）。
7.支架机构热损失
集热管通过支架机构支撑，保持在反光镜的焦线上，每个集热管的端部都有一个支架机构，支架机构的散热可近似认为是无限长肋的散热，如图4-4所示。肋基的温度比吸热管外壁温度低10℃，传热公式可表示为
式中，hb为平均对流换热系数（W/m2·K）；Pb为支架机构周长（m）；kb为导热系数（W/m·K）；Acsb为支架机构最小横截面积（m2）；Tbase为支架机构肋基温度（K）；T6为环境温度（K）；LHCE为集热管长度（m）。
图4-4 集热管支架支撑机构
8.光学损失系数
实际太阳能热发电站运行的集热场的集热管的光学损失系数主要由以下两方面组成：
反光镜光学损失系数，包括反光镜反射率、追踪损失系数、几何准确度系数和反光镜洁净度系数，这四项分别反映了集热场在实际运行中由于结构准确度、反光镜形状、镀膜质量以及灰尘等原因产生的各种光学损失；集热元件光学损失系数，包括玻璃管洁净度系数、玻璃管透射率、玻璃管发射率、玻璃管反射率、密封头损失系数、金属管涂层吸收率系数以及其他损失系数。这七项分别反映了集热器场在实际运行中由于集热元件本身的物性、灰尘覆盖、密封头遮挡、金属涂层老化以及不能确定的因素等原因引起的损失。
表4-6中列出了实际运行中的参考系数取值。
表4-6 实际运行中的参考系数取值
集热管吸收太阳辐射的热量为
式中，
；
0.00005369θ2，为入射角修正系数；ηopt为集热器光学系数。
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