牆壁-屋頂式太陽能煙囪實驗裝置的製作方法

2023-05-01 18:44:56 2

專利名稱：牆壁-屋頂式太陽能煙囪實驗裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型設計一種太陽能煙囪實驗裝置，尤其是涉及牆壁-屋頂式太陽能煙囪實驗裝置，可以通過改變結構尺寸、角度和熱流大小來分析太陽能煙囪的流場、速度場和溫度場的影響的裝置，本實用新型涉及太陽能煙囪和自然通風領域。
技術背景太陽能煙囪是通過吸收太陽輻射熱來增大煙囪內外溫差、增加浮力效應，最終實現增加室內通風風量以降低室溫目的的結構裝置。太陽能煙囪實驗研究開始於20世紀50年代，國內外研究者對太陽能煙囪進行了大量實驗和數值模擬研究。目前研究較多的太陽能煙囪結構形式有=Trombe牆體式結構，豎直集熱板屋頂式結構，傾斜集熱板屋頂式結構，牆壁-屋頂式的太陽能煙囪結構等。目前，國內外研究者對研究主要集中於Trombe牆體式結構，豎直集熱板屋頂式結構，傾斜集熱板屋頂式結構太陽能煙囪形式。研究太陽能煙囪研究特性主要採用理論分析、數值模擬方法和實驗研究的方法。在理論分析方面，Ong等(2003)對Trombe牆體式結構進行研究，在忽略玻璃蓋板和集熱牆的導熱熱阻的基礎上，建立了一個由玻璃蓋板、集熱牆和煙囪內的空氣的熱平衡方程。翟曉強，王如竹(2010)用集總參數法推導出了求解Trombe牆式太陽能煙囪誘導的空氣品質流量公式，並針對幾種不同情況進行了分析比較。Aboulnaga (2006)採用理論分析方法研究屋頂式結構太陽能煙囪誘導空氣量。數值模擬手段在太陽能煙囪研究中得到廣泛應用，王麗萍等人(2003)趙平歌(2004)對Trombe牆體式太陽能煙囪，孫蒙(2006)等對豎直集熱板屋頂式太陽能煙囪採用數值模擬太陽能煙囪強化自然通風，研究計算結果表明影響房間通風效果的主要是太陽能輻射能量、環境溫度及煙 截面高度。總體來看，有關太陽能煙囪理論分析主要是圍繞Trombe牆體式太陽能煙囪展開，研究採用了很多簡化假設，只是在一定前提條件下適用。隨著計算機技術發展，數值模擬技術被普遍採用，但是數值模擬的結果準確性必須用實驗數據來驗證。因此，實驗方法是研究太陽能煙囪特性並且將結構用於工程實際的重要手段。有關太陽能煙囪的實驗研究，主要包括鹽水模擬實驗法、氣體模擬法和水模型系統法、比例模型實驗方法、全尺寸試驗方法、示蹤氣體法以及氫氣泡方法。鹽水模擬法目前已經被廣泛的接受，並且應用於很多的研究方面。但是它的缺點是需要比較大的蓄水池而且必須不斷的補充鹽水，而且必須倒轉建築模型，實驗裝置比較複雜。而氣體模擬法和水模型系統可以準確的模擬自然通風的情況，但是在模擬時需要使各相似因素符合實際情況，這在實際情況下是很難達到的。在實驗研究方面,針對Trombe牆體式結構太陽能煙囪,Bouchair (1994)在實驗室條件下對一個全尺寸的煙囪進行了非常完備的研究。荊海威(2005)、郝彩俠(2006)採用對高度為2000mm，長度為1000的豎直集熱板屋頂式太陽能煙囪進行實驗研究。[0011]關於傾斜集熱板屋頂式結構太陽能煙囪，Chen等人(2003)研究傾斜集熱板屋頂式結構太陽能煙囪，觀察了在在四個不同煙囪傾角和五個不同熱流密度時的太陽煙囪熱性能。Lelan (2003)採用實驗和CFD模擬手段進行研究。Ramadan Bassiouny等人(2008)對太陽能煙囪的傾斜角度與通風效果的關係進行了理論分析研究。關於牆壁-屋頂式太陽能煙囪，Aboulnaga (2006)採用理論分析方法研究牆壁-屋頂式結構太陽能煙囪誘導空氣量。楊啟容(2010)針對廣州地區的二層別墅，在其南外牆和南向屋頂設置豎直和沿屋頂傾斜的串聯太陽能煙囪，並對其通風性能進行了研究。Spencer (2001),端木祥玲(2007)利用氣泡技術模擬豎直集熱板式太陽能煙囪和Trombe牆體式太陽能煙囪的熱性能，得到了煙囪進口和高度的關係。但該方法的缺點是不能模擬建築熱特性對自然通風的影響。 綜合已經發表研究成果可以發現，目前研究主要集中在Trombe牆體式結構太陽能煙囪，豎直集熱板屋頂式以及傾斜集熱板屋頂式屋頂式煙囪。另外目前的研究多集中於如何提高太陽輻射熱的吸收以及對流換熱特性的研究，而對於煙囪本身的優化設計研究較少，而且能夠用於工程設計的資料不多，因此有必要對進行深入細緻的研究。雖然已有研究(翟曉強，王如竹，2003年，Aboulnaga，2006年)表明，牆壁-屋頂式太陽能煙囪能夠大大提高自然通風量。但是缺乏相關的實驗研究數據。因此，需要搭建比例模型實驗臺或者全尺寸實驗臺，開展牆壁-屋頂式太陽能煙囪通風效果研究。研究「牆壁-屋頂」式太陽能煙囪的結構尺寸、傾斜度和熱流大小對太陽能煙囪的流場、速度場和溫度場的影響情況。目前，國內的有關太陽能煙囪的專利集中在太陽能煙囪設備申請號94190117. 3，太陽能集熱器申請號200110092150. 4發電等，主要目的利用加熱氣流做有用功，用於太陽能熱交換，並提供將太陽能轉換為電能方法。目前還沒有出現「牆壁-屋頂」式太陽能煙囪裝置的相關專利。

實用新型內容為了解決牆壁-屋頂式太陽能煙囪的相關實驗研究數據缺乏的問題，提供一種方便靈活的牆壁-屋頂式太陽能煙 實驗裝置，將豎直集熱板屋頂式結構太陽能煙 與傾斜集熱板屋頂式結構太陽能煙囪結合起來，填補了現有實驗裝置無法研究牆壁-屋頂式太陽能煙囪的空白。其可以用於研究牆壁-屋頂式太陽能煙囪的結構尺寸、傾斜度和熱流大小對太陽能煙囪的流場、速度場和溫度場的影響情況。為了實現上述目的，本實用新型採取了如下技術方案牆壁-屋頂式太陽能煙囪實驗裝置，其包括模型房間10和太陽能煙囪，模型房間10的一側開口與太陽能煙囪的通道相連，另一側開有空氣進氣口 24，內置有發煙裝置9 ;所述的太陽能煙 由豎直段管段和傾斜段管段構成；所述的豎直段管段由豎直段加熱壁6、豎直段側壁7、法蘭槽8以及可移動壁11構成，豎直段加熱壁6兩側固接有豎直段側壁7 ；兩側豎直段側壁7相對面上設有3個法蘭槽8，可移動壁11插入三個法蘭槽的任意一個，構成無橫斷面的封閉煙囪環境；豎直段加熱壁6由鋁板13、熱電偶14、加熱板15、聚乙烯泡沫16構成，鋁板13上附著集熱版板15，加熱板15上均勻設置有熱電偶14，加熱板表面再布置聚乙烯泡沫16，聚乙烯泡沫16位於煙 外側；所述的傾斜管段由傾斜段加熱壁I、傾斜段側壁2、法蘭槽8、可移動壁11構成；傾斜管段構成方式與組成材料與豎直管段相同，即傾斜段加熱壁I兩側固接有傾斜段側壁2 ;兩側傾斜段側壁2相對面上設有3個法蘭槽8，可移動壁11插入三個法蘭槽的任意一個，構成無橫斷面的封閉煙 環境；傾斜段加熱壁I由鋁板13、熱電偶14、加熱板15、聚乙烯泡沫16構成，鋁板13上附著集熱板15，加熱板15上均勻設置有熱電偶14，加熱板表面再布置聚乙烯泡沫16，聚乙烯泡沫16位於煙囪外側；傾斜段通過後支撐架3固定在模型房間10上；兩段煙 的側壁通過的扇形件4進行連接，兩塊加熱壁用一塊絕熱的防火布5密封連接，通過更換扇形件4的角度與調整後支撐架的長度來調節傾斜管段的角度。所述的模型房間10由透明牆壁圍成。所述的法蘭槽8槽口與移動壁11厚度相同，傾斜管段與豎直管段安裝好後，兩個管段的法蘭槽口正好對接。 所述插入豎直段管段和傾斜段管段的可移動壁11為一個整體的「L」形；所述的可 移動壁11從傾斜管段的法蘭槽口插入，可直接插至豎直管段的法蘭槽末端；更換煙 寬度時，將移動壁從原法蘭槽中抽出插入所需法蘭槽。所述的扇形件4的角度包括30°，45° ,60°。所述的豎直段熱電偶14與電源17、滑動變阻器18、電壓表19、電流表20相連，滑動變阻器18、電壓表19、電流表20採用外接的方式接入，置於模型房間10外部。與傾斜段熱電偶14相連的滑動變阻器II 21、電壓表II 22、電流表II 23也置模型房間10外部。通過調整滑動變阻器18來調整通過電路中電流的大小，控制熱電偶的發熱量。與現有相關技術比較，本實驗裝置具有以下優點I、本裝置將通過設置傾斜段和豎直段太陽能煙 並進行整合，能夠模擬真實壁面-屋頂一體化太陽能煙囪結構的空氣流動情況。2、本裝置在豎直段和傾斜段兩段煙囪的側壁通過一個夾角a (30°、45°和60° )的扇形件進行連接，通過採用不同弧度扇形件來調節角度，從而可模擬不同角度下太陽能煙囪的通風情況。3、本裝置設置寬度調節裝置來調節太陽能煙囪寬度，從而可模擬不同寬度下太陽能煙囪的通風效果。4、本裝置可通過熱流密度調節裝置來調節熱流密度，從而可模擬不同入射角度、不同緯度地區、不同氣候條件下太陽能煙囪的表面得到熱流密度情況，進而研究下不同工況下太陽能煙囪的通風效果。5、本裝置能夠模擬實驗範圍大。根據需求可以對於不同的角度、寬度以及熱流密度進行相互組合。組合成為不同的實驗環境，進行實驗模擬。

圖I實驗裝置示意圖；圖2實驗裝置剖面圖圖3豎直段煙囪結構圖；圖4加熱壁結構示意圖；圖5豎直面電加熱壁的連接方式；[0036]圖6傾斜面電加熱壁的連接方式；圖7豎直面內側熱電偶的布置圖；圖8傾斜面內側熱電偶的布置圖；圖中1、傾斜段加熱壁，2 、傾斜段側壁，3、後支撐架，4、扇形件，5、防火布，6、豎直段加熱壁，7、豎直段側壁，8、法蘭槽，9、發煙裝置，10、模型房間，11、可移動壁，12、煙囪進口，13、鋁板，14、熱電偶，15、加熱板，16、聚乙烯泡沫，17、電源，18、滑動變阻器，19、電壓表，20、電流表，21、滑動變阻器II，22、電壓表II，23、電流表II，24、空氣進氣口。
具體實施方式
實驗臺實施方式通過三個具體實施例來說明實施例一模擬傾斜面傾斜角度對太陽能煙囪內部速度場、溫度場和自然通風量的影響。如圖I所示，實驗臺箱體長lm，寬lm，高I. lm，太陽能煙囪由傾斜段和豎直段兩段連接而成，每段煙 由兩塊側壁(傾斜段側壁2和豎直段側壁7)、一塊加熱壁(傾斜段加熱壁I和豎直段加熱壁6)和一塊移動壁面11組成，其中傾斜面高度0. 5m，豎直面高度lm，長度均為Im;煙囪進口 12長度lm，寬度0. lm。兩段煙囪的側壁分別通過一個夾角a (30°、45°和60° )的扇形件4進行連接，兩塊加熱壁用一塊絕熱的防火布5密封連接，移動壁11為一整塊薄鋁板，沿著側壁的法蘭槽8插入，將兩段煙 連在一起。通過改變移動壁的位置來改變煙囪寬度(0. lm、0. 2m和0. 3m)。本實驗臺利用加熱壁上的電熱板(如圖3所示)分別提供豎直加熱壁面所需要的定熱流Q1，傾斜加熱壁面所需的定熱流q2，加熱板的布置如圖4、圖5所示，在電源處添加一個可調自耦變壓器(滑動變阻器18和滑動變阻器II 21)，通過改變電源電壓來改變加熱板熱流密度，電壓和電流的大小通過相應儀表(電壓表19、電流表20、電壓表II 22、電流表II 23)進行測量。本實驗臺通過將熱點偶14粘在鋁板13上來測量加熱壁面的溫度，其測點的布置如圖6、圖7所示，熱點偶的導線沿著側壁面引出，和數據採集儀相連。另外在加熱板的後面在中線上等間距布置三個熱電偶，以用來估計損失的熱量。通道內空間點溫度的測量，是將八個熱電偶安排在一根鐵絲上，這樣一次可同時測量八個點。速度的測量使用熱線風速儀對煙 內對應的位置進行一一測量。根據所需模擬的場景，通過確定移動壁11所處的法蘭槽8的位置，設定好所需煙囪寬度；通過調節變阻器18設定好豎直加熱壁面6的熱流密度；通過調節變阻器21設定好傾斜加熱壁面I的熱流密度。將30°扇形件4安裝入實驗裝置，連接豎直壁與傾斜壁。並相應調節支撐架3，使其緊密連接。將發煙裝置9放置在試驗箱體10正中。將熱電偶13與溫度採集儀器相連接，將風速測量裝置放置在所需測量位置(一般為風道內各狀態點)，最後接通電源17開始對實驗裝置內空氣進行加熱並開始溫度和風速的測量，待風速和溫度達到相對穩定兩分鐘後切斷電源關閉發煙裝置9，待裝置內煙氣完全排出且裝置內工況恢復到初始狀態後，更換扇形件4為45°以及60°，重複上述過程。實施例二 模擬不同寬度對太陽能煙囪內部速度場、溫度場和自然通風量的影響。所用裝置的結構與實施例I中裝置的結構相同。[0047]根據所需模擬的場景，通過調節變阻器18設定好豎直加熱壁面6的熱流密度；通過調節變阻器21設定好傾斜加熱壁面I的熱流密度；通過確定扇形件4的尺寸，設定好傾斜面傾斜尺寸。將移動壁11安裝在法蘭槽8 —號槽口的位置，完成煙囪寬度的設定。將發煙裝置9放置在試驗箱體10正中。將熱電偶13與溫度採集儀器相連接，將風速測量裝置放置在所需測量位置(一般為風道內各狀態點)，最後接通電源17開始對實驗裝置內空氣進行加熱並開始溫度和風速的測量，待風速和溫度達到相對穩定兩分鐘後切斷電源關閉發煙裝置9，待裝置內煙氣完全排出且裝置內工況恢復到初始狀態後，改變移動壁11所處法蘭槽8的位置，重複上述過程，本實驗裝置設有三個槽口，分別對應煙 寬度的
0.lm、0. 2m 和 0. 3m。實施例三模擬不同熱流密度對太陽能煙囪內部速度場、溫度場和自然通風量的 影響。所用裝置的結構與實施例I中裝置的結構相同。根據所需模擬的場景，通過確定扇形件4的尺寸，設定好傾斜面傾斜尺寸；通過確定移動壁11所處的法蘭槽8的位置，設定好所需煙囪寬度。根據所需要測量的熱流密度調節煙囪內電加熱板的連接方法(如圖4、圖5所示)以達到粗略的加熱功率。調節外電路的滑動變阻器18、21的阻值以達到更為精確的加熱功
率設定。將發煙裝置9放置在試驗箱體10正中。將熱電偶13與溫度採集儀器相連接，將風速測量裝置放置在所需測量位置(一般為風道內各狀態點)，最後接通電源17開始對實驗裝置內空氣進行加熱並開始溫度和風速的測量，待風速和溫度達到相對穩定兩分鐘後切斷電源關閉發煙裝置9，待裝置內煙氣完全排出且裝置內工況恢復到初始狀態後，改變煙囪內電加熱板的連接方式或者滑動變阻器18、21的阻值從而改變熱流密度，重複上述過程。
權利要求1.牆壁-屋頂式太陽能煙囪實驗裝置，其特徵在於其包括模型房間(10)和太陽能煙囪，模型房間(10)的一側開口與太陽能煙囪的通道相連，另一側開有空氣進氣口(24)，內置有發煙裝置(9);所述的太陽能煙 由豎直段管段和傾斜段管段構成；所述的豎直段管段由豎直段加熱壁(6)、豎直段側壁(7)、法蘭槽(8)以及可移動壁(11)構成，豎直段加熱壁(6)兩側固接有豎直段側壁(7);兩側豎直段側壁(7)相對面上上設有(3)個法蘭槽⑶，可移動壁(11)插入三個法蘭槽的任意一個，構成無橫斷面的封閉煙 環境；豎直段加熱壁(6)由鋁板(13)、熱電偶(14)、加熱板(15)、聚乙烯泡沫(16)構成:鋁板(13)上附著集熱版板(15)，加熱板(15)上均勻設置有熱電偶(14)，加熱板表面再布置聚乙烯泡沫(16)，聚乙烯泡沫(16)位於煙囪外側；所述的傾斜管段由傾斜段加熱壁(I)、傾斜段側壁(2)、法蘭槽(8)、可移動壁(11)構成；傾斜管段構成方式與組成材料與豎直管段相同，即傾斜段加熱壁(I)兩側固接有傾斜段側壁(2);兩側傾斜段側壁(2)相對面上上設有(3)個法蘭槽(8)，可移動壁(11)插入三個法蘭槽的任意一個，構成無橫斷面的封閉煙 環境；傾斜段加熱壁(I)由鋁板(13)、熱電偶(14)、加熱板(15)、聚乙烯泡沫(16)構成招板(13)上附著集熱 板(15)，加熱板(15)上均勻設置有熱電偶(14)，加熱板表面再布置聚乙烯泡沫(16)，聚乙烯泡沫(16)位於煙囪外側；傾斜段通過後支撐架(3)固定在模型房間(10)上；兩段煙囪的側壁通過的扇形件(4)進行連接，兩塊加熱壁用一塊絕熱的防火布(5)密封連接，通過更換扇形件(4)的角度與調整後支撐架的長度來調節傾斜管段的角度。
2.根據權利要求I所述的牆壁-屋頂式太陽能煙 實驗裝置，其特徵在於所述的模型房間(10)由透明牆壁圍成。
3.根據權利要求I所述的牆壁-屋頂式太陽能煙 實驗裝置，其特徵在於所述的法蘭槽(8)槽口與移動壁(11)厚度相同，安裝完成的傾斜管段與豎直管段的法蘭槽口正好對接。
4.根據權利要求I所述的牆壁-屋頂式太陽能煙 實驗裝置，其特徵在於所述插入豎直段管段和傾斜段管段的可移動壁(11)為一個整體的「L」形；所述的可移動壁(11)從傾斜管段的法蘭槽口插入，可直接插至豎直管段的法蘭槽末端；更換煙 寬度時，將移動壁從原法蘭槽中抽出插入所需法蘭槽。
5.根據權利要求I所述的牆壁-屋頂式太陽能煙囪實驗裝置，其特徵在於所述的扇形件⑷的角度包括30°，45° ,60°。
6.根據權利要求I所述的牆壁-屋頂式太陽能煙 實驗裝置，其特徵在於所述的豎直段熱電偶(14)與電源(17)、滑動變阻器(18)、電壓表(19)、電流表(20)相連，滑動變阻器(18)、電壓表(19)、電流表(20)採用外接的方式接入，置於模型房間(10)外部；與傾斜段熱電偶(14)相連的滑動變阻器II (21)、電壓表II (22)、電流表II (23)也置模型房間(10)外部；通過調整滑動變阻器(18)來調整通過電路中電流的大小，控制熱電偶的發熱量。
專利摘要牆壁-屋頂式太陽能煙囪實驗裝置，涉及太陽能煙囪和自然通風領域。其包括模型房間(10)和太陽能煙囪，模型房間(10)的一側開口與太陽能煙囪的通道相連，另一側開有空氣進氣口(24)，內置有發煙裝置(9)；所述的太陽能煙囪由豎直段管段和傾斜段管段構成；所述的豎直段管段由豎直段加熱壁(6)、豎直段側壁(7)、法蘭槽(8)以及可移動壁(11)構成，豎直段加熱壁(6)兩側固接有豎直段側壁(7)；兩側豎直段側壁(7)相對面上上設有(3)個法蘭槽(8)，可移動壁(11)插入三個法蘭槽的任意一個，構成無橫斷面的封閉煙囪環境。本裝置設置寬度調節裝置來調節太陽能煙囪寬度，從而可模擬不同寬度下太陽能煙囪的通風效果。
文檔編號G01M9/00GK202494554SQ201220089049
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月12日 優先權日2012年3月12日
發明者吳竟熙, 張澤園, 李炎鋒, 王代兵, 王慧琛, 邊江 申請人:北京工業大學