無機熱管-真空管太陽能熱水系統瞬態熱分析

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(西北工業大學動力與能源學院，陜西 西安 710072)

無機熱管-真空管太陽能熱水系統瞬態熱分析

張立琋，朱春偉，賀鋒

(西北工業大學動力與能源學院，陜西 西安 710072)

0 引言

無機熱管-真空管太陽能集熱器是一種新型真空管集熱器，理論分析和試驗表明，無機熱管比普通熱管的傳熱熱阻小約10%[1]，可迅速達到等溫傳熱。由無機熱管-真空管制成的太陽能熱水系統，可安裝在建筑物屋頂或外墻壁面，提供生活熱水。

以無機熱管-真空管太陽能集熱器的實測瞬時效率為基礎，通過對集水管內微元體的能量分析，推導出沿集水管長度方向的瞬態水溫表達式，并根據該表達式編寫程序，計算出不同瞬時條件下，集水管各截面的水溫隨太陽輻照量、流體流量和流體進口溫度的變化關系，用于指導太陽能熱水系統的設計，并對集水管中各截面水溫進行準確的預測。

1 太陽能熱水系統的組成

太陽能熱水系統由集熱器和集水管組成。集熱器一般由多個集熱管組成，集熱器與集水管的連接結構如圖1所示。

單個集熱管由雙層玻璃真空管、吸熱板、無機熱管和環形套管等組成，其中吸熱板相當于無機熱管的翅片；集水管由水管、保溫盒和保溫材料等組成。

太陽光穿過雙層玻璃管，照射到涂有選擇性吸熱涂層的吸熱板和無機熱管表面，被轉換為熱能。熱量被無機熱管迅速由其熱端傳至其冷端的環形套管，并通過集水管壁傳遞給集水管中的水，使水溫不斷被加熱升高。由于無機熱管傳熱速度極快，所以沿熱管管長方向基本保持等溫。

圖1 集熱器與集水管的連接結構

2 集水管內的水溫

2.1 能量平衡的微分關系

以集水管軸向任一微元段長度Δy為研究對象，忽略無機熱管管壁、集水管管壁的導熱熱阻，視集水管內的工質處于等壁溫Th的加熱狀態。設水在微元管段進口處溫度為Tf|y，出口處溫度為Tf|y+Δy，則集水管微元段Δy上的能量分布包括：水在微元體進口、出口處攜帶的能量，以及由集熱器傳入的能量，如圖2所示。

圖2 流體流動方向上的能量分布

在微元時間dθ、微元段管長Δy上，進口流體攜帶的能量與集熱器傳給流體的能量之和,等于管段內流體內能的增加與出口流體攜帶出的能量之和，用公式表示為：

(1)

求解上述微分方程，聯立瞬時效率的表達式：

(2)

(3)

可得流體出口溫度與進口溫度的關系為[2]：

(4)

(5)

(6)

(7)

As為集熱器的采光面積；I為太陽輻照量；Ti為集水管進口溫度；To為集水管出口溫度；Ap為吸熱板的面積；F′ 為效率因子；(τα)e為有效透射率-吸收率的乘積；UL為總熱損失系數；Ac為單個集熱管對應的冷凝面積；Ta為環境平均溫度。

2.2 集熱器瞬時效率表達式

集熱器的瞬時效率η表示單位時間內集熱器吸收的有用能與入射在其表面上的太陽輻射能之比，用來衡量集熱器的性能。

引入熱遷移因子FR，根據參考文獻[3]，有效利用能可為：

Qu=ApFR[I(τα)e-UL(Ti-Ta)]

(8)

無機熱管-真空管太陽能集熱器的瞬時效率為：

(9)

2004年4月，國家太陽能熱利用設備檢測中心對RG-WF-1.60/16型無機熱管-全玻璃真空管集熱器的瞬時效率進行了實驗測定，將實驗點進行一次直線擬合，所得瞬時效率為[4]：

(10)

聯立式(2)、式(7)和式(8)，可得單個集熱管的出口與進口溫度之間的關系為：

(11)

當n個集熱管連接在同一根集水管上時，每個集熱管所對應集水管段的出口溫度將是下一個集熱管所對應集水管段的進口溫度。通過編程計算，求得太陽輻照量I，進而可求得任一瞬時任一集熱管段的水溫變化。

3 集水管內的水溫及其影響因素分析

3.1 輻照量的影響

由于一天中不同時段的太陽輻照量不同，為便于進行比較，在計算集水管中水溫隨輻照量的變化關系時，假定春分、夏至、秋分和冬至4天集水管進口水溫均為20℃，流體質量流量均為0.02 kg/s。以集水管長度為橫坐標，管中水溫為縱坐標，隨時間變化的輻照量為參變量，則集水管中水溫隨輻照量的變化關系如圖3所示。

圖3 集水管中水溫沿集水管長度的變化

由圖3可知，不同的時間段，輻照量不同，溫升曲線的斜率不同。中午，輻照量大，溫升曲線斜率大，集水管中的水溫增加快；反之，輻照量小，集水管中的水溫上升慢，甚至在環境溫度和輻照量較低時，管內的熱量小于熱水器的散熱損失，使溫度呈下降趨勢。

3.2 水流量的影響

在考慮集水管中水溫隨流體質量流量的變化關系時，為便于進行比較，假定春分、夏至、秋分和冬至4天集水管進口水溫均為20℃，輻照量均取當天最大值，即各天中午11點至12點的輻照量，集水管中流體的質量流量分別取為0.01kg/s,0.02 kg/s和0.03 kg/s。以集水管長度為橫坐標，集水管中水溫為縱坐標，流體質量流量為參變量，則集水管中水溫隨流體質量流量的變化關系如圖4所示。

圖4 集水管中水溫隨質量流量的變化

由圖4可知，流體質量流量越小，溫升曲線斜率越大，表明集水管中水溫增加越快，這是因為流體質量流量較小時,單位質量流體得到的熱量較高。

3.3 進口溫度的影響

考慮集水管中水溫隨流體進口溫度的變化關系時，為進行比較，假定春分、夏至、秋分和冬至4天集水管中流體質量流量均為0.02 kg/s，輻照量均取當天最大值，即每天中午11點至12點的輻照量，集水管進口水溫分別取為10℃,20℃和30℃。以集水管長度為橫坐標，集水管中水溫為縱坐標，流體進口溫度為參變量，則集水管中水溫隨流體進口溫度的變化關系如圖5所示。

圖5 集水管中水溫隨流體進口溫度的變化

由圖5可知，在不同進口水溫下，沿集水管長度方向水溫呈直線上升，各溫升曲線近似平行。從理論上來講，溫差越大越易于傳熱，仔細觀察圖5發現，溫升曲線斜率略有差別，流體進口溫度越低，溫升曲線斜率越大，表明集水管中水溫增加越快，這與理論分析相符。

4 結束語

根據無機熱管-真空管集熱器瞬時效率的實測表達式，以及集水管微元段瞬態能量平衡關系，導出了集水管中任一時間、任一位置水溫的計算表達式，通過計算得出以下結論：

a.輻照量對集水管中的水溫影響較大，輻照量大，水溫可迅速提高；輻照量較小，水溫上升慢，輻照量過小，水溫可能逐漸降低。

b.水的質量流量對集水管中的水溫影響也較大，通過調節流量，可以便捷地獲得滿意的出口水溫。

c.進口溫度對集水管內水溫上升曲線斜率的影響較小，但對水溫影響較大。進口水溫由于受環境條件的限制，不易調節。

上述研究結果，對于改進無機熱管-真空管太陽能熱水系統的設計，預測集水管的瞬時加熱性能提供了有效的方法。

[1] Zhang Lixi,Gao Penghui,Zhang Hefei.A process of low temperature distilling desalination unit using inorganic heat pipes[C].International Multi-conference of Engineers and Computer Scientists,2008.1703-1705.

[2] 何梓年，蔣富林，葛洪川，等.熱管式真空管集熱器的熱性能研究[J].太陽學學報，1994,15(1)：73-82.

[3] 張鶴飛.太陽能熱利用原理與計算機模擬.2版[M].西安：西北工業大學出版社，2004.

[4] 張小粉，張立琋，張鶴飛.超導熱管式全玻璃真空管集熱器的熱性能分析[J].機械設計與制造，2007，(10):122-124.

Transient Thermal Analysis of Inorganic Heat Pipes-vacuum Tube Solar Water Heating System

ZHANGLi-xi，ZHUChun-wei，HEFeng

(School of Engine and Energy,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

以無機熱管-真空管太陽能集熱器制成的太陽能熱水系統為研究對象，在瞬態傳熱分析的基礎上，推導出了總熱損失系數、效率因子、熱遷移因子和瞬時效率的理論表達式。通過自編程序，對該熱水器在4個典型節氣中每天的瞬態熱參數變化，以及影響集水管內水溫變化的因素進行了計算和分析。結果表明，太陽輻照量和水的質量流量對集水管中的水溫影響較大，進水溫度對集水管內水溫上升曲線斜率的影響較小，但對水溫影響較大。研究結果有助于指導該類熱水器的設計及其操作性能的預測。

太陽能集熱器；無機熱管;瞬時效率；水溫

Inorganic heat pipe vacuum tube solar collector is a new collector.In this paper,the collector solar water heating system was studied.Basing on the analysis of heat transfer,the heat transfer mechanism of the all-glass vacuum tube solar collector with inorganic heat pipes as heat transfer tubes is studied in the paper,and the expression of total heat loss coefficient,efficiency factor,heat transfer factor,instantaneous efficiency were concluded.The amount of solar radiation in a typical day was calculated by a program,and different factors impacted water temperature in the pipe is analyzed.The results showed that the amount of solar radiation and water mass flow rate have greater impact on water temperature,the inlet water temperature has little effect on the rising slope of the water temperature of which in collector pipes,while it has greater impact on the water temperature.The results will help guide the design and predict the operation performance of such heaters.

solar collector；inorganic heat pipe；instantaneous efficiency；water temperature

2013-12-05

TK515

A

1001-2257(2014)04-0027-04

張立琋(1963-)，女，陜西西安人，博士，副教授，研究方向為太陽能熱利用、海水淡化。