帶內(nèi)插管的太陽能真空管空氣集熱器熱工性能研究

戚貝貝 江清陽

摘 要：該研究提出了一種帶內(nèi)插管的真空管空氣集熱器，利用傳熱理論，對該集熱器的熱工性能進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和模擬分析。模擬結(jié)果顯示：這種空氣集熱器可以根據(jù)需要獲得一定溫度的熱空氣。速度越大，效率就越高，但出口溫度相對較低。因此，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際需要控制空氣流速獲得相應(yīng)溫度的熱介質(zhì)。這些熱介質(zhì)在冬天的時(shí)候可用于建筑采暖，在夏天的時(shí)候可以作為空調(diào)除濕部分的熱源及干燥農(nóng)作物和水果等，大大增強(qiáng)了太陽能真空管空氣集熱器的地區(qū)適應(yīng)性和季節(jié)適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：內(nèi)插管 空氣集熱器 數(shù)值模擬 熱網(wǎng)絡(luò)圖 熱介質(zhì)

中圖分類號(hào)：TK513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（a）-0036-02

The Thermal Performance Study of Solar Vacuum Tube Air Collector with Intubation

Qi Beibei Jiang Qingyang

（Institute of Jiaxing Construction Engineering College，Jiaxing Zhejiang，314001，China）

Abstract：This paper presents a vacuum tube air collector with intubation，using the theoryof heat transfer and using mathematical modeling and simulation analysis to analysis the thermal performance of the collector.The simulation results shows that：the air collector can be according to the need to get a temperature of hot air.The higher the speed，the greater the efficiency，but the exit temperature is relatively low.In practice，therefore，according to actual needs to control the air flow speed to obtain heat medium of corresponding temperature.The heat medium can be used in building heating in the winter，and in the summer it can be used as the heat source of air conditioning dehumidification part and dry crops and fruits and so on.It greatly enhances the solar vacuum tube air collector‘s area and season adaptability.

Key Words：Intubation；Air collector；The numerical simulation；Thermal network diagram；Heat medium

太陽能集熱器主要有平板型太陽能集熱器和真空管太陽能集熱器。平板式太陽能集熱器[1]使用安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但集熱溫度較低，吸熱體和透明蓋板之間存在較多對流散熱。相對而言，真空管太陽能集熱器熱損失系數(shù)小，設(shè)計(jì)安裝方便，許多學(xué)者對太陽能全玻璃真空管集熱器進(jìn)行深入研究[2]。現(xiàn)在真空管太陽能廣泛用來加熱水。但是由于內(nèi)部采用水作為傳熱工質(zhì)，寒冷天氣下使用時(shí)隔熱保溫要求高，否則會(huì)凍壞管道。而真空管空氣太陽能集熱器與以水為工質(zhì)的相比，具有無需冬季防凍、少量泄漏不影響集熱器的運(yùn)行性能、無系統(tǒng)腐蝕的現(xiàn)象。

針對上述太陽能集熱器的缺點(diǎn)，該文提出了一種太陽能真空管的新用途——真空管太陽能空氣集熱器（圖1）。該空氣集熱器可以通過現(xiàn)有普通真空管太陽能集熱器加內(nèi)插管改造而成。帶內(nèi)插的和普通的相比，在冬天的時(shí)候可用于建筑采暖，在夏天的時(shí)候可以作為空調(diào)除濕部分的熱源，還可用于農(nóng)作物和水果干燥、為轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)提供再生熱源等場合，大大增強(qiáng)了其地區(qū)適應(yīng)性和季節(jié)適應(yīng)性。該文利用流動(dòng)傳熱理論，建立真空管太陽能空氣集熱器動(dòng)態(tài)理論模型分析其熱工特性。

1 真空管空氣集熱器數(shù)學(xué)模型

該研究針對單個(gè)帶內(nèi)插管的太陽能真空管進(jìn)行熱工性能分析。太陽輻射能被空氣集熱器收集的能量為Qa，Qa一部分通過對流的方式傳到玻璃管內(nèi)，用來加熱管內(nèi)的空氣，空氣加熱之后的溫度為Tm，Qu是空氣吸收的能量；另一部分通過輻射的方式傳給最外層的玻璃管QL，通過對流的方式將能量傳給大氣中的空氣中。利用熱網(wǎng)絡(luò)圖對太陽能真空管進(jìn)行熱平衡分析，最后通過迭代[3]的方式得到空氣出口溫度（圖2）。

2 模擬條件

模擬所用真空管尺寸為管長1800 mm，

外徑47 mm，內(nèi)徑44 mm，透過率0.9，發(fā)射率0.9。模擬氣象參數(shù)見圖3。

3 模擬結(jié)果分析

利用上述模型對流進(jìn)內(nèi)插管的空氣速度分別為0.2 m/s，0.5 m/s，1 m/s，1.5 m/s時(shí)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖4、圖5。

通過圖4、圖5可以看出，出口溫度和效率存在一定矛盾。速度越大，效率就越高，但出口溫度相對較低。通過效率曲線圖可以看出在管內(nèi)空氣的流速為0.2 m/s時(shí)，空氣能集熱器的效果是不好的；在流速為0.5～1.5 m/s時(shí)效率比較接近，可以從圖上看出流速為1.5 m/s時(shí)效率最高。

4 結(jié)語

該文提出了一種帶內(nèi)插管的真空管太陽能集熱器，并利用傳熱理論對它的熱工性能進(jìn)行了模擬，通過模擬結(jié)果分析可知，這種空氣集熱器可以根據(jù)需要獲得一定溫度的熱空氣。速度越大，效率就越高，但出口溫度相對較低。因此，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際需要控制空氣流速獲得相應(yīng)溫度的熱介質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 丁剛，左然，張旭鵬，等.平板式太陽能空氣集熱器流道改進(jìn)的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬[J].可再生能源，2011（2）：12-15，21.

[2] 班婷，朱明，王海.太陽能集熱器的研制及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（增刊1）：277-281.

[3] 梁仙紅.求非線性方程的迭代方法及其在求解微分方程和積分方程中的應(yīng)用[D].浙江大學(xué)，2002.