新型U型管式真空管太陽能集熱器研究

童逸杰

(杭州職業技術學院 友嘉機電學院， 浙江 杭州 310018)

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新型U型管式真空管太陽能集熱器研究

童逸杰

(杭州職業技術學院 友嘉機電學院， 浙江 杭州 310018)

摘要：設計了一種新型U型管式真空管太陽能集熱器(NEUSC)，與傳統的U型管式真空管太陽能集熱器不同的是，該新型集熱器(NEUSC)U型管被銅翅片包圍，從而達到使其U型管完全處于恒定熱流之下。通過計算機理論仿真模擬及實驗數據結合的方法對NESCU在不同環境溫度與不同天氣晴朗度條件下做了詳細的分析和研究，并對其環境影響和作用進行了深度分析。對該新型集熱器(NEUSC)與傳統類型的U型管式真空管太陽能集熱器做了性能對比，結果表明：該新型集熱器(NEUSC)能夠充分收集利用太陽輻射能并為太陽能系統所用，在低耗費的情況下能提供更高的工作效率，并且能夠減少環境污染。

關鍵詞：太陽能集熱器；熱傳遞；U型管

1引言

太陽能集熱器是一種吸收太陽輻射能量并向其內部工質傳遞熱量的裝置，它是一種特殊的熱交換器。在過去的20多年中，由于現存資源的逐漸短缺，特別是我國在2010年資源短缺已經達到了8 %，在2050年將會增長到24 %, 世界上關于新再生能源的研究已經達到了一個空前的高度，對于新能源的需求也是越來越迫切。太陽能作為取之不盡的新能源可謂首當其沖，因此關于太陽能利用的研究報告也是層出不窮并取得了不菲的成果。 U型管式真空管太陽能集熱器是由銅管、吸熱體、玻璃管和金屬端蓋關零部件組成。在經過循環管道，保溫水箱以后，便可以利用太陽輻射發熱，使水溫升高。

近年來學者們提出了眾多關于太陽輻射能量的理論與結果。筆者將結合自己的方法與前輩們的結論去評估NEUSC的效率，常規的U型管式真空管太陽能集熱器的U型管只有一小部分處于恒定熱流之下， 而NEUSC使整個U型管都接受穩定熱流，對此在本文中將做比較分析并且給出一個更為直觀的結論。

研究表明[1,2]，在發達國家與發展中國家，利用太陽能來加熱水生活用水的技術都是一個非常簡單也是經濟的選擇。目前，真空玻璃管已經成為了太陽能集熱器里一個核心部分，Georgiev[3]證實了真空玻璃管具有十分低的熱損失因此常常被用于住宅設備當中,比如太陽能熱水器等等。Tian[4]利用能量守恒理論進行了分析,同時建立了U型管式全玻璃真空管太陽能集熱器熱效率方程, 并且利用實驗與理論數據比較發現結果吻合程度良好。文中還指出涂層的發射比對集熱器的熱效率影響較大,降低涂層發射比是提高集熱器效率的有效途徑;采取適當的措施降低吸熱管與肋片間的接觸熱阻后,采用U型管連接方式不會對熱利用系統集熱器效率造成太大影響。

Tong[5]對于U型管式全玻璃真空管太陽能集熱器中的工作介質的熱傳導性與努賽爾數做出了深入的研究，結合集熱器的表現，得出利用納米液體作為工作介質可以更好的提升集熱器的熱效率，從而達到更好的經濟效應。

2仿真模擬計算

2.1新型U型管式真空管太陽能集熱器的仿真計算

在本文中采用一維分析方式來分析單獨的一根真空管，它是由雙層玻璃真空管和一個吸熱管組成，吸熱管與雙層玻璃中間部分是真空，在吸熱管內部楔入了銅制的肋片。玻璃管的長度為1200 mm，外徑與內徑分別為47 mm與37 mm。U型管被安裝在環形銅管之內，整個真空玻璃管的結構圖如圖1所示。

圖1　U型管截面

為了方便模擬計算同時也不會對結果產生影響，本文中采取了一些假設：真空管內部空氣對流和傳導熱損失忽略不計；系統一直處于熱平衡狀態；真空管玻璃與周圍環境傳熱系數為恒定值；包圍U型管的銅圈上熱能分布均勻；每個傳熱過程都被認為是穩定的。

根據能量守恒定律可以推導出，太陽能集熱器的有用能應該等于被集熱器吸收的太陽輻射減去和周圍環境進行熱傳遞損失的能量，如下式所示,

Qu=G-QL

(1)

式中，G是被集熱器選擇性涂層吸收的太陽輻射，Qu是可被利用的能量，QL為與外界熱交換的損失。集熱器總的熱損系數如式二所示為真空管熱損系數與集熱管熱損系數之和。

UL=Ua+Ue

(2)

真空管熱損失Ua則是從集熱管與周圍環境之間的熱損失，可由式3來計算，

(3)

式中hga為玻璃管與周圍環境的熱傳導系數，可參考Tian[4]的研究報告取12.7W/(m2K)，hpg是由吸熱管與罩管玻璃管之間熱傳導系數hpgc和吸熱管與玻璃管之間熱輻射系數hpgr相加而成，根據先前的學者研究結果[4]可得hpgr為0.2796W/(m2K)，hpgc是關于吸熱管表面溫度和外層玻璃管的溫度的函數，用公式(4)可求得，

(4)

式中σ 是波爾茲曼常數，εp是吸收管吸收表面的發射比，εg是外層玻璃管內表面的發射比，dg是玻璃管的直徑。

為了便于分析，U型管和吸熱管之間做如下幾個假設 ： ①吸熱管厚度梯度上的溫度梯度忽略不計; ②吸熱管與曲面肋板平行，故可以作為平板來分析; ③吸熱管沿流向上的溫度梯度忽略不計。

在此假設上，在肋片上取單位長度為1,寬度為Δx的微元體，微元體在肋片上的的熱能平衡如圖2所示，平衡方程如公式5所示。

圖2　肋片上熱平衡分析

(5)

其中，由于在銅肋片和吸熱管之間存在空氣間隙， 有效能Qu可以通過公式6計算，

(6)

δab和 δg分別是吸熱管和空氣間隙的厚度，kab和kg分別是吸熱管和空氣間隙的導熱系數，結合邊界條件可以求得溫度場的公式(7)。

(7)

集熱器每單位長度所獲得的熱量等于U型管兩側所收集的能量和玻璃管獲得能量之和，它同時等于工作液體所吸收的能量:

(8)

公式(8)中，kc為新型集熱器包圍U型管的銅肋片的導熱系數，熱阻由于非常小因此可以忽略不計，結合以上方程最后可以推導出有用能的公式如公式(9)所示，其中，F’ 為集熱器效率因子，huf是U型管內工作液體與U型管的傳熱系數。

qu=WF′(G-UL(Tf-Ta))

(9)

(10)

(11)

hw為U型管中工作介質的傳熱系數，kw為工作介質的導熱系數，由于新型U型管式真空管集熱器中，U型管可以被假設完全在恒定熱流之下，因此可以運用Shah的公式確定努塞爾特數，

Nu=

(12)

(13)

2.2集熱器效率計算

對于整個集熱器，U型管中的工作介質所吸收的熱能可以用公式14來表示，集熱器的工作效率則可利用公式15來計算，

(14)

(15)

3模擬仿真結果與實驗結果分析

3.1仿真結果與實驗結果對比分析

圖3顯示了實驗數據與仿真數據的一個比較，由此可以輕易的發現實驗數據和仿真數據有著良好的一致性，誤差僅僅約2.8 % ，尤其當歸一化溫度低的時候誤差更小，由實驗數據得出的結論可得出擬合曲線Y=-215.5X + 58.5, 確定系數R-square高達 0.92. 造成實驗數據與仿真數據有偏差的原因為在仿真計算中，導熱系數都被認為為常數，但是實際中它會隨著溫度的升高而升高，另外，在仿真計算中做的一些假設也會影響到最后與實驗結果的比較。

圖3　仿真結果與實驗結果對比分析

3.2集熱器效率與太陽輻照度和環境溫度的關系分析

圖4明確地給出了太陽能集熱器的效率和環境溫度以及太陽輻照度之間的關系，此種情況下集熱器工作流體的質量流量為0.01kg/s，由圖4可見，在集熱器入口溫度。

圖4　環境溫度與太陽輻射對集熱器效率的影響

控制在313K的時候，太陽能集熱器的效率與環境溫度呈先遞增再減小的趨勢。同時，集熱器的效率也會隨著太陽輻照度的增大而增大，在太陽輻照度低于300W/m2的時候，集熱器效率增長迅速，然后隨著輻射的增大，增速逐漸變緩，最后趨于穩定。此現象是由于在低太陽輻照度時，熱流非常低會導致U型管與工作液體之間相對較低的傳熱速度。

3.3新型U型管式真空管集熱器與傳統U型管式真空管集熱器的比較分析

如圖5所示，將老式(傳統型)U型管式真空管集熱器與新型U型管式真空管集熱器在相同的操控條件下做一個比較，環境溫度都為283 K，集熱器的工作流體質量流量為0.01 kg/s，集熱器入口溫度為313 K。由結果可見新型集熱器表現明顯優與老式集熱器，尤其在太陽輻照度小于400 W/m2時尤為明顯。比較下，新型集熱器效率平均提升大約為3.7 %。

圖5　新舊式太陽能集熱器效率對比

4結語

新型U型管式真空管集熱器的工作效率與太陽輻照度成正比，但是也會隨著集熱器入口工作流體溫度與環境溫度之差增加而減小，新型U型管式真空管集熱器相比較于老式U型管式真空管集熱器工作效率上提升了大約4 %，尤其在太陽輻照度比較弱的情況下尤為明顯，可以達到8 %以上，對于陽光不充足的天氣或者地區意義更為重要，利用該集熱器能夠有效地減少二氧化碳與二氧化硫的排放，起到保護環境的作用。

參考文獻：

[1]Liu L, Wang Z, Zhang H, et al. Solar energy development in China- a review[J]. Renew Sust Energy Rev, 2010(14):301～311.

[2]Badran AA, Yousef IA, Joudeh NK, Hamad RA, Halawa H, Hassouneh HK, Portable solar cooker and water heater[J]. Energy Conversion and Management, 2010(61):1605～1609.

[3]Georgiev A, Simulation and experimental results of a vacuum solar collector system with storage[J]. Energy Conversion and Management, 2005(46):1423～1442.

[4]Tian Q. Thermal performance of the U-type evacuated glass tubular solar collector[J]. Building Energy & Environment, 2007, 26(3):51.

[5]YJ Tong, JH K, HH C. Effects of thermal performance of enclosed-type evacuated U-tube solar collector with multi-walled carbon nanotube/water nanofluid[J]. Renewable energy, 2015(83):463～473.

收稿日期：2016-04-25

基金項目：杭州職業技術學院校級科研項目(編號:ky201604)

作者簡介：童逸杰(1989—)，男，碩士，主要從事新再生能源方面的教學與研究工作。

中圖分類號：TK513

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944(2016)12-0212-03