无机热管-真空管太阳能热水系统瞬态热分析

，，

(西北工业大学动力与能源学院，陕西 西安 710072)

无机热管-真空管太阳能热水系统瞬态热分析

张立琋，朱春伟，贺锋

(西北工业大学动力与能源学院，陕西 西安 710072)

0 引言

无机热管-真空管太阳能集热器是一种新型真空管集热器，理论分析和试验表明，无机热管比普通热管的传热热阻小约10%[1]，可迅速达到等温传热。由无机热管-真空管制成的太阳能热水系统，可安装在建筑物屋顶或外墙壁面，提供生活热水。

以无机热管-真空管太阳能集热器的实测瞬时效率为基础，通过对集水管内微元体的能量分析，推导出沿集水管长度方向的瞬态水温表达式，并根据该表达式编写程序，计算出不同瞬时条件下，集水管各截面的水温随太阳辐照量、流体流量和流体进口温度的变化关系，用于指导太阳能热水系统的设计，并对集水管中各截面水温进行准确的预测。

1 太阳能热水系统的组成

太阳能热水系统由集热器和集水管组成。集热器一般由多个集热管组成，集热器与集水管的连接结构如图1所示。

单个集热管由双层玻璃真空管、吸热板、无机热管和环形套管等组成，其中吸热板相当于无机热管的翅片；集水管由水管、保温盒和保温材料等组成。

太阳光穿过双层玻璃管，照射到涂有选择性吸热涂层的吸热板和无机热管表面，被转换为热能。热量被无机热管迅速由其热端传至其冷端的环形套管，并通过集水管壁传递给集水管中的水，使水温不断被加热升高。由于无机热管传热速度极快，所以沿热管管长方向基本保持等温。

图1 集热器与集水管的连接结构

2 集水管内的水温

2.1 能量平衡的微分关系

以集水管轴向任一微元段长度Δy为研究对象，忽略无机热管管壁、集水管管壁的导热热阻，视集水管内的工质处于等壁温Th的加热状态。设水在微元管段进口处温度为Tf|y，出口处温度为Tf|y+Δy，则集水管微元段Δy上的能量分布包括：水在微元体进口、出口处携带的能量，以及由集热器传入的能量，如图2所示。

图2 流体流动方向上的能量分布

在微元时间dθ、微元段管长Δy上，进口流体携带的能量与集热器传给流体的能量之和,等于管段内流体内能的增加与出口流体携带出的能量之和，用公式表示为：

(1)

求解上述微分方程，联立瞬时效率的表达式：

(2)

(3)

可得流体出口温度与进口温度的关系为[2]：

(4)

(5)

(6)

(7)

As为集热器的采光面积；I为太阳辐照量；Ti为集水管进口温度；To为集水管出口温度；Ap为吸热板的面积；F′ 为效率因子；(τα)e为有效透射率-吸收率的乘积；UL为总热损失系数；Ac为单个集热管对应的冷凝面积；Ta为环境平均温度。

2.2 集热器瞬时效率表达式

集热器的瞬时效率η表示单位时间内集热器吸收的有用能与入射在其表面上的太阳辐射能之比，用来衡量集热器的性能。

引入热迁移因子FR，根据参考文献[3]，有效利用能可为：

Qu=ApFR[I(τα)e-UL(Ti-Ta)]

(8)

无机热管-真空管太阳能集热器的瞬时效率为：

(9)

2004年4月，国家太阳能热利用设备检测中心对RG-WF-1.60/16型无机热管-全玻璃真空管集热器的瞬时效率进行了实验测定，将实验点进行一次直线拟合，所得瞬时效率为[4]：

(10)

联立式(2)、式(7)和式(8)，可得单个集热管的出口与进口温度之间的关系为：

(11)

当n个集热管连接在同一根集水管上时，每个集热管所对应集水管段的出口温度将是下一个集热管所对应集水管段的进口温度。通过编程计算，求得太阳辐照量I，进而可求得任一瞬时任一集热管段的水温变化。

3 集水管内的水温及其影响因素分析

3.1 辐照量的影响

由于一天中不同时段的太阳辐照量不同，为便于进行比较，在计算集水管中水温随辐照量的变化关系时，假定春分、夏至、秋分和冬至4天集水管进口水温均为20℃，流体质量流量均为0.02 kg/s。以集水管长度为横坐标，管中水温为纵坐标，随时间变化的辐照量为参变量，则集水管中水温随辐照量的变化关系如图3所示。

图3 集水管中水温沿集水管长度的变化

由图3可知，不同的时间段，辐照量不同，温升曲线的斜率不同。中午，辐照量大，温升曲线斜率大，集水管中的水温增加快；反之，辐照量小，集水管中的水温上升慢，甚至在环境温度和辐照量较低时，管内的热量小于热水器的散热损失，使温度呈下降趋势。

3.2 水流量的影响

在考虑集水管中水温随流体质量流量的变化关系时，为便于进行比较，假定春分、夏至、秋分和冬至4天集水管进口水温均为20℃，辐照量均取当天最大值，即各天中午11点至12点的辐照量，集水管中流体的质量流量分别取为0.01kg/s,0.02 kg/s和0.03 kg/s。以集水管长度为横坐标，集水管中水温为纵坐标，流体质量流量为参变量，则集水管中水温随流体质量流量的变化关系如图4所示。

图4 集水管中水温随质量流量的变化

由图4可知，流体质量流量越小，温升曲线斜率越大，表明集水管中水温增加越快，这是因为流体质量流量较小时,单位质量流体得到的热量较高。

3.3 进口温度的影响

考虑集水管中水温随流体进口温度的变化关系时，为进行比较，假定春分、夏至、秋分和冬至4天集水管中流体质量流量均为0.02 kg/s，辐照量均取当天最大值，即每天中午11点至12点的辐照量，集水管进口水温分别取为10℃,20℃和30℃。以集水管长度为横坐标，集水管中水温为纵坐标，流体进口温度为参变量，则集水管中水温随流体进口温度的变化关系如图5所示。

图5 集水管中水温随流体进口温度的变化

由图5可知，在不同进口水温下，沿集水管长度方向水温呈直线上升，各温升曲线近似平行。从理论上来讲，温差越大越易于传热，仔细观察图5发现，温升曲线斜率略有差别，流体进口温度越低，温升曲线斜率越大，表明集水管中水温增加越快，这与理论分析相符。

4 结束语

根据无机热管-真空管集热器瞬时效率的实测表达式，以及集水管微元段瞬态能量平衡关系，导出了集水管中任一时间、任一位置水温的计算表达式，通过计算得出以下结论：

a.辐照量对集水管中的水温影响较大，辐照量大，水温可迅速提高；辐照量较小，水温上升慢，辐照量过小，水温可能逐渐降低。

b.水的质量流量对集水管中的水温影响也较大，通过调节流量，可以便捷地获得满意的出口水温。

c.进口温度对集水管内水温上升曲线斜率的影响较小，但对水温影响较大。进口水温由于受环境条件的限制，不易调节。

上述研究结果，对于改进无机热管-真空管太阳能热水系统的设计，预测集水管的瞬时加热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，蒋富林，葛洪川，等.热管式真空管集热器的热性能研究[J].太阳学学报，1994,15(1)：73-82.

[3] 张鹤飞.太阳能热利用原理与计算机模拟.2版[M].西安：西北工业大学出版社，2004.

[4] 张小粉，张立琋，张鹤飞.超导热管式全玻璃真空管集热器的热性能分析[J].机械设计与制造，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)

以无机热管-真空管太阳能集热器制成的太阳能热水系统为研究对象，在瞬态传热分析的基础上，推导出了总热损失系数、效率因子、热迁移因子和瞬时效率的理论表达式。通过自编程序，对该热水器在4个典型节气中每天的瞬态热参数变化，以及影响集水管内水温变化的因素进行了计算和分析。结果表明，太阳辐照量和水的质量流量对集水管中的水温影响较大，进水温度对集水管内水温上升曲线斜率的影响较小，但对水温影响较大。研究结果有助于指导该类热水器的设计及其操作性能的预测。

太阳能集热器；无机热管;瞬时效率；水温

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

张立琋(1963-)，女，陕西西安人，博士，副教授，研究方向为太阳能热利用、海水淡化。