带内插管的太阳能真空管空气集热器热工性能研究

戚贝贝 江清阳

摘 要：该研究提出了一种带内插管的真空管空气集热器，利用传热理论，对该集热器的热工性能进行数学建模和模拟分析。模拟结果显示：这种空气集热器可以根据需要获得一定温度的热空气。速度越大，效率就越高，但出口温度相对较低。因此，在实际应用中可根据实际需要控制空气流速获得相应温度的热介质。这些热介质在冬天的时候可用于建筑采暖，在夏天的时候可以作为空调除湿部分的热源及干燥农作物和水果等，大大增强了太阳能真空管空气集热器的地区适应性和季节适应性。

关键词：内插管 空气集热器 数值模拟 热网络图 热介质

中图分类号：TK513 文献标识码：A 文章编号：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

太阳能集热器主要有平板型太阳能集热器和真空管太阳能集热器。平板式太阳能集热器[1]使用安全可靠、结构简单、成本较低，但集热温度较低，吸热体和透明盖板之间存在较多对流散热。相对而言，真空管太阳能集热器热损失系数小，设计安装方便，许多学者对太阳能全玻璃真空管集热器进行深入研究[2]。现在真空管太阳能广泛用来加热水。但是由于内部采用水作为传热工质，寒冷天气下使用时隔热保温要求高，否则会冻坏管道。而真空管空气太阳能集热器与以水为工质的相比，具有无需冬季防冻、少量泄漏不影响集热器的运行性能、无系统腐蚀的现象。

针对上述太阳能集热器的缺点，该文提出了一种太阳能真空管的新用途——真空管太阳能空气集热器（图1）。该空气集热器可以通过现有普通真空管太阳能集热器加内插管改造而成。带内插的和普通的相比，在冬天的时候可用于建筑采暖，在夏天的时候可以作为空调除湿部分的热源，还可用于农作物和水果干燥、为转轮除湿系统提供再生热源等场合，大大增强了其地区适应性和季节适应性。该文利用流动传热理论，建立真空管太阳能空气集热器动态理论模型分析其热工特性。

1 真空管空气集热器数学模型

该研究针对单个带内插管的太阳能真空管进行热工性能分析。太阳辐射能被空气集热器收集的能量为Qa，Qa一部分通过对流的方式传到玻璃管内，用来加热管内的空气，空气加热之后的温度为Tm，Qu是空气吸收的能量；另一部分通过辐射的方式传给最外层的玻璃管QL，通过对流的方式将能量传给大气中的空气中。利用热网络图对太阳能真空管进行热平衡分析，最后通过迭代[3]的方式得到空气出口温度（图2）。

2 模拟条件

模拟所用真空管尺寸为管长1800 mm，

外径47 mm，内径44 mm，透过率0.9，发射率0.9。模拟气象参数见图3。

3 模拟结果分析

利用上述模型对流进内插管的空气速度分别为0.2 m/s，0.5 m/s，1 m/s，1.5 m/s时进行模拟，模拟结果如图4、图5。

通过图4、图5可以看出，出口温度和效率存在一定矛盾。速度越大，效率就越高，但出口温度相对较低。通过效率曲线图可以看出在管内空气的流速为0.2 m/s时，空气能集热器的效果是不好的；在流速为0.5～1.5 m/s时效率比较接近，可以从图上看出流速为1.5 m/s时效率最高。

4 结语

该文提出了一种带内插管的真空管太阳能集热器，并利用传热理论对它的热工性能进行了模拟，通过模拟结果分析可知，这种空气集热器可以根据需要获得一定温度的热空气。速度越大，效率就越高，但出口温度相对较低。因此，在实际应用中可根据实际需要控制空气流速获得相应温度的热介质。

参考文献

[1] 丁刚，左然，张旭鹏，等.平板式太阳能空气集热器流道改进的试验研究和数值模拟[J].可再生能源，2011（2）：12-15，21.

[2] 班婷，朱明，王海.太阳能集热器的研制及结构优化[J].农业工程学报，2011，27（增刊1）：277-281.

[3] 梁仙红.求非线性方程的迭代方法及其在求解微分方程和积分方程中的应用[D].浙江大学，2002.