基于环路热管的太阳能热水器模拟研究

朱亚萍 李伟杰（郑州大学化工与能源学院， 河南 郑州 450001）



基于环路热管的太阳能热水器模拟研究

朱亚萍 李伟杰（郑州大学化工与能源学院， 河南 郑州 450001）

摘要：为满足伴随着城市建筑的高楼化所带来的新型太阳能热水器的需求，本文提出了一种新型的分离型太阳能热水器。利用环路热管技术来达到远距离稳定导热的目的，使用Matlab/Simulink模拟软件对系统进行建模，对系统的启动特性进行了研究。结果表明：环路热管可以满足太阳能热水器需求，能在两个小时内完成启动。

关键词：环路热管；太阳能；动态仿真；启动特性

太阳能热水系统是利用太阳能的最简单最有效的方式，可以有效地将太阳能转换为热能［1］。

伴随着城市建筑的高楼化，传统的太阳能热水系统已经不能满足现代化城市的建筑需求，一种新型的分离型太阳能热水系统亟待研究。

分离型太阳能热水系统的关键就在于远距离稳定的导热，其导热技术的性能决定了太阳能热水系统的性能表现［2］。环路热管（Loop Heat Pipe，以下简称LHP）是一种存在相变的高效传热装置，它以蒸发器内的毛细芯表面弯月面产生的毛细力为动力，利用工质的相变来实现热量的传递，因此能够实现远距离导热［3，4］。

本文对环路热管在分离型太阳能热水系统中的应用进行了研究。

1 模拟研究

（1）模拟方法 对基于环路热管的分离型太阳能热水系统进行了热力学分析，建立了热水系统的数学模型。

采用Matlab/Simulink模拟软件进行模拟研究。Simulink 是MATLAB最重要的组件之一，它能够提供一个集成环境，在这个集成环境里可以进行动态系统建模、仿真和综合分析。

（2）模型建立 基于环路热管的分离型太阳能热水系统主要由四个部分组成：蒸发器，气体管道，冷凝器，液体管道。其示意图如图1所示。

图1 基于环路热管太阳能热水系统示意图

根据系统的热力学分析所建立的Simulink模型原理图如图2所示。

图2 模型原理示意图

（3）边界条件设置 模拟过程中所使用的各类参数需要提前进行计算，然后在Matlab主界面进行输入，将其值赋到Matlab的工作空间内，从而便于模拟过程中对所需要参数值的调用和计算。

2 结果与分析

模拟所得的基于环路热管的太阳能热水系统在加热功率50W时的启动特性如图3所示。

图3 50W时新系统启动特性

由图中可以看出，系统在开始加热之后，加热板温度立即开始上升，且保持稳定的上升速度。

因为加热功率是恒定的，所以，加热温度的上升速度没有发生改变。

冷凝器的温度在4500s之前一直保持为室温，因为加热温度还没有达到内部工质的相变温度，所以系统内部还没有产生工质的流动，冷凝器温度没有改变；在4500s时，加热温度达到产生相变的条件，系统开始产生蒸汽，在压力推动下向冷凝器流动，所以造成冷凝器温度突然上升；冷凝器的温度在稳定时略低于加热温度，主要原因是气体管路内存在一定流动损失，消耗了蒸汽内能，造成温度下降。

3 结语

本文对基于环路热管的分离式太阳能热水系统进行了模拟研究，使用Matlab/Simulink模拟软件建立了系统的数学模型，结果表明，环路热管可以满足太阳能热水系统需求，启动迅速。

参考文献：

［1］S.Sadhishkumar Sup A Sup Sup S I A C， Sup T B S B. Performance improvement in solar water heating systems—A review［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2014：191-198.

［2］张洁，李勇，王如竹，等.分离式热管型太阳能热水器运行性能的理论分析［C］//中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文集.2006：1813-1818.

［3］王野，纪献兵，郑晓欢，等.多尺度复合毛细芯环路热管的传热特性［J］.化工学报，2015，（6）：2055-2061.

［4］向艳超，侯增祺，张加迅，等.环路热管技术（LHP）的发展现状［J］.工程热物理学报，2004，25（4）：682-684.