■ 李開(kāi)春 韓剛 馮偉杰 劉朝武

一 引言

熱管真空管型集熱器是繼悶曬式、平板式、真空管式集熱器之后第四代太陽(yáng)能集熱器類型。

如圖1所示，熱管真空管集熱器將全玻璃真空管吸收的太陽(yáng)能熱量傳導(dǎo)給熱管蒸發(fā)段，再利用熱管內(nèi)部真空狀態(tài)下工質(zhì)的蒸發(fā)吸熱和冷凝放熱，將這一熱量傳遞到被加熱流體中。這樣實(shí)現(xiàn)了玻璃管不直接接觸被加熱流體，既解決了全玻璃真空管集熱器由于管內(nèi)儲(chǔ)水而熱容偏大的缺點(diǎn)，又保留了在低溫環(huán)境中散熱少，加熱工質(zhì)溫度高的優(yōu)點(diǎn)。尤其是熱管工質(zhì)一般凝固點(diǎn)低，可保證在氣溫低于0 ℃的環(huán)境中不凍壞。在不能進(jìn)行排空防凍的自然循環(huán)系統(tǒng)中，熱管真空管式集熱器更具明顯優(yōu)勢(shì)。

日出東方太陽(yáng)能股份有限公司2007年設(shè)計(jì)并送檢的R1型熱管真空管集熱器(如圖 2 所示)至今仍保持著歐盟Solar Keymark認(rèn)證性能檢測(cè)的截距效率最高記錄。

圖2 R1集熱器Solar Keymark檢測(cè)時(shí)的實(shí)景照片

二 R1熱管真空管集熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 為R1熱管真空管集熱器分解圖示：R1熱管真空管集熱器采用φ58×1800全玻璃真空集熱管，外管透射比大于0.91，高效選擇性吸收涂層吸收比大于0.94，發(fā)射比小于0.07，內(nèi)管通過(guò)1500mm長(zhǎng)、0.2mm厚的鋁翼與φ24×90-8×1800變徑重力熱管緊密貼合。

所選用的熱管內(nèi)部保持10-3Pa真空度，有效使用年限超過(guò)15年；在40℃溫差條件下，傳熱熱流量可達(dá)200W以上，遠(yuǎn)超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB-T 24767-2009《太陽(yáng)能重力熱管》規(guī)定的120W性能要求。

圖3 熱管真空管集熱器分解圖

聯(lián)箱采用巖棉和聚氨酯雙重保溫，導(dǎo)熱率低于0.03～0.047W/(m·℃)，保溫層厚度達(dá)到40mm。連接管為內(nèi)徑Φ 34mm銅流道，與熱管冷凝端通過(guò)支管連接，中間采用導(dǎo)熱硅脂降低接觸熱阻，換熱采用冷流體順序橫掠冷凝端的設(shè)計(jì)。孔間距78mm，管數(shù)有10、12、14、15、18、20、24、25、28、30等全系列規(guī)格。

三 R1熱管真空管集熱器熱性能分析

經(jīng)過(guò)德國(guó)Fraunhofer ISE太陽(yáng)能檢測(cè)中心檢測(cè)，R1熱管真空管集熱器截距效率達(dá)0.734（相較采光面積計(jì)算）（如圖4所示），有效得熱量15.6kJ/(K·m2)，集熱器管道內(nèi)空曬溫度達(dá)200.3℃。

諸多優(yōu)良性能得益于熱管集熱器在吸熱、傳熱、隔熱方面的逐項(xiàng)強(qiáng)化。

1 吸熱方面

高透射比的硼硅3.3玻璃，雙側(cè)鍍減反增透膜，保證太陽(yáng)光高效攝入R1集熱器系統(tǒng)內(nèi)部；高吸收低發(fā)射的選擇性吸收涂層高效的將光能轉(zhuǎn)化為熱能傳入真空管內(nèi)。

2 傳熱方面

引入熱管這種高效的傳熱元件，熱導(dǎo)率可達(dá)105W/(m·℃)數(shù)量級(jí)，是金、銀等純金屬的千百倍，通過(guò)相變傳熱，將真空管內(nèi)蒸發(fā)段吸收的熱量傳遞到冷凝端。

而在聯(lián)箱側(cè)，獨(dú)特的主流道設(shè)計(jì)，冷流體在有限空間內(nèi)順序橫掠冷凝端，流體在管間的流動(dòng)截面時(shí)大時(shí)小，引起流體交替的加速和減速，管間距的大小影響流體流動(dòng)截面的變化程度和流體加速減速的程度。入口第二支冷凝端處在前排管子尾流渦旋的作用下，對(duì)流換熱系數(shù)得到強(qiáng)化；第三支受前兩支冷凝端尾流的共同作用，擾動(dòng)更為強(qiáng)烈，依次演變至后面的冷凝端。

隨著流道的延長(zhǎng)，繞流強(qiáng)度存在一定衰減，甚至發(fā)生抑制換熱現(xiàn)象，存在一個(gè)最優(yōu)的管間距設(shè)計(jì)值。R1熱管真空管集熱器根據(jù)自身的流道結(jié)構(gòu)和使用條件，立足試驗(yàn)和仿真結(jié)果，選擇78mm的管間距，使得總的強(qiáng)化效果最優(yōu)而又不引起過(guò)大的壓力降損失。

3 隔熱方面

R1熱管真空集熱器深得“保熱墻”理念精髓，全玻璃真空集熱管的中真空夾層極大的抑制了導(dǎo)熱和對(duì)流的作用，使得熱量只能向管內(nèi)傳遞；熱管的熱二極管特性，使得熱量只能從真空管內(nèi)的蒸發(fā)段傳熱向聯(lián)箱內(nèi)的冷凝端傳遞；而聯(lián)箱內(nèi)40mm厚的低熱導(dǎo)率隔熱材料，使得熱量大部分被流體帶著。經(jīng)過(guò)三級(jí)隔熱措施，得以以85%的總效率將光能轉(zhuǎn)化為熱能供生產(chǎn)生活用水。

四 結(jié)論

本文介紹了R1熱管真空管集熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，從吸熱、傳熱、隔熱3個(gè)角度重點(diǎn)分析了R1熱管真空管集熱器的強(qiáng)化技術(shù)，對(duì)集熱器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了借鑒實(shí)例和開(kāi)發(fā)方向。

對(duì)于R1集熱器的結(jié)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)情況，78mm管間距為強(qiáng)化傳熱的最優(yōu)值。