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(西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西 西安 710072)

無機(jī)熱管-真空管太陽能熱水系統(tǒng)瞬態(tài)熱分析

張立琋，朱春偉，賀鋒

(西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西 西安 710072)

0 引言

無機(jī)熱管-真空管太陽能集熱器是一種新型真空管集熱器，理論分析和試驗(yàn)表明，無機(jī)熱管比普通熱管的傳熱熱阻小約10%[1]，可迅速達(dá)到等溫傳熱。由無機(jī)熱管-真空管制成的太陽能熱水系統(tǒng)，可安裝在建筑物屋頂或外墻壁面，提供生活熱水。

以無機(jī)熱管-真空管太陽能集熱器的實(shí)測瞬時(shí)效率為基礎(chǔ)，通過對(duì)集水管內(nèi)微元體的能量分析，推導(dǎo)出沿集水管長度方向的瞬態(tài)水溫表達(dá)式，并根據(jù)該表達(dá)式編寫程序，計(jì)算出不同瞬時(shí)條件下，集水管各截面的水溫隨太陽輻照量、流體流量和流體進(jìn)口溫度的變化關(guān)系，用于指導(dǎo)太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)集水管中各截面水溫進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測。

1 太陽能熱水系統(tǒng)的組成

太陽能熱水系統(tǒng)由集熱器和集水管組成。集熱器一般由多個(gè)集熱管組成，集熱器與集水管的連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

單個(gè)集熱管由雙層玻璃真空管、吸熱板、無機(jī)熱管和環(huán)形套管等組成，其中吸熱板相當(dāng)于無機(jī)熱管的翅片；集水管由水管、保溫盒和保溫材料等組成。

太陽光穿過雙層玻璃管，照射到涂有選擇性吸熱涂層的吸熱板和無機(jī)熱管表面，被轉(zhuǎn)換為熱能。熱量被無機(jī)熱管迅速由其熱端傳至其冷端的環(huán)形套管，并通過集水管壁傳遞給集水管中的水，使水溫不斷被加熱升高。由于無機(jī)熱管傳熱速度極快，所以沿?zé)峁芄荛L方向基本保持等溫。

圖1 集熱器與集水管的連接結(jié)構(gòu)

2 集水管內(nèi)的水溫

2.1 能量平衡的微分關(guān)系

以集水管軸向任一微元段長度Δy為研究對(duì)象，忽略無機(jī)熱管管壁、集水管管壁的導(dǎo)熱熱阻，視集水管內(nèi)的工質(zhì)處于等壁溫Th的加熱狀態(tài)。設(shè)水在微元管段進(jìn)口處溫度為Tf|y，出口處溫度為Tf|y+Δy，則集水管微元段Δy上的能量分布包括：水在微元體進(jìn)口、出口處攜帶的能量，以及由集熱器傳入的能量，如圖2所示。

圖2 流體流動(dòng)方向上的能量分布

在微元時(shí)間dθ、微元段管長Δy上，進(jìn)口流體攜帶的能量與集熱器傳給流體的能量之和,等于管段內(nèi)流體內(nèi)能的增加與出口流體攜帶出的能量之和，用公式表示為：

(1)

求解上述微分方程，聯(lián)立瞬時(shí)效率的表達(dá)式：

(2)

(3)

可得流體出口溫度與進(jìn)口溫度的關(guān)系為[2]：

(4)

(5)

(6)

(7)

As為集熱器的采光面積；I為太陽輻照量；Ti為集水管進(jìn)口溫度；To為集水管出口溫度；Ap為吸熱板的面積；F′ 為效率因子；(τα)e為有效透射率-吸收率的乘積；UL為總熱損失系數(shù)；Ac為單個(gè)集熱管對(duì)應(yīng)的冷凝面積；Ta為環(huán)境平均溫度。

2.2 集熱器瞬時(shí)效率表達(dá)式

集熱器的瞬時(shí)效率η表示單位時(shí)間內(nèi)集熱器吸收的有用能與入射在其表面上的太陽輻射能之比，用來衡量集熱器的性能。

引入熱遷移因子FR，根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]，有效利用能可為：

Qu=ApFR[I(τα)e-UL(Ti-Ta)]

(8)

無機(jī)熱管-真空管太陽能集熱器的瞬時(shí)效率為：

(9)

2004年4月，國家太陽能熱利用設(shè)備檢測中心對(duì)RG-WF-1.60/16型無機(jī)熱管-全玻璃真空管集熱器的瞬時(shí)效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測定，將實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行一次直線擬合，所得瞬時(shí)效率為[4]：

(10)

聯(lián)立式(2)、式(7)和式(8)，可得單個(gè)集熱管的出口與進(jìn)口溫度之間的關(guān)系為：

(11)

當(dāng)n個(gè)集熱管連接在同一根集水管上時(shí)，每個(gè)集熱管所對(duì)應(yīng)集水管段的出口溫度將是下一個(gè)集熱管所對(duì)應(yīng)集水管段的進(jìn)口溫度。通過編程計(jì)算，求得太陽輻照量I，進(jìn)而可求得任一瞬時(shí)任一集熱管段的水溫變化。

3 集水管內(nèi)的水溫及其影響因素分析

3.1 輻照量的影響

由于一天中不同時(shí)段的太陽輻照量不同，為便于進(jìn)行比較，在計(jì)算集水管中水溫隨輻照量的變化關(guān)系時(shí)，假定春分、夏至、秋分和冬至4天集水管進(jìn)口水溫均為20℃，流體質(zhì)量流量均為0.02 kg/s。以集水管長度為橫坐標(biāo)，管中水溫為縱坐標(biāo)，隨時(shí)間變化的輻照量為參變量，則集水管中水溫隨輻照量的變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 集水管中水溫沿集水管長度的變化

由圖3可知，不同的時(shí)間段，輻照量不同，溫升曲線的斜率不同。中午，輻照量大，溫升曲線斜率大，集水管中的水溫增加快；反之，輻照量小，集水管中的水溫上升慢，甚至在環(huán)境溫度和輻照量較低時(shí)，管內(nèi)的熱量小于熱水器的散熱損失，使溫度呈下降趨勢。

3.2 水流量的影響

在考慮集水管中水溫隨流體質(zhì)量流量的變化關(guān)系時(shí)，為便于進(jìn)行比較，假定春分、夏至、秋分和冬至4天集水管進(jìn)口水溫均為20℃，輻照量均取當(dāng)天最大值，即各天中午11點(diǎn)至12點(diǎn)的輻照量，集水管中流體的質(zhì)量流量分別取為0.01kg/s,0.02 kg/s和0.03 kg/s。以集水管長度為橫坐標(biāo)，集水管中水溫為縱坐標(biāo)，流體質(zhì)量流量為參變量，則集水管中水溫隨流體質(zhì)量流量的變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 集水管中水溫隨質(zhì)量流量的變化

由圖4可知，流體質(zhì)量流量越小，溫升曲線斜率越大，表明集水管中水溫增加越快，這是因?yàn)榱黧w質(zhì)量流量較小時(shí),單位質(zhì)量流體得到的熱量較高。

3.3 進(jìn)口溫度的影響

考慮集水管中水溫隨流體進(jìn)口溫度的變化關(guān)系時(shí)，為進(jìn)行比較，假定春分、夏至、秋分和冬至4天集水管中流體質(zhì)量流量均為0.02 kg/s，輻照量均取當(dāng)天最大值，即每天中午11點(diǎn)至12點(diǎn)的輻照量，集水管進(jìn)口水溫分別取為10℃,20℃和30℃。以集水管長度為橫坐標(biāo)，集水管中水溫為縱坐標(biāo)，流體進(jìn)口溫度為參變量，則集水管中水溫隨流體進(jìn)口溫度的變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 集水管中水溫隨流體進(jìn)口溫度的變化

由圖5可知，在不同進(jìn)口水溫下，沿集水管長度方向水溫呈直線上升，各溫升曲線近似平行。從理論上來講，溫差越大越易于傳熱，仔細(xì)觀察圖5發(fā)現(xiàn)，溫升曲線斜率略有差別，流體進(jìn)口溫度越低，溫升曲線斜率越大，表明集水管中水溫增加越快，這與理論分析相符。

4 結(jié)束語

根據(jù)無機(jī)熱管-真空管集熱器瞬時(shí)效率的實(shí)測表達(dá)式，以及集水管微元段瞬態(tài)能量平衡關(guān)系，導(dǎo)出了集水管中任一時(shí)間、任一位置水溫的計(jì)算表達(dá)式，通過計(jì)算得出以下結(jié)論：

a.輻照量對(duì)集水管中的水溫影響較大，輻照量大，水溫可迅速提高；輻照量較小，水溫上升慢，輻照量過小，水溫可能逐漸降低。

b.水的質(zhì)量流量對(duì)集水管中的水溫影響也較大，通過調(diào)節(jié)流量，可以便捷地獲得滿意的出口水溫。

c.進(jìn)口溫度對(duì)集水管內(nèi)水溫上升曲線斜率的影響較小，但對(duì)水溫影響較大。進(jìn)口水溫由于受環(huán)境條件的限制，不易調(diào)節(jié)。

上述研究結(jié)果，對(duì)于改進(jìn)無機(jī)熱管-真空管太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，預(yù)測集水管的瞬時(shí)加熱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，蔣富林，葛洪川，等.熱管式真空管集熱器的熱性能研究[J].太陽學(xué)學(xué)報(bào)，1994,15(1)：73-82.

[3] 張鶴飛.太陽能熱利用原理與計(jì)算機(jī)模擬.2版[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[4] 張小粉，張立琋，張鶴飛.超導(dǎo)熱管式全玻璃真空管集熱器的熱性能分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，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)

以無機(jī)熱管-真空管太陽能集熱器制成的太陽能熱水系統(tǒng)為研究對(duì)象，在瞬態(tài)傳熱分析的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了總熱損失系數(shù)、效率因子、熱遷移因子和瞬時(shí)效率的理論表達(dá)式。通過自編程序，對(duì)該熱水器在4個(gè)典型節(jié)氣中每天的瞬態(tài)熱參數(shù)變化，以及影響集水管內(nèi)水溫變化的因素進(jìn)行了計(jì)算和分析。結(jié)果表明，太陽輻照量和水的質(zhì)量流量對(duì)集水管中的水溫影響較大，進(jìn)水溫度對(duì)集水管內(nèi)水溫上升曲線斜率的影響較小，但對(duì)水溫影響較大。研究結(jié)果有助于指導(dǎo)該類熱水器的設(shè)計(jì)及其操作性能的預(yù)測。

太陽能集熱器；無機(jī)熱管;瞬時(shí)效率；水溫

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

張立琋(1963-)，女，陜西西安人，博士，副教授，研究方向?yàn)樘柲軣崂谩⒑Ｋ?/p>