常 偉, 李 明, 王云峰, 羅 熙, 洪永瑞

(1.云南師范大學物理與電子信息學院，云南昆明 650500；2.云南師范大學太陽能研究所，云南昆明 650500)

內插式真空管空氣集熱器的熱性能研究

常 偉1, 李 明2*, 王云峰2, 羅 熙2, 洪永瑞1

(1.云南師范大學物理與電子信息學院，云南昆明 650500；2.云南師范大學太陽能研究所，云南昆明 650500)

提出一種高效的內插式全玻璃真空管空氣集熱器，其內插鋁制導流管以增強換熱，測試了該集熱器在不同條件下的熱性能。結果表明，集熱器在多云天氣下的平均效率為49.5%，晴朗天氣下平均效率則為63.7%；集熱器瞬時效率隨入口工質流量的增加而增大；集熱器縱向放置時的平均效率比橫向放置時高6.3%。整體來說，此內插式真空管空氣集熱器的性能良好，有較好的推廣和應用前景。

真空管空氣集熱器；熱性能；集熱效率

太陽能集熱器主要分為平板型和真空管型兩種[1-2]，真空管形式的太陽能集熱器，由于其較低的熱損系數，因而具有良好的集熱性能，勢必會被越來越多地研究和應用。目前常用的太陽能集熱器從內部工質來分主要可以分為太陽能空氣集熱器和太陽能熱水器兩種，而太陽能空氣集熱器不僅在干燥、空調、采暖、工農業(yè)等領域有著廣泛的應用前景，而且與水為工質的集熱器相比，空氣集熱器不存在防凍、腐蝕、結垢等問題，且更具有安全性、簡便性和可行性。真空管應用于空氣集熱器以其更高的集熱溫度，必將進一步拓展太陽能空氣集熱器的應用范圍。內插式真空管太陽能空氣集熱器作為優(yōu)化后的空氣集熱器，由于采用了全玻璃真空管作為太陽輻射接收器，且每根真空管內插入一根鋁制導管作為氣體導流管，與平板式空氣集熱器相比其吸熱體和外界環(huán)境之間的熱損大大降低，增強換熱，集熱效率較高。針對內插式全玻璃真空管太陽能集熱器，國內外學者做了大量研究。Window在1983年最早提出內插式真空管形式，真空管集熱器采用串聯的形式，最大溫升達到35 ℃[3]；2001年王志峰等對外徑37 mm、壁厚1.5 mm、長度1 190 mm的內插玻璃管和外徑19 mm、壁厚1 mm、長度可以自由伸縮的銅管組成的真空管空氣集熱器單管進行相關研究，建立了相關理論模型模擬集熱器內部工質流動和換熱情況，表明插管長度為1 135 mm時，氣流在真空管底部形成了類似平板射流速度分布，管底換熱情況較好[4]；2004年王佩明等對由12根真空管構成的內插管型全玻璃真空管空氣集熱器進行研究，試驗得到了集熱器的流動阻力性能曲線及工質流量在60和90 m3/h下的集熱器效率曲線，試驗還證明了內插管型全玻璃真空管空氣集熱器作為一階系統(tǒng)處理時比較合理[5-6]；2007年Papanicolaou等將12根Φ47×1 500 mm的真空管以及Φ20 mm的金屬管和聯集箱構成的太陽能空氣集熱器進行測試，理論分析了單管內流場和溫度場的模型，并試驗得到了集熱器的工作溫度和集熱器的效率[7]；2011年上海交通大學的袁穎莉等研究了52根全玻璃真空管以及內插鋼管組成的橫雙排內插式真空管空氣集熱器，此集熱器的出口溫度平均約為55 ℃，整體的集熱效率則為60%[8-9]。然而，針對內插式真空管空氣集熱器的一些特性研究，如溫升能力、溫度下降速度、集熱器的放置方式對集熱器的影響等，學者并沒有做太多研究。

筆者基于內插式太陽能真空管空氣集熱器系統(tǒng)，對其基本熱性能進行了試驗測試研究。通過在不同天氣下的瞬時效率對比、集熱器在不同放置位置下其瞬時效率的對比以及溫升能力以及溫度下降速度的分析，提出此系統(tǒng)的適用條件及改進措施，為今后系統(tǒng)的應用提供理論基礎，對真空管空氣集熱器的改進具有一定意義。

1 試驗臺的簡介及搭建

該試驗提供了一臺內插式全玻璃太陽能真空管空氣集熱器，此集熱器主要分為3個部分——聯集箱、真空管和內插管。其結構示意圖如圖1，整個空氣集熱器系統(tǒng)大小為1 860 mm×2 100 mm。真空管空氣集熱器包括20組全玻璃真空管與鋁管，有效集熱面積約為2.5 m2。此內插管太陽能空氣集熱器的工作原理：外界空氣在三相異步風機的作用下由集熱器的入風口進入聯集箱的空氣流道內管，之后沿程分配給每一根鋁制空氣導流管，真空管與內插于其中的導流管構成一組空氣流道，每組流道之間為并聯關系。對每組空氣流道，空氣進入鋁制內插管后從內插管的尾端進入鋁管與真空管構成的環(huán)形流道中，在空氣進入內插管以及流入熱空氣流道區(qū)的過程中，空氣逐漸被內插管的內壁以及真空管內表面的選擇性涂層加熱，經加熱后的空氣溫度升高，最終從真空管的出口進入聯集箱的熱空氣流道區(qū)，各組流道流出的熱空氣在聯集箱內熱空氣流道區(qū)匯集并從集熱器的出口流出。

與此真空管空氣集熱器連接的有三相異步風機、渦街流量計，其系統(tǒng)原理圖與實物圖如圖2所示。此太陽能空氣集熱器系統(tǒng)組合放置于一個傾角為26.6°的鐵架上進行測試，方向為南北朝向且不可變動。渦街流量計通過不銹鋼管與集熱器出口連接，三相異步風機則通過不銹鋼管與渦街流量計連接，整個試驗過程為吸風方式。通過調節(jié)三相異步風機的頻率來改變風機轉速，進而改變集熱器入口出工質的質量流量，以達到調節(jié)出口溫度。集熱器的進出口溫度則采用Pt100鉑電阻溫度傳感器測量，測量精度為±0.1 ℃，綜合精度為±0.3 ℃，溫度采集范圍為-200～200 ℃；采用TBQ-2總輻射表來測試太陽輻照強度，該表的靈敏度為7.464 μV/(W·m2)，測量精度<2%，該表放在與集熱器同角度的傾斜斜面，并加以固定；記錄測試儀則為TRM-2型太陽能測試系統(tǒng)，可采集溫度、風速、直輻射、總輻射等數據。

2 內插式真空管空氣集熱器測試的理論基礎

太陽能空氣集熱器在準穩(wěn)態(tài)下照射到空氣集熱器上的太陽能輻射量等于工質帶走的熱量和集熱器散失到環(huán)境周圍熱量之和[10-11]。據此原理可建立太陽能空氣集熱器的熱平衡方程，在穩(wěn)態(tài)條件下運行的太陽能空氣集熱器的瞬時效率η為集熱器實際獲得的有用功率qu與集熱器接收的太陽輻射功率之比。式(1)為瞬時效率公式[12-14]：

(1)

(2)

(3)

由于試驗臺架只是一個鋼結構傾斜支架，而且加上試驗條件的限制，在試驗時并沒有進行一維跟蹤，致使集熱器在試驗過程中會產生余弦損失。其原理為平板集熱器的表面不可能總是與太陽光的入射方向垂直，會產生一個傾斜角，余弦損失就是因這種傾斜所導致的平板集熱器反射面的面積相對于太陽光可見面積的減少而產生的，余弦損失大小與平板集熱器表面法線和太陽入射光線之間夾角的余弦成正比，這即是入射角變化引起的光學損失。余弦損失即太陽入射角的損失，在實際情況下，我們希望太陽入射角越小越好。對于任意緯度、任意時間，太陽能集熱器處于幾何位置的太陽入射角的余弦值(余弦因子)可表示為：

cosθ=sinδsinφcosβ-sinδcosφsinβcosγ+cosδcosβsinγsinω+cosδsinφsinβcosωcosγ+cosδsinβsinγsinω

(4)

式中，θ、φ、β、γ分別為太陽入射角、當地緯度、集熱器傾角和集熱器方位角。太陽赤緯角:

(5)

太陽時角:

ω=15(ts-12)

(6)

其中，n為日序，Ts為太陽時。由于試驗地點位于云南省昆明市 ，地處北半球，大致緯度為25.01°，集熱器的放置位置一般都為南北放置，有γ=0，則式(4)可簡寫為：

cosθ=cos(φ-β)cosδcosω+sin(φ-β)sinδ

(7)

其中,天頂角θz=90°-as，太陽高度角αs表達式為：

sinαs=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(8)

cosθz=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(9)

將式(8)代入式(7)可得：

cosθ=cosβsinαs+cosδcosωsinφsinβ-sinδcosφsinβ

(10)

太陽方位角γs的表達式為：

(11)

將式(11)代入式(10)可得出余弦損失與所有太陽角的關系，即：

cosθ=cosαcosφcosγssinβcos-1φ+sinδsinβcos-1φ-sin2φsinδsinβcos-1φ+cosβsinαs-sinδsinβcosφ

(12)

聯立式(12)與式(3)可以得出平板型空氣集熱器的瞬時效率表達式為：

(13)

3 結果與分析

該測試試驗對集熱器性能的分析主要是針對典型晴天和多云天氣的對比，探究集熱器在不同天氣條件下的進出口溫度、瞬時效率，為今后此集熱器在實際工程的熱利用過程中提供數據參考。應結合所需溫度、效益、成本等因素綜合考慮使用方法，提高此空氣集熱器的利用率，為真空管空氣集熱器的推廣及應用做出積極作用。

3.1 集熱器在不同天氣條件下進出口溫度的對比圖3顯示了多云天氣和晴朗天氣下進出口溫度與輻照度的關系，試驗測試過程中風機流量選擇為0.02 kg/s。在太陽輻照度相對穩(wěn)定的情況下，集熱器的出口溫度穩(wěn)定上升，集熱器的最高出口溫度可達120.4 ℃；多云天氣，集熱器出口溫度有所波動，但整體趨勢還是在上升狀態(tài)，最高出口溫度為95.8 ℃，據此，可根據其溫度變化應用于相適應的工程應用，如間歇性干燥、供暖等。對于典型晴天，此內插式真空管空氣集熱器所能提供的溫度可應用于大部分中低溫熱利用領域，且出口溫度較高，溫度穩(wěn)定。

針對典型晴天，筆者分析了集熱器的進出口溫差與輻照度的線性關系以及非線性關系，可以清楚地了解太陽輻照度對集熱器進出口溫度、溫差的影響，以便我們去適當調控，達到最佳的熱利用。如式(3)所示：

(14)

式中，FR為集熱器熱遷移因子，UL為真空管集熱器的總熱損系數，α為真空管玻璃對太陽光的吸收率，τ為真空管玻璃對太陽光的透射率，ta為環(huán)境溫度。由式(14)可得：

(15)

由式(14)和式(15)可知，當集熱器的進口溫度與環(huán)境溫度相當，即ti=to時，此時集熱器的效率只取決于集熱器的熱遷移因子和集熱器真空玻璃管的透射吸收乘積，即有：

(16)

由式(16)可知，集熱器的進出口溫差與輻照度呈一次函數關系，但如果從高溫分析溫度與輻照度的關系，則可看出溫度與輻照度之間應該呈現二次函數關系。由于此時集熱器的溫度不是很高，因此，在一定的低溫溫度范圍以內，可以近似看成是線性關系。

一般真空管集熱器的吸收率和透射率為常量，此時集熱器的熱效率僅取決于熱遷移因子，而熱遷移因子又主要取決于空氣流量。圖4為真空管空氣集熱器進出口溫差與輻照度之間的線性關系和非線性關系，與式(16)相比，其線性關系：

to-ti=-12.891 222 9+0.104 024 7G

(17)

非線性關系式為：

to-ti=7.897 034 3×10-5G2-0.008 0107G+23.999 403

(18)

由圖4a可知，集熱器進出口溫差與太陽輻照度為線性關系，擬合系數R2=0.923 88，當輻照度為0時，與y軸的截距為-12.891 222 9，溫差為負值，其原因為集熱器存在一定的熱損；由圖4b可知，當集熱器在0輻照度下，溫差與y軸的截距為23.999 403 2，進出口溫差為正值。

3.2 集熱器在不同質量流量下熱性能測試真空管空氣集熱器作為一種太陽能熱利用上最重要的供熱部件之一，其性能直接關系到整個熱利用過程中的效果，因此，測試其各項性能并掌握集熱器的各項性能因素，對以后利用和改進都具有一定意義。如圖5所示，分析了集熱器在不同質量流量下瞬時效率與輻照度的關系。

太陽輻照度在400～1 000 W/m2之間變化，而集熱器入口處工質的質量流量則分別調為0.01、0.03、0.05、0.07、0.09 kg/s，集熱器的瞬時效率與太陽輻照度呈現一個正比變化關系。

當輻照度在400～1 000 W/m2變化時，在各個質量流量下，集熱器的平均效率增長5.5%。工質在一定流量范圍內(0.01～0.09 kg/s)，對應不同太陽輻照度400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950、1 000 W/m2,集熱器瞬時效率增長率分別為5.2%、5.3%、5.3%、5.2%、5.3%、5.1%、5.1%、5.0%、5.0%、4.9%、4.9%、4.9%、4.8%?？梢姡谳椪斩戎饾u增大的情況下，集熱器瞬時效率增長幅度變緩，增幅從5.3%降至4.8%。引起這一變化的主要原因是在太陽輻照度逐漸增大的過程中，集熱器的出口溫度也越來越高，上升也越來越緩慢，出口溫度增加也越來越困難，導致集熱器瞬時效率增長變慢。

3.3 集熱器在不同天氣條件下的瞬時效率筆者分別對集熱器在晴天和多云天氣下的瞬時效率的變化進行了對比，如圖6所示。風機流量選擇為0.05 kg/s，在晴朗天氣下集熱器的效率曲線穩(wěn)定上升，斜率較小，其瞬時效率保持在50%以上，太陽輻照度在321～980 W/m2變化時，集熱器的效率從41.1%增長到75.6%，平均效率為63.7%，其中最大出口溫度達到120.4 ℃；在多云天氣下，由于太陽輻照度不穩(wěn)定，導致集熱器瞬時效率浮動較大，但最高瞬時效率達到93.7%，集熱器在輻照度為212～884 W/m2范圍內隨機變化，其平均瞬時效率為49.5%。

3.4 集熱器在不同放置方式下的效率分析集熱器的放置方式可以最大限度地有效利用集熱器的熱量，如圖7所示，探究了集熱器在不同放置方式下的進出口溫差及效率的對比。從試驗數據分析可知，在相同試驗條件下，集熱器進口空氣流量均為0.05 kg/s時，其縱向放置比橫向放置效率更高，出口溫度更加穩(wěn)定。筆者截取輻照度相對穩(wěn)定的1.5 h內的數據進行分析，太陽輻照度在736～975 W/m2內變化時，縱向放置時集熱器進出口溫差最大值為84.2 ℃，平均溫差為79.0 ℃，而橫向放置時集熱器進出口溫差最大為81.5 ℃，平均溫差為75.2 ℃，集熱器縱向放置比橫向放置的最大溫差高出3.8 ℃；在集熱器的瞬時效率方面，當其橫向放置時最大瞬時效率為63.4%，平均瞬時效率為56.4%，集熱器縱向放置時最大瞬時效率為73.1%，平均效率為62.7%，可見集熱器縱向放置比集熱器橫向放置下的瞬時效率平均高出6.3%。集熱器橫向放置時的平均進出口溫差與平均瞬時效率值均小于集熱器縱向放置下的數值，這是因為在一天的大部分時間內集熱器橫向放置時接收的太陽輻照度小于集熱器縱向放置時的太陽輻照度。當太陽自東往西運動時，橫向放置時接收的太陽輻照度呈現逐漸增加的趨勢，在午間達到最大，過了午間以后逐漸降低，而縱向放置下的集熱器接收的太陽輻照度基本保持不變。因此集熱器無論在進出口溫差還是在瞬時效率上，集熱器縱向放置都比橫向放置時熱效率更優(yōu)。對于今后集熱器的工程應用方面，可以參考并建議單排真空管空氣集熱器采取縱向放置方式。

4 結論

筆者針對內插式真空管空氣集熱器的各項性能進行了測試與分析，對不同天氣條件下的情況進行了對比試驗，結果表明：

(1) 內插式真空管太陽能空氣集熱器無論在多云還是晴朗天氣下，其出口溫度均能在60 ℃以上，其中晴天最高出口溫度達到120.4 ℃，平均效率達63.7%，即使在多云天氣下，集熱器的平均效率也能維持在49.5%以上。

(2) 內插式真空管空氣集熱器在不同的放置方式下對集熱效率有一定影響，當集熱器橫向放置時其平均瞬時效率為56.4%，最大進出口溫差為81.5 ℃，而當集熱器縱向放置時平均瞬時效率為62.7%，最大進出口溫差達到84.2 ℃?？梢姰斶x擇此類集熱器放置時，應選擇集熱器縱向放置，無論從集熱效果還是整體應用方面都較優(yōu)。

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The Experimental Research on Thermal Performance of the Evacuated Tubular Solar Air Collector with Inserted Tubes System

CHANG Wei1, LI Ming2*, WANG Yun-feng2et al

(1. School of Physics and Electronic Information Technology, Yunnan Normal University, Kunming, Yunnan 650500; 2. Solar Energy Research Institute, Yunnan Normal University, Kunming, Yunnan 650500)

This paper presents a high efficient interpolation type all-glass vacuum tube solar air heater, the heat can be increased by interpolated aluminum duct. And the thermal performance of the collector under different conditions was tested. The results showed that the average efficiency of collectors with cloudy weather is 49.5%, average efficiency for sunny weather is 63.7%; The instantaneous efficiency of collector increases with the increase of inlet flow rate of working fluid; The average efficiency of collector placed longitudinally is higher than that placed horizontally about 6.3%. Overall, the performance of interpolation type all-glass vacuum tube solar air collector is well, which has the well promotion and application prospect.

The evacuated tubular solar air collector; Thermal property; Heat-collecting efficiency

常偉(1987- )，男，云南昆明人，碩士研究生，研究方向：太陽能光熱利用。*通訊作者，教授，博士，博士生導師，從事太陽能利用研究。

2015-03-19

S 181.3

A

0517-6611(2015)12-269-05