（农业生物环境与能源工程专业论文）重力回路热管式太阳集热器的理论研究.pdf

云南师范大学硕士研究生学位论文 摘要 本文结合我国太阳能热利用的发展趋势和云南师大太阳能研究所太阳能热 利用研究发展方向，将回路热管原理应用于平板集热器中，目的在于研究和开发 新型集热器。本文试图通过以昆明典型的气候条件，仿真模拟回路型重力热管集 热器的运行特征和结构参数对系统性能的影响。 太阳能热转换技术的核心是采用高品质、高转换率的太阳能集热器。未来的 太阳能热利用发展趋势是太阳能与建筑结合，太阳能平板集热器是与建筑结合最 佳方式的太阳集热器。云南省拥有全国最大的平板型太阳能热水器市场，现行运 行的集热器大部分采用平板集热器，但是其防冻能力等技术条件的欠缺限制了其 向省外的发展。 热管是一种采用工质相变传热的高效传热元件，在工业上航空航天上应用广 泛，在太阳能集热器应用中也很广泛。热管的形状可随热源和热汇的条件变化热 管可以根据环境需要做成灵活多变的结构形式和型体尺寸。液体工质不会充满整 个管子，遇冻时有一定的膨胀空间，制作的太阳集热器，与防冻能力差的普通平 板太阳集热器相比，其抗冻能力尤为突出。由于重力热管的单向传热特性，其热 管式集热器防止夜间倒流起了很好的效果。 本文提出和初步建立了回路型重力热管集热器的物理模型及数学模型，运用 数学软件进行模拟计算，对其运行特性进行分析研究，为今后新型集热器的设计 与开发提供理论依据。 模拟结果表明：如果不考虑到置于水箱里的冷凝段热阻，模拟的太阳能热水 器的效率要比普通平板集热器高。热管集热器的蒸发段热阻很小，热阻的大小主 要取决于板管的肋片效率。所得结果给热管集热器的制造指明了方向，精心制造 高效率的冷凝段换热器将是提高此类热管集热器的主要部分之一。 关键词：重力热管分离式热管回路式热管太阳集热器 蔓垄旦堕璺! 苎查里苎垫壁墼墨丝竺塞 a b s t r a c t c o n s i d e r i n gt h er e c e n td e v e l o p m e n ta n dt e n d e n c yo ft h es o l a rt h e r m a l u t i l i z a t i o na n dt h eu n d e r g o i n gr e s e a r c hp r o g r a mi no u ri n s t i t u t e an e w i d e aw a ss u g g e s t e dt h a tai o o ph e a tp i p ew a si n t e g r a t e di n t o f l a tp l a t e s o l a rc o l l e c t o r sw i t ha i m i n ga td e v e l o p in gan e ws o l a rw a t e rc o l l o c t e t i nt h i ss t u d y ，am a t h e m a t i c a lp r o c e d u r ew a ss u g g e s t e df o rs i m u i a t i n gi t s t h e r m a lp e r f o r m a n c eb a s e do nat y p i c a lc l i m a t i cc o n d i t i o no fk u n m i n g t h ed i r e c t i o no fs o l a rt h e r m a lu t i1i z a t i o ni st o w a r d st h eb u i l d i n g in le g r a t i o no fs o l a re n e r g ys y s t e m s ，a n dt h es o l a rf l a tp l a t ec o ll e c t o r s iso n eo ft h eb e s tt y p e so fc 0 11e c t o r sf o rs u c hc o m b i n a t i o n y u n n a np r o v i n c ei st h eb i g g e s tm a r k e to fs o l a rf l a t p l a t ec o l l e c t o r s i nc h i n a b u tt h ed o o ra n t i f r e e z i n gi sr e s is t i n gi t sr a p ids p r e a di no t h e r a r e a so fc h i n a t h ek e yo ft h es o l a rt h e r m a lu t i l i z a t i o ni st h ed e v e l o p m e n to fh i g hq u a l i t y s o l a fc o l l e c t o r s d u et oh e a tp i p e sc a nb ef o r m e dv a r i o u ss h a p et om e e tt e c h n i c a l r e q u i r e m e n t so fac o l l e c t o r ，s oi t i se a s i l yi n z e g r a t e dw i t hs o l a rc o l l e c t o r s t h eh e a tp i p e ，b e i n gn o tf u l1yf l i1le d ，h a ss o m ef r e e s p a c ef o r e x p a n s i o no fw o r k i n gf l u i d sw h e ni tf r e e z e s c o m p a r e dw i t ht h ec o m m o n l y u s e df l a tp l a t es o l a rc o ll e c t o r s ，s u c hc o ll e c t o r sh a v eg o o dp e r f o r m a n c e f o ra n t i - f r e e z i n g d u et ot h ep e r f e c th e a tt r a n s f e ro fah e a tp i p e ，i th a sb e e nw i d e l yu s e d i nm a n ya r e a ss u c ha sa v i a t i o n ，c h e m i c a l i n d u s t r ya n ds o l a re n e r g y b e c a u s e t h eh e a tt r a n s f e ro ft w op h a s ec l o s e dt h e r m o s y p h o n i ch e a tp i p e si so n e w a y ， t h u st h e s ec o l l e c t o r sc a ne f f e c t i v e l yp r e v e n tr e v e r s e dc i r c u l a t i o no f w o r m n gf l u i da tt h en i g b t i nt h i ss t u d y ，an e ws o l a rc o l l e c t o r s y s t e mw a sd e s i g n e db yi n t e g r a t i n g al o o ph e a tp i p ei n t oas o l a rc o l l e c t o r ，am a t h e m a t i c a lm o d e lw a ss u g g e s t e df o r t h et h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o no fi t st h e r m a lp e r f o r m a n c e ，a n dt h ee f f e c t s o f 1 1 云南师范大学硕士研究生学位论文 s o m es t r u c t u r a l p a r a m e t e r s o ni t s t h e r m a lp e r f o r m a n c ew a ss t u d i e db y s i m u l a t i o n s t h es i m u l a t i n gr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h i sn e ws y s t e mp e r f o r m sb e t t e rt h a n c o m m o n l yu s e df l a tp l a t ec o l l e c t o rd o e si ft h e r m a lr e s i s t a n c eo ft h ec o n d e n s e r i n s i d eac o o l i n gw a t e rt a n ki sn o tt a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h er e s i s t a n c eo f e v a p o r a t o r ，w h i c hj sm a i n l yd e p e n d a n to nt h ee f f i c i e n c yo ff i n ，i sv e r yi i t t l e t h er e s u l t sa l s oi n d i c a t e dt h a tt h em o s t i m p o r t a n tf o r a t h e r m a l l yb e t t e r c o l l e c t o ri st oi m p r o v eh e a te x c h a n g eo ft h ec o n d e n s e r k e yw o r d s ：g r a v i t y a s s i s t e dh e a t p i p e ；s e p a r a t eh e a tp i p e ；l o o ph e a tp i p e ；s o l a rc o l l e c t o r 1 1 1 独创性声明 y 7 7 5 2 4 0 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 、 学位论文作者签名：互参k 2 0 0 5 年5 月砑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权云南师范大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：珏k指导教师签名：蓟笏 】i 瞧 黝5 年5 月2 8 日2 僻( 月 云南师范大学颈士研究生学位论文 1 引言 能源问题已是当今世界的重大问题之一，能源状况直接决定着国家的经济发 展。早在1 9 7 3 年，西方国家发生了石油危机，人们对能源问题开始有了深刻了 解，认识到了能源危机的紧迫感。2 0 0 3 年底到2 0 0 4 年初，我国2 0 余省市出现 了拉闸限电，直接影响到人们的工作生活。 传统能源带来的环境问题日益严重，能源和环保问题已经成为可持续发展战 略的两大主题。我国现阶段制定的能源方针是：开发与节约并重，近期把节能放 在优先位置，尽可能利用新能源，太阳能、生物质能低品位能源，节能和降低成 本。 广义的太阳能所包括的范围非常大，地球上的风能、水能、海洋温差能、波 浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳：即使是地球上的化石燃料( 如 煤、石油、天然气等) 从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能。狭义的太阳 能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。 建筑耗能占全部总能耗的比例，我国已达3 0 ，在欧美发达国家均在4 2 4 7 之间。在建筑能耗中，采暖、制冷、空调和热水占7 5 。节能成为世界建筑界 共同关注的主题，太阳能低温热转换技术合理布置能够成本来满足部分建筑用 能的需求以及其它需要”。 太阳能低温热转换技术的核心是良好的太阳能集热器。本课题提出的回路式 热管太阳集热器，采用两相回路重力热管作为单向导热内核，充以玻璃棉( 或聚 氨脂) 绝热。设计一种新型的太阳集热器模块，克服其防冻能力差等缺点，实现 太阳热水器与建筑一体化，满足部分建筑用能的需求。由于课题的长期性，本文 作为其中的前期工作，做的工作有收集资料，建立模型，理论计算。 重力回路热臂式太阳集热器的理论研究 1 1 太阳集热器概述 许多人误认为太阳集热器( 简称集热器) 就是太阳热水器，其实它们是两回事。 集热器是热水器的一部分，它是决定热水器热性能优劣的一个关键部件。 1 1 1 太阳能集热器在太阳能热利用的应用 太阳能热利用是可再生能源技术领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技 术之一。其中涉及的技术问题很多，根据太阳能的特点，具有共性的技术主要有 四项，即太阳能采集、太阳能转换、太阳能贮存和太阳能传输，将这些技术与其 它相关技术结合在一起，便能进行太阳能的实际利用一光热利用、光电利用和 光化学利用。 太阳能的热利用，是将太阳的辐射能转换为热能，实现这个目的的器件叫 “集热器”。由于使用的目的不同，集热器和与之匹配的系统类型繁多，名称各 不相同。用于炊事的太阳能集热器，就叫“太阳灶”；作为烘干用的设备，则称 做“太阳能干燥器”等。用于产生热水，就叫“太阳热水器”；太阳热水器是目 前太阳能热利用中利用最为成熟的技术之一，产生的热水主要用于日常生活用热 水和采暖，部分可以用来制冷，还有部分可以用来除湿。 夏天，当太阳辐射越强、天气越热的时候，人们更需要的是空调降温。这神 情况在我国南方每年大约有6 - 8 个月时间，在北方也有4 6 个月。利用太阳能热 水器产生的热水制冷提供空调，使太阳能和太阳能热水器全年充分利用，同时缓 解城市的“热岛效应”是最合理的方案。 “九五”期间，“太阳能空调”列入科技攻关计划，成功地建成了两座有一 定规模的实用性太阳能空调系统，分别是：中科院广州能源所在广东省江门市建 成的l o o k w 太阳能空调系统，采用高效平板太阳能集热器、低温运行的两级吸收 式制冷机；和北京市太阳能研究所在山东省乳山市建成的l o o k w 太阳能空调系 统，采用热管式真空管集热器、中温运行的单级吸收式制冷机5 3 。 到2 0 0 0 年底，我国太阳能热水器的保有量已超过2 0 0 0 万平方米，年产量达 3 0 0 万平方米，是世界上生产太阳能热水器最多的国家。但以人均占有量计算， 仍处于落后地位，所以这个市场的潜力还非常大”1 。 云南师范大学硬士研究生学位论文 1 1 2 太阳能集热器发展概况 我们的祖先早就懂得充分利用太阳的光和热。在修建房屋时，无论庙宇、宫 殿，还是官邸、民宅，他们都尽可能坐北朝南布置，以增加采光和得热。这些其 实就是天然集热器。 1 8 9 1 年美国马里兰州的肯普发明的太阳能热水器产品，当时他称其为“顶 峰”热水器。 1 9 0 2 1 9 0 8 年，在美国建造了五套双循环太阳能发动机，采用平板集热器和 低沸点工质。矿物燃料的大量开发利用和发生第二次世界大战等原因，使太阳能 研究工作逐渐受到冷落。 1 9 5 5 年，以色列泰伯等在第一次国际太阳热科学会议上提出选择性涂层的 基础理论，并研制成实用的黑镍等选择性涂层。为高效集热器的发展创造了条件。 2 0 世纪6 0 年代，日本、澳大利亚、美国、以色列和希腊等国家出现新兴的 太阳热水工业。1 9 6 0 年，在美国佛罗里达建成世界上第一套用平板集热器供热 的氨一水吸收式空调系统，制冷能力为5 冷吨( 约1 7 6 k w ) 。在这一阶段里，太 阳能基础理论和基础材料的研究得到了加强，取得了如太阳选择性涂层等技术上 的重大突破。平板集热器有了很大的发展，技术上逐渐成熟。 1 9 7 3 年1 0 月世界发生了“能源危机”( 有的称“石油危机”) 。许多国家， 尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持， 在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮“1 。 进入9 0 年代，我国在改革开放已经得到进一步发展，人民生活水平提高， 对生活热水需求日益增长，促进了太阳热水工业的迅速发展。 我国太阳热水器产业状况及特点： 我国太阳热水器生产企业超过千家，年产销量达万台，年产值达千万元以上 的大中型企业约1 0 0 家。从事该产业的生产人员、研发人员和营销人员已超过 j 0 万人”1 。 近几年，太阳热水器产业发展速度很快，一大批从事家电行业的骨干企业纷 纷加入太阳热水器产业队伍。太阳热水器行业年产值的平均增长速度约2 0 。据 统计，全国太阳热水器2 0 0 2 年的销售量近10 0 0 万m 2 ，居世界第一位。我国近 几年的太阳热水器销售情况如图1 所示”1 。 重力回路热警式太阳集热嚣的理论研究 、 g r u d 晤 器 廿 6 l o 4 8 05 0 0 4 0 0 轨 7 8 0 9 6 0 1 9 9 5 1 9 9 6 1 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 2 年 图1 1 、我国近几年的太阳热水器销售情况 从以上对太阳能热水器的研究文献可以看出： 太阳能热水器发展，目前，我国的真空管式太阳热水器的发展的势头要比平 板太阳热水器好。虽然我国太阳热水器发展势头很大，但是形式单一、雷同，产 品高技术含量不高”1 。 1 1 3 集热器的分类 采集太阳能的设备称为集热器，一般可以划分为聚光集热器和非聚光集热器 两大类。非聚光集热器主要是平板集热器，能够利用太阳辐射中的直射辐射和散 射辐射，集热温度较低；聚光集热器能将阳光会聚在面积较小的吸热面上，可获 得较高温度，但只能利用直射辐射，且需要跟踪太阳。建筑生活用能属于低温用 能，一般采用非聚光集热器。 在太阳能低温利用领域，平板集热器的技术经济性能远比聚光集热器好。 太阳集热器主要应用为太阳热水器，少部分用于空调制冷、干燥等。根据不 同的方面对其可以进行分类： 根据集热器的结构可以分为 第一类，闷晒式。主要用于太阳热水器，形式有开放式、塑料薄膜袋式、圆 筒式、滴水式等等。特性，便宜可以自己制作，保温性能很差，很难作为建筑的 一个部分，只能够简单的堆放在建筑物上。 第二类真空管太阳集热器，一般分为全玻璃真空管和玻璃一金属真空管太阳 卵r 【伽嵩番姗黼姗群 啪 咖 伽 瑚 。 云南师范大学碗士研究生学位语文 集热器。特性：价格高，保温性能好，寿命期待解决，通过设计，可以与建筑结 合，但是承压问题不好解决。 第三类太阳集热器平板型集热器，结构上可以分管板式、扁盒式、管翅式、 热管翅片式、蛇形管式集热器，还有带平面反射镜集热器和逆平板集热器等； 材料上可按吸热板芯材料划分有钢板铁管、全铜管板、全铝翼管板、铜铜铝 复合、不锈钢、塑料及其它非金属集热器等；表面吸收涂层上可分为无光黑漆， 还有选择性吸收涂层，如阳极氧化、镀黑镍、镀黑铬等。特性：价格适中，适合 广大群体，寿命长，保温性能一般，但是防冻性能差，如果能够解决这一问题， 最适合与建筑一体化。 这几类集热器可以经过组合成不同的热水器，例如可以组合成热管式真空管 太阳集热器和热管式平板型集热器，我们在我国市场上可以看到。 1 1 4 防冻集热器与建筑 现代的石油危机酝酿了全球的未来能源危机，改革开放以后我国的经济得到 高速的发展，人口的增加，对能源的需求急剧增加，如何用最少的能源养活更多 的人，提高经济的发展是我们的终极目标。 目前，我们国家的任务可以归结为：如何最少的能源养活更多的人。城市化 的建设、经济的发展导致城市人口的增加，使用更少的能源建筑房子一方面减少 单位人口建筑用能，同时减少单位人口交通用能。 但是，目前新闻报道还有许多城市，例如上海、长沙等许多地方的小区内禁 止安装太阳热水器，理由很多，诸如：寿命短，影响美观，质量低劣容易损坏， 而且还可能损坏房屋建筑，等等尤其是防冻能力差。采用质量良好的太阳热水系 统以及实现太阳热水器与建筑一体化可以解决上面一系列的问题。 集热器的安装方式也比较灵活。大多数情况安装在斜屋顶上，根据屋顶斜坡 角度的不同，可以直接将集热器安在屋顶，也可以用支架安装。但是，这都不影 响房屋的使用和外表的美观，如果安装恰当还可以成为城市的一道风景线。 实现太阳热水器与建筑一体化，是太阳热水器产业发展的必然趋势，也是太 阳热水器技术发展的主要方向。无论从整体外型、结构强度、产品最有利于太阳 热水器与建筑一体化的是平板太阳能热水器。 重力回路热管式太阳集热嚣的理论研究 实现平板太阳热水器与建筑一体化主要任务之一就是在有霜冻的地区能够 克服防冻障碍。 云南省拥有全国最大的平板型太阳能热水器市场，现行运行的集热器大部分 采用平板集热器，但是其防冻能力等技术条件的欠缺限制了其向省外的发展。 平板太阳热水器在冬季气温低于o c 时，因集热器中的水结冰膨胀将管子胀 裂，影响了它的全年使用。 为解决这一问题，目前有下列几种方法： 一、顺序冻结，这种“抗冻”热水器将集热器吸热板的局部作特殊改进后， 利用吸热板内水的“顺序冻结”以达到抗冻的目的。 二、双回路系统，是国内外通常采用的双回路系统，它通过集热器内充入防 冻液，并与水箱中的换热器构成循环回路，对水进行间接加热，由于双回路系统增 加了换热器，造成成本上升1 0 以上，热效率下蛑7 1 0 ，故该解决方案并不十 分理想。 三、热管集热器，由于热管发明比较晚，热管应用于集热器中是热管蓬勃发 展的产物。 有人将太阳集热器分为四代，闷晒式，平板式，真空管式，热管式，姑且不 讨论他分类的正确性，但是也可以看到其中研究热管式集热器的必要性。 本文研究的就是热管式集热器，并且采用与建筑结合最佳方式的平板集热器 形式，希望能够成为太阳能与建筑结合的一部分。 1 2 热管概述 1 2 1 热管的发明与发展 早在1 0 0 多年前，a n g i e rm a r c hp e r k i n s 于1 8 3 9 年发明的单相热管，并申 请专利0 1 。 1 9 4 4 ，美国俄亥俄州通用发动机公司( t h eg e n e r a lm o t o r sc o r p o r a t i o n o h i o u s a ) l 的r s g a u g l e r 描述其制造的热管，并申请了专利( 专利号 n o 2 3 5 0 3 4 8 ) 。现代热管内部有吸液芯，发明于二十世纪六十年代。1 9 6 3 年美国 洛斯一阿洛莫斯国家实验室( l o sa l a m o sn a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 的g m g r o v e r 等人重新独立发明了类似g a u g l e r 的传热装置，正式命名为“热管”，申请了美 云南师范大学硕士研究生学位论文 国专利。1 9 6 4 年g r o v e r 在应用物理杂志上发表论文，他也因此被称为“现 代热管之父”。 1 9 6 5 年c o t t e r 提出较完整的热管理论“”。 1 9 7 3 年在的国斯图加特( s t u t t g a r t ) 召开第一届国际热管会议，到2 0 0 4 年已经举办1 3 届。 我国于1 9 7 0 年即开始对有吸液芯的热管进行研究，1 9 7 2 年我国第一支钠热 管研制成功，至8 0 年代初我国从事热管研究的科研单位及大专院校已遍及全国 ”。我国于7 0 年代开始研究热管，1 9 9 2 年成功举办第八届北京国际热管会议， 2 0 0 4 年9 月2 1 日至2 5 日在我国上海举行第1 3 届国际热管会议( 互联网) 。我 国国内热管交流从1 9 8 3 年在哈尔滨举办首次全国热管会议以后，已经举办8 届。 1 2 2 热管基本特性： 热管是依靠工质的相变和流动来实现热量传热的传热元件，具有如下特点： ( 1 ) 极高的传热效率 热管主要靠管内的工作液体的汽、液相变传热，具有极高的传热效率；内热 阻极小，与银、铜、铝等金属相比，单位当量的热管可多传递几个数量级的热量， 素有热超导体之称。但是温差还是存在的，并且传热能力受到各种因素的制约， 存在各种传热极限。一般热管的轴向导热性能很强( 径向热管除外) ，径向热管 的导热性能没有什么改善。 ( 2 ) 良好的等温性 热管的蒸汽和液体都处于饱和状态，饱和蒸汽压决定于饱和温度。饱和蒸汽 又蒸发段流向冷凝段产生的压降很小，由热力学c l a u s u i s c 1 a p e r o n 方程式，温 降很小，因而具有良好的等温性，在各种热管的导热表明也具有很好的等温表面。 ( 3 ) 热流密度的可变性 热管可以独立改变蒸发段或冷凝段的吸热或放热面积，即以较小的传热面积 输入热量，而以较大的冷凝面积输出热量；或以较大的产热面积输入热量，而以 较小的冷凝面积输出热量，这样可以改变热流密度，同时可以解决一些其它方法 难以解决的传热问题。 ( 4 ) 热流方向的可逆性 有芯热管的内部循环动力是毛细力，因此可以以任意一端为蒸发段，而另一 重力回路热臂式太阳集热嚣的理论研究 端为冷凝段。此特点多用于航空，如宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，当 然也适用于地面各种相应的传热器。 ( 5 ) 热二极管与热开关性能 热管可做成热二极管或热开关。热二极管即为热流方向只流向一个方向，而 不允许向相反的方向流动，即具有单向导热性。热开关则是当热源高于某一温度， 热管开始工作。低于此温度，则热管不传热。 ( 6 ) 恒温特性( 可控热管) 普通热管的各部分热阻基本上不随热量的变化而变，因此当热量变化时，热 管各部分的温度亦随之变化。为了需要，人们使冷凝段的热阻随加热量的增加而 降低、随加热量的减少丽增加，这样实现温度控制，这就是热管的恒温特性 ( 7 ) 环境的适应性 热管的形状可随热源和热汇的条件变化热管可以根据环境需要做成灵活多 变的结构形式及型体尺寸；蒸发段和冷凝段可以分隔很远。热管既适用于地面( 重 力场) ，也可以适用于空间飞行( 无重力场) 。 1 2 3 热管分类： 热管由于用途、种类和型式较多，再加上在材料、材质和工作液体等方面各 有不同，故而分类很多。可以进行分类，下列说明根据热管在不同的分类方法下 的各种分类。 按照工作液体回流动力区分：有j 签热管，两相闭式热虹吸管( 又称重力热管) 重力辅助热管，旋转热管，电流体动力热管，磁流体动力热管，渗透热管； 按照热管管内工作温度区分，低温热管( 一2 7 3 0 c ) ，常温热管( 一2 7 3 0 ) ，中温热管( 2 7 3 0 ) ，高温热管( 一2 7 3 0 ) 按照管壳与工作液体的组合区分：铜一水热管，碳钢一水热管，铝一丙酮热管 碳钢一萘热管，不锈钢一钠热管； 按照结构形式区分：普通热管，分离式热管，毛细泵回路热管，微型热管， 平板热管，径向热管； 按照热管的功用划分： 传输热量的热管，热二极管，热开关，热控制用热 管，仿真热管，制冷热管； 云南师范大学硬士研究生学位论文 根据蒸发段和冷凝段还可以分为整体式热管和分离式热管。 l _ 2 4 重力热管和分离式热管： 由于整体式热管换热器的蒸发段和凝结段合为一体，在结构设计、制造、运 输和维修安装方面都相当困难，因而限制了它的发展。为了适应换热器装置大型 化的需要，发展了分离式热管装置。国外分离式热管换热器的研制开始于2 0 世纪 8 0 年代“。它是一种组件式的、蒸发段和冷凝段分开的两相热虹吸管，这种换热 器可实现远距离传热，避免大直径烟风道迁移；可实现一种流体与多种流体间的 换热；具有良好的密封性能：方便顺逆流混合布置：大幅调整蒸发段与冷凝段的 面积比还可使冷热流体完全隔开；适用于换热装置大型化等优点。因此，很快引 起了各国科技工作者的重视，并进行了广泛的基础理论和工程应用研究。 分离式热管中研究和应用最广泛的是重力型分离式热管( 以下简称分离式热 管) ，表2 可以说明我国各个院校及研究所研究分离式热管的情况，他们均取得 了一定的成果。南京工业大学于1 9 7 3 年就开始了这方面的研究，并且和南京炼油 厂共同研制了我国第一台热管换热器。这些成果对分离式热管及分离式热管换热 器在工程实践中的应用提供了良好的基础。 。 表1 2 各院校即科研院所所作分离式热管的情况“3 中科院工程热物理研究所分离式热虹吸管组换热特性的研究 上海7 1 1 研究所分离式热虹吸管组换热特性的研究 上簿拇】互学院分离式热管换热器的模型实验研究 东北工学院分离式热管元件充液量理论分析和实验研究 重庆大学分离式热管的流动和传热研究 南京化工大学分离式热管的凝结换热和传热极限的研究 西安交通大学 分离式热管蒸发段的试验研究的充液量分析 华东船舶工业学院大型分离式热管换热器的模型实验研究 哈尔滨工业大学热管供热系统与热水供暖系统的技术经济性比较研 究 重力回路热警式太阳集热嚣的理论研究 1 3 热管式太阳能集热器发展概况 由于热管可以根据需要设计出灵活多变的结构形式以及型体尺寸，热管式太 阳集热器也有很多的形式。 太阳能热管式集热器主要有聚焦和非聚焦方向的应用。2 0 世纪7 0 年代， b i e n e r t 和w o l f 将热管的蒸发段插入平板集热器里，冷凝段插入一个精致的水 箱里，首次将热管应用与太阳能集热器中。但是他们的结论既不明确也不理想， 但是给后人留下宝贵的经验。r a m s e y 等人将涂有选择性吸收涂层的热管利用单 轴追踪聚焦得到3 0 0 。c 的温度，并获得5 0 的效率“”。 b a i r a m i v “3 3 和t o ili e v 在1 9 8 1 年描述并分析了热虹吸热管在太阳集热系统 的性能。s o r e n s e n 在1 9 8 7 年描述了一种无芯的重力辅助热管集热器系统， 1 9 9 8 年a b o g d e r a h “”把热管从集热器表面到水箱的循环进行了理论计算和实 验结论对比分析，1 9 9 9 年h u s s e i n “6 ”“：等人检查了无芯平板热管集热器于各种几 何形状的集热器的瞬时效应。 2 0 0 0 年k h a l i da j o u d i 等人对重力热管运用于太阳能集热器作了阐述“。 2 0 0 1 年e m m a n o u i lm a t h i o u k a k i s ”等人报道了一种以单根重力回路式热管 在蒸发段加上翼片为内核的太阳集热器，他们把冷凝段埋入水箱，据称已经投入 市场。 另外还有许多学者利用重力热管的原理，将太阳能集热器做成热二极管运用 到太阳能采集以及与建筑的空调制冷啪m 1 址”。 我国目前现代太阳集热器主要用于太阳能热水，当前我国太阳热水器市场上 几乎全部是国产的，其中也不乏有热管作为内核的集热器，其中还有类似的专利 产品。主要应用于：闷晒式集热器、平板集热器和热管真空管集热器。 1 3 1 热管在闷晒式太阳集热器中的应用 1 8 9 1 年美国马里兰州的肯普发明的太阳能热水器产品，当时他称其为“顶峰” 热水器，也就是现在我们称为闷晒式的太阳热水器“1 。 后来人们创造了各式各样的闷晒式太阳热水器，如开放式、塑料薄膜袋式、 圆筒式、滴水式等等。其制作简单，廉价实惠得到很多贫穷老百姓的青睐，但是 其集热效率低、防冻能力差、年使用时问短和寿命短等缺点让其难以得到进一步 云南师范大学磺士研究生学位论文 发展。 闷晒式集热器内设置热管，据报道已有的产品”1 ：在真空管内放置表面具有 选择性吸收涂层的不锈钢容器，容器内有内插管，集热器与储热水箱和二为一。 若干上述的内插管有联箱并联，作为太阳热水器，为用户提供热水。 1 3 2 热管在太阳能平板式集热其中的应用 2 0 世纪7 0 年代末期，随着世界性能源危机日趋严重，迫使人们对太阳能的 利用更加重视起来，许多国家投入了不少物力和人力，用于大力研究和开发太阳 能热利用技术，尤其是太阳能热水器。此时发展最快的就是太阳能平板集热器。 热管 集热板 图1 3 是集中供热热管式太阳能集热器系统 平板集热器结构上从最早的翼管式到扁盒式；材料上从最早的镀锌管扳式、 全铜管板、全铝翼管板到铜铝复合式等；表面吸收涂层从最早的无光黑漆，发展 到了各种选择性吸收涂层，如阳极氧化、镀黑镍、镀黑铬等：透明盖板从普通平 板玻璃发展到钢化玻璃。集热器性能也随之不断提高。 平板式集热器的最严重缺点就是防冻性差，热管式平板几乎就是朝着其防冻 的方向前进和发展的。热管集热器许多类似的发明就可以说明这一点。 平板式热管集热器开发应用的不多，上面介绍的国外的集热器主要形式有作 为独立供热型和集中供热型热管式。独立供热型与普通的独立的真空管集热器差 不多，将热管的蒸发段作为集热器，冷凝段插入水箱，由于重力热管的单向传热 特性，其防止夜间倒流起了很好的效果。根据以前的报道，效果不是很好，式样 重力回踌热蕾式太阳橐热鼍的理论研究 不多见。 图1 3 是集中供热热管式太阳能集热器系统。它在原有的铜铝复合板的基础 上，以热管取代普通平板集热器中的排管选用特殊配方的防冻工质。热管的蒸发 器端设有肋片，肋片上涂有选择性吸收涂料，以吸收更多的太阳辐射能。将蒸发 器设计成平面排管型式置于平板集热器的平板中，同时采用大面积冷凝段。如图， 几片集热器联合组成一个集热系统，热管均采用重力式热管。其特点是采用两级 热管结构，集热板吸收热量后经第一级热管传入中间的大直径的管子，该管中充 有工质，然后第二级热管从中间的管子吸收热量传入水箱。这样，当一片集热器 或一根热管发生泄露时，不会导致整个集热系统的失效，解决了真空管一支损坏 而导致整个集热器无法使用的弊端。 1 3 3 热管在太阳能真空管集热器中的应用 按真空封装的不同，太阳能真空集热管可以分为全玻璃真空集热管和玻璃一 金属真空集热管。按真空管内部吸热体集热传热的不同，玻璃一金属真空集热管 有许多结构型式“”1 ，热管式真空集热管是其中的一种。全玻璃真空管集热器是 美国欧文斯一伊利诺依( o w e n s - - i l l i n o i s ) 公司发明并于1 9 7 5 年率先推向市场 的。我国清华大学于1 9 7 9 年初开始研制全玻璃真空管太阳集热器，并有自己 的产品。 热管式真空管集热器则建立在真空管集热器原有技术基础上发展起来的技 术。我国目前产品主要有三种，一种是将带平板翼片的热管封装在单层玻璃的真 空管内，如北京太阳能研究所研制的热管式真空管，采用抗冻的铜一水热管作为 高效的传热元件，玻璃一金属之间的封接采用先进的热压封技术：铜铝复合太阳 条用作吸热板，其表面磁控溅射铝一氮一氧选择性吸收涂层；玻璃管采用高强度的 硼硅玻璃，抗雹能力强。另一种将带圆筒形翼的热管插入在全玻璃真空集热管内， 翼片紧贴真空管内表面，热管通过内玻璃管与翼片或管内热空气与翼片之间进行 换热，还有一种也是将热管插入在全玻璃真空集热管内，用连接套管密封连接， 在全玻璃真空集热管内腔与热管外壁之间注有高沸点的液态传热介质。 由于热管真空管内工作介质与被加热的供使用的水不相通，因而可耐冻、承 压大、启动快、保温好、耐冷热冲击、运行安全可靠、易于安装维修等许多特点， 云南师范大学硕士研究生学位论文 适用于太阳能热水系统和各种其它太阳能热利用系统。 热管式真空管集热器的缺点是玻璃一金属封接技术要求高，对全玻璃真空管 中热管式真空管集热器的缺点是由于热量转换带来一定的热效率降低，同时有双 真空结构所带来的结构复杂和造价过高等问题以及所带来的装置的可靠性和寿 命等问题。目前无论国内还是国际太阳能行业所用热管还有待改进。如果在制作 和检验技术上能够更迸一步，它将是一种非常有前途的集热器形式。 1 3 4 热管在太阳能集热器中的应用总结 奚阳对平板式太阳能热管集热器的冬季运行和热量传递进行了实验和分析 研究“，给出了该集热器的冬季运行性能参数，证实了平板式太阳能热管集热器 完全能够在严寒条件下正常运行，并且具有高抗冻性能和低生产成本。江晴介绍 了一种新型平板式热管太阳能集热器的设计”，并作出了评价。其性能优于现有 的铜铝复合板和热管式平板集热器，具有很好的实用价值和市场竞争力。陈希章 等人1 也做了相应的优势报道。 热管集热器用于太阳热水器具有以下优点： 防冻能力强。热管集热器采用工质的相变传热，液体工质不充满整个管 予，遇冻时有一定的膨胀空间，加之可以采用防冻工质的热管制作集热器，与防 冻能力差的普通平板集热器相比，其抗冻能力尤为突出。热管还可以与真空管结 合成热管式真空管集热器，可适合于高寒地区。 启动快，传热性能好。热管内工质少，启动快，这样在天气阴晴多变仍 然能够产生热水。由于热管还具有单向传热的热二极管性能，不仅传热性能好， 而且可以防止夜间和阴天的热量倒流。 可以避免管内的腐蚀和结垢。由于可以做到热管的工质与管材、管芯材 料长期相容，因而避免一般管板式平板集热器存在的管内腐蚀和结垢问题。 太阳能集热器一般采用重力热管，不用管芯，相对普通热管成本要低廉 得多。 1 4 本文研究的来源、目的、内容 本文结合我国太阳能热利用的发展趋势和云南师大太阳能研究所太阳能热 重力回路热譬式太阳集热嚣的理论研究 利用研究发展方向，自选课题，将回路热管原理应用于平板集热器中，目的在于 研究和开发新型集热器。本文将提出和初步建立回路型重力热管集热器物理模型 及相应的数学模型，通过模拟计算对其运行特性进行分析研究，为今后新型集热 器的设计与开发提供理论依据。 本文以回路热管式太阳能集热器的研究对象，主要对以下几个方面进行研究 和讨论： 1 ) 通过阅读相关文献，进行分析比较，提出具体的物理模型； 2 ) 对模型进行模拟计算。通过某一典型的气象资料计算出该系统的瞬时效 率，并与平板型太阳热水器进行比较：对影响系统性能的结构参数进行 模拟分析。 3 ) 对计算结果进行总结，得出相关结论。 云南师范大学硕士研究生学位论文 2 1 概述 2 热管集热器的物理模型的设计 重力回路式热管集热器与以重力为动力的分离式热管相一致，目前名称叫法 不一。由于开发得比较晚，目前相关的论文很少。笔者查得的资料显示，曾经有 学者做过类似二次循环换热的两相平板型太阳能热水器。”而我国霍志臣等太阳 能工作者早在1 9 8 7 年就作了相变传热太阳能热水器”，但是他们只是从热力学 原理来评述，采用的是低沸点的工质，热效率比现在国家标准规定的平板太阳热 水器低。 其与两相闭式热虹吸管是不同的，后者常称为重力热管。重力热管用于太刚 能热水器我国很早就有报道”。但是目前称为回路式热管的一般是指毛细泵动力 的常规热管，二者原理相似，只不过液体回流动力不同。 2 1 1 重力回路式热管集热器物理模型 如图2 1 为本文设计的物理模型。其基本参数如下： 吸热面：热管吸热面长度为1 0 0 0 m m ，吸热面积a s = 1 0 0 0 x 8 0 0 m m 2 。 冷凝管 二_ 二_ 1 二_ 二= i l l _ 二_ = _ 二二?液体 回流 保温壁 回液口 图2 1 太阳集热器的物理模型示意图 重力画赂热管式太阳集热嚣的理论研究 该图画出了集热器的主要结构，由于我们工作目的主要是制造集热器，水箱 只是作为测试的需要而制造的，故对其不作严格的要求。并且假定冷凝器与水箱 或联集管充分换热，即冷凝器到水箱里的水换热没有热阻，那么水温与冷凝温度 相等。 当我们制作的集热器加上联集管，将热水输送到大水箱储存，可以进行集中 供热；当加上小水箱可以作为单个用户使用。但是在实验过程为了测量，自行设 计了水箱就进行检测。 本设计中，蒸发段和冷凝段分开配置，由导管将二者连接而成循环回路。太 阳辐射到吸热板被吸收，转化为热能，加热蒸发段的工质，工质汽化，沿导管将 热能传到冷凝段，冷凝放热，将热能传到蓄热水箱，液化的工质依靠重力回流到 蒸发段。 在理论设计时我们将吸热面的蒸发器管道充满水，这样可以把蒸发器的管路 进行理想化处理。本设计采用类似重力热管的原理进行，又可以当成分离式热管 处理。故在本文中称为重力回路式热管。 2 1 2 工质及管壳的设计 表2 1 中列出了常用热管的工作温度范围与典型的工作介质及其相容壳体材 料。其中水可以作为中温热管也可以作为常温热管使用。 考虑到环境问题，氟利昂即将禁用，苯有毒，氨具有较高饱和气压，柯玲、 陈远国等考察了甲醇、乙醇和水三种热管工质的传热，得出水在2 0 。c 6 0 。c 范 围的传热性能优于该区间的优良工质甲醇和乙醇“。因此采用了铜一水热管作为 课题的材料。 热管的缺陷是由于温度过高，容易结垢，结垢以后传热性能降低，为解决这 种问题可以采用工业热管中处理结垢的办法，加热让其自行脱落，即进行空硒。 因此，设计空晒温度可达2 0 0 。c ，铜的许用应力为3 5 2 8 l p a ，此时热管内部的压 强为1 5 5 3 6 6 m p a 。当温度为2 5 0 。c ，铜的许用应力为2 9 4 0 m p a ，此时的压强为 3 9 7 3 5 1 m p a 。 热管壳体壁设计厚度由下式确定 忙赫 犯- i ) 云南师范大学磺士研，e 生学位论文 热管壳体允许的压力值 嘲= 攀 ( 2 - 2 ) 式中 翻为壳体的最大允许压力值，d ，。内径， 一 为许用应力，s 为壁厚。 当热管设计最高温度为2 5 0 c 时，根据数据由公式可以算出达到要求的热管 内径为4 8 m m ，因此查五金手册，通径为5 m m 公称外径为6 m m 的无缝铜水管和气 管的数据符合要求：同时考虑到无缝铜水管和气管( g b t1 8 0 3 3 2 0 0 0 ) ，