热管真空管集热器及太阳能热水系统.pdf

68 1热管真空管 太阳能热水器所用的热管一般为重力热管 蒸发段在热管的下部 冷凝段在上部 内部没有 吸液芯 平衡时 热管中的液态工质处于饱和状 态 工质气体为饱和气体 太阳辐射透过真空管 照射在吸热翼片或传热介质上 蒸发段被加热 液态工质接收管壁传输的热量而温度升高 当工 质的温度高于饱和温度时 工质被气化 压力也 随之增大 气化产生的蒸气向压力较低的冷凝段 流动 冷凝段受管外介质冷却 温度不变 当蒸气 压力大于饱和压力时 蒸气凝结为液体 放出气 化潜热 凝结液依靠自身重力从冷凝段流回蒸发 段 利用热管工质循环往复的气液相变 连续不 断地把热能传递给水 目前 热管真空管有3种结构形式 图1 热管真空管集热器及太阳能热水系统 严军 1 2 1 青海大学 机械系 青海 西宁810016 2 斯图加特大学 热能工程所 德国 斯图加特70550 摘要 热管真空管集热器是继闷晒式 平板式 全玻璃真空管集热器后的第四代太阳能集热产品 在太阳能 领域得到了广泛的应用 分析了热管真空管的原理 结构及传热特性 以国外产品为例 论述了热管真空管集热 器的特点及工作性能 对直流式热管真空管热水系统和典型的间接式供热供暖及泳池热水系统进行了分析 关键词 热管 热管真空管集热器 太阳能热水系统 中图分类号 TK515文献标志码 B文章编号 1671 5292 2008 05 0068 04 Application of evacuated tube heat pipe solar collector and solar water heating systems YAN Jun1 2 1 Department of Mechanical Engineering Qinghai University Xining 810016 China 2 Institute of Thermodynam ics and Thermal Engineering University of Stuttgart Stuttgart 70550 Germany 收稿日期 2008 02 10 作者简介 严军 1971 男 副教授 主要从事太阳能利用技术的研究工作 E mail Yanjun 634 Abstract As the fourth generation solar collector after the integral collector the flat plate col lector and the evacuated tube collector evacuated tube heat pipe solar collector has been applied in many solar industrial fields Principle structure and heat transfer of heat pipe solar collector are described in this paper Furthermore operating performance characters and three typical evac uated tube heat pipe solar water heating systems are also analyzed with a foreign solar energy product as example analysis also ahs been carried out on the application and the extension of the different systems Key words heat pipe evacuated tube heat pipe solar collector solar water heating system 图13种真空管集热元件 Fig 1 Three types of evacuated tube heat pipe fins 热管 平板 翼片 真空 热管热管 圆筒形 翼片 真空 夹层 真空 夹层 传热 介质 可再生能源 Renewable Energy Resources 第26卷 第5期 2008年10月 Vol 26 No 5 Oct 2008 69 第一种采用热压封接技术将带有平板翼片 的 具有抗冻性能的铜 水热管封装在单层真空 管内 第二种将带有圆筒形翼片的热管封装在全 玻璃真空管内 通过管内热空气向紧贴内管表面 的翼片传热 第三种将热管封装在全玻璃真空管 内 真空管内腔和热管外壁之间注入高沸点液态 传热介质 1 2热管真空管集热器 图2所示为热管真空管集热器 与闷晒型 平板型和全玻璃真空管集热器相 比 热管真空管集热器具有下列特性 热管通过与冷凝段刚性连接的导热块 套 管 将热量传递给联集管内的水 热管内液态工质 与联集管内的水不相通 故抗冻性强 适合高寒地 区使用 启动快 在多云间晴的低辐射天气仍能 产生热水 热管具有单向传热的二极管性能 集 热管不工作时与储热水箱绝热 可以防止在夜间 和阴天时热量倒流 可靠性强 即使单根热管损 坏 也不会导致整个集热系统失效 承压性能 好 抗腐蚀 不易结垢 由于集热元件的限制 热管集热器也存在一 定的不足 单层真空管的连接形式对玻璃 金 属的封接技术要求较高 全玻璃真空管内插入 热管 会因能量的多次转换而影响热效率 热管 和真空管为双真空复杂结构 且造价较高 下面以国外某公司生产的热管真空管集热 器为例 说明热管真空管集热器各部件的性能要 求 2 热管真空管集热器性能参数 热管真空管的 外径为47 mm 长度为1 500 mm 集热器总面积 为2 25 m2 吸热体面积为2 20 m2 集热器外型尺 寸1 760 mm 1 500 mm 130 mm 保温箱截面尺 寸130 mm 140 mm 集热器重量55 kg 容水量1 5 L 最高温度190 空晒温度247 2 1真空管 真空管采用符合ISO 3585标准的硼硅玻璃 管材料和真空密封技术制成 蒸散型钡吸气剂保 持真空夹层内的气体压强低于10 3Pa 高于国家 标准 GB T 17049 规定的全玻璃真空太阳集热管 真空夹层内气体压强p 5 10 2Pa的要求 3 2 2热管 热管采用无毒有机物 非丙酮 作为传热介 质 铜管内3层抗氧化腐蚀涂层能保证热管的长 效性 其使用寿命超过11万h 功率容量为27 2 MW m2 热管启动温度低于35 高真空度 4 10 6Pa 使工质的气化温度降低到25 30 曲型 翼片比平板翼片的热性能提高了5 图3 2 3联集管 采用铜磷焊接材料将联集管 28 mm 配管 22 mm 和导热套管焊接而成 各铜管壁厚均为 1 mm 联集管外侧采用 50 mm岩棉保温 联集管 内最大试验压力1 000 kPa 允许工作压力600 kPa 联集管容水量低于1 5 L 即使在低辐射天气 也可被迅速加热 装配时 先将保护皮帽穿入导热套管根部 冷 凝段涂硅脂材料后紧插入套管 外侧用保护皮帽 填充绝缘 并用螺钉夹具箍紧 保证与联集套管之 间良好的传热效果 2 4集热器绝热 采用耐高温 环境友好型岩棉作为保温材料 保温材料预先压块成型 每块长73 cm 20根管的 集热器配置成型块4个 30根管的集热器配置成 型块6个 2 5控制器 集热器安装了RESOL B1型温度控制器 当 集热器水温高于储热罐水温时 或者在寒冷天气 对集热器作防冻保护时 控制器可以自动启动循 图2热管真空管集热器及部件 Fig 2 Evacuated tube heat pipe solar collector and its components 保温箱 热管 隔热体 吸热翼片 真空管 反射板 尾架 图3热管真空管集热器曲型翼片 Fig 3 Curved copper fins of evacuated tube heat pipe solar collector 严军热管真空管集热器及太阳能热水系统 70 可再生能源 2008 26 5 环泵向热水储罐输送热量或逆向循环进行防冻 保护 3热管真空管太阳能热水系统 在实际工程应用中 真空热管集热器可根据 气候条件 系统用途和用户要求 组成不同的热水 系统 为了储存集热器所排放的热水 直流式热水 系统设置储热罐 并采用温控器控制 间接式热水 系统配备膨胀箱 正常使用压力不超过0 586 MPa 和减压阀 对集热系统进行过压保护 3 尽管 真空管和热管具有防冻功能 但在环境温度较低 时 联集管及配管会被冻坏 须做防冻保护 在实 际工程中 可采用排空法防冻 也可采用具有防冻 定温循环功能的温控系统进行定温强迫循环防 冻 在间接封闭式热水系统中 也可添加乙二醇等 防冻剂作防冻保护 同时 应为循环泵配备直流电 源 以防备突然停电 3 1太阳能中央热水系统 太阳能中央热水系统是大面积太阳集热系 统 主要用于综合场馆和游泳池加热等 设计时 须综合考虑太阳能集热形式 热量储存 管路防 冻 辅助加热形式以及供热方式等多种因素 典型 的直流式太阳热水系统主要由集热器组 储热罐 恒温水箱 辅助加热设备 控制器 循环泵 管路等 组成 图4 集热器组吸收太阳辐射能转化为热能 集热 管的温度可达到180 左右 4 循环泵将储热罐中 的低温水输入集热器 使被加热的水回到储热罐 如此循环往复 当集热器和储热罐温差大于设定 值时 循环泵工作 当集热器和储热罐温差小于设 定值时 循环泵停止 储热罐向恒温水箱内补充热 水 恒温水箱向用户供热 当太阳能加热达不到储 热罐的设定温度时 也可通过辅助加热锅炉保持 恒温供水 液位控制器和电磁阀1联合控制太阳 能储热罐的水位 电磁阀2和热水循环泵联动 系 统采用排空法防冻 即储热罐安装于系统最低点 系统顶部设排气阀 当循环泵停止运转后 集热系 统中的水全部回流至储热罐 这样既能起到防冻 的作用 也能避免了管内存水造成的热损失 辅助 加热设备可采用 煤 油或气 锅炉 空气源 地源 热泵等 也可采用市政热力 以容积式换热器替代 恒温水箱直接供应恒温热水 从而保证在阴雨天 连续供应热水 3 2太阳能供热供暖系统 该系统为典型的间接式供热供暖系统 除提 供家庭热水供应外 它还可以进行中央供暖 该系 统主要由太阳能集热系统 储热系统 供暖系统和 供热系统组成 图5 太阳能集热系统包括集热器组 膨胀箱 减压 阀 排气阀 循环泵 管路等 储热系统包括储热 罐 辅助热源 液位控制阀 溢流阀等 供暖系统包 括暖气片或地暖设施 辅助燃气加热器 循环泵 管路等 供热系统通过换热器提供洗浴热水 该系统实现了集热 储热 供热 供暖体系的 相对封闭独立 集热系统的流动介质可选用酸性 含氯硬水 以防止集热器结垢 选用添加乙二醇等 防冻剂进行防冻保护 对平板型集热器 全玻璃真 空管集热器更加有效 供热系统提供安全环保的 洗浴热水 可根据季节及用户需求 以燃气加热器 作为辅助热源 调节供暖温度 在实际应用中 可 根据具体情况选择使用燃气加热器 浸没式电热 图4热管真空管太阳能中央热水系统 Fig 4 Evacuated tube heat pipe solar central heating system 温度传感器T2排气阀 集热器组 温控器 温度传感器T1 浮球阀 电磁阀1电磁阀2 自来水 热回水 供热水 电子水处理器 循环泵 储热罐恒温水箱辅助加热锅炉 图5热管真空管太阳能供热供暖系统 Fig 5 Evacuated tube heat pipe solar domestic hot water and integrated heating system 减压阀排气阀集热器组 暖气片 地暖 膨胀箱 循环泵 浸没式电热器 流量计 换热器 储热罐 热泵 太阳能集热系统供热系统供暖系统 燃气加热 71 器和太阳能热泵等辅助加热设备 3 3太阳能游泳池热水系统 太阳能游泳池热水系统结构简单 适用于小 型游泳场馆和家庭泳池 集热器组把太阳辐射能 转换为热能 热水流经储热罐低位螺旋型管路 将 热能储存在储热罐中 储热罐中高位浸没式电加 热线圈作为辅助热源 图6 太阳能集热系统封 闭独立 同样可进行防冻 防垢保护 4结论 热管真空管集热器以其优良的结构性能和安 全可靠的运行模式 正在替代其它类型太阳能集 热器产品 逐渐成为太阳能热水器市场的主流 我 国研制并工业化生产的真空管集热器与国外某些 先进产品相比还存在性能差异和质量不足 文章 所介绍的热管式真空管太阳能集热器及其应用系 统 对于促进我国太阳能集热器更新换代 提高我 国太阳能热水器的质量具有借鉴作用 参考文献 1 文玉良 浦绍选 唐润生 热管在太阳能热利用技术中 的应用 J 可再生能源 2005 2 29 30 2 NAVITRON LTD Solar Evacuated Tube Collectors EB OL http www saloot ie documents solar 20abort 2008 01 10 3 GB T 17049 1997 全玻璃真空太阳集热管 S 4 周晓波 孙伟 热管真空管太阳中央热水系统 J 太阳 能 2005 1 28 29 图6热管真空管太阳能泳池热水系统 Fig 6 Evacuated tube heat pipe solar swimming pool heating system 集热器组 排气阀 单向阀 闸阀 泳池热水 冷水 膨胀阀 减压阀 溢流管 闸阀 循环泵 压力计 双单向阀 排水阀 电热线圈 建 筑 节 能大 有 作 为 建筑节能是指在满足居住舒适性要求的前提下 在 房屋的建造和使用过程中 通过提高能源利用效率 减 少不必要的资源及能源消耗 来达到节约能源的目的 建筑节能包括屋面 墙体 地面 门窗的保温隔热 控制 房屋窗墙比以及通风 空调 照明等设备节能 并应用新 材料 新技术 新工艺 禁止使用实心粘土砖 限制使用 粘土制品 推广应用新型墙体材料 合理有效利用能源 据建设部科技司的分析 在我国400多亿m2的已 有建筑中 城市建筑普遍存在着围护结构的保温隔热 性差 气密性差 供热及空调系统效率低等问题 占我 国城市总建筑面积约60 的住宅建筑中 采暖地区的 城镇住宅面积约有40亿m2 2000年采暖季平均耗标 煤约为25 kg m2 如果在现有基础上实现节能50 则 每年大约可节省0 5亿t标煤 目前全国公共建筑面 积大约为45亿m2左右 其中采用