新型高效太阳能热水器改造设计

欢迎下载本文档参考使用，如果有疑问或者需要CAD图纸的请联系q1484406321邵阳学院毕业设计（论文）1绪论1.1引言随着工业的迅速发展、人民生活水平的日益提高、建筑能耗的迅猛增长，加之化石燃料的大量消耗，环境问题、能源问题已成为世界各国关注的热点，寻求环境、建筑能源可持续发展的途径己迫在眉睫。同时，伴随着化石燃料的燃烧，大气中的二氧化碳的浓度急剧增长，已经造成了温室效应，由于燃烧化石燃料而产生的氮化物、硫化物形成了酸雨，生态环境逐渐恶化。近年来，改善生态环境的呼声愈来愈高，于是人们目光投向采用新技术，开发永远不枯竭且环保清洁的可再生能源，开发和利用无污染的绿色能源，以促进社会的文明与进步。近年来，太阳能这种绿色环保能源正越来越受到大家的认可，权威专家美国的马奇蒂博士研究分析表明，太阳能对世界一次能源替代的趋势将在本世纪进入一个快速发展阶段，并在 2040 年左右达到 25%的比例，次于核能屈居于第二位，本世纪末将取代核能居于第一位。太阳能热水器是利用太阳能集热器将太阳辐射能转变为热能的一种装置。它广泛应用于宾馆、家庭和机关、医院等提供洗澡、洗衣、餐饮等所需热水(100以下)，同时还可用于空调、干燥、农业种植、水产养殖、海水淡化等领域。太阳能资源丰富、分布广泛，是最具发展潜力的可再生能源。其中，太阳能热水器则是利用太阳能最为广泛的生活电器之一，太阳能热水器也是太阳能成果应用中的一大产业，它为百姓提供环保、安全节能、卫生的新型热水器产品，太阳能热水器就是吸收太阳的辐射热能，加热冷水提供给人们在生活、生产中使用的节能设备。随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突出，太阳能热水器也因其清洁、安全、便利、高效等特点，已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。太阳能热水器以其节能环保、结构简单、便于维护、可靠性高等优点已在全球得到了广泛应用。目前，按集热器类型分，应用广泛的太阳能热水器产品主要为真空管式和平板式两大类。其中，国内市场绝大部分为真空管式，国外以平板式为主导1。尽管真空管式具有真空保温的突出优点，技术成熟，但其主要类型全玻璃管太阳能热水器存在炸管、结垢、不承压、不易建筑一体化等缺陷，其他改进型如玻璃真空热管式存在多次换热效率低,热管加工的玻璃与金属的熔封问题未能彻底解决且成本高等缺点。平板式以其承压、热效率高、免维护、寿命长等优点，并随着对太阳能建筑一体化的要求越来越高而将成为未来太阳能热水器发展趋势2,3。然而，现有普通平板式有诸多问题需要解决4：(1)管内结垢问题。因为常年在集热管道内循环，造成管内结水垢，使集热器的效率明显下降。(2)管内结冰问题。在严寒的冬天，集热管道内的水结成冰，体积胀大，导致管道胀裂。(3)管内空气腐蚀问题。为了防止结冰胀裂管道，通常将水放掉，集热器搁置不用。这时铁质管道，将易造成因空气的腐蚀而锈穿的危险。(4)表面热损大。为提高平板式太阳能热水器性能，国内外学者提出了许多新设想，进行了大量尝试，其中以热管与平板技术的结合为重点。奚阳5采用双层平板玻璃保温，对平板式热管太阳能集热器的冬季运行和热量传递进行了实验和分析研究，证实了平板式热管太阳能集热器完全能够在严冬寒冷条件下正常运行，但集热器逐时平均热效率低于50%，日平均效率为40%左右；其热效率偏低。王世锋等6研究了真空玻璃盖板热管平板式集热器构成的分体式太阳能热水器的性能；研究表明应用真空玻璃和热管技术后集热性能和保温性能都得到了显著的提高，日平均效率为53.7%，但真空玻璃透光率仅为0.75，限制了其性能进一步提升，且所用热管为圆形铜热管，成本相对较高。Bienert7研制了R11-Bond式热管平板集热器并测定了它的热性能; H.M.S.Hussein 7,8,9等人进行了平板式太阳能集热器中的热管优化的研究，对影响热管平板式太阳能集热器瞬时效率的因素进行了分析，实验结果指出，热管之间的距离影响着具有高冷凝端传热系数的吸热板的选择; Wongeechun10等人进行了太阳能热水器热管利用的实验研究，对充有不同工质热管进行了实验，分析了热管的工作情况。S.Rittidech11等人研究了一种新型的振荡式热管集热元件的实际集热性能，研究表明其最高瞬态效率接近60%，但振荡热管启动温度较高，且加工工艺复杂，因此其日平均效率不高且成本较高。E.Azad.12对热管太阳能集热器传热过程进行了系统的理论分析,并通过实测进行了验证,得出了所用热管最佳蒸发与冷凝段比例为8.25,其实测结果表明在日平均环境温度为30左右时，其最高瞬时效率仅62%左右。总体而言，学界对热管与平板式太阳能结合方面在理论和实验上做了比较深入和系统地研究，但在核心集热元件上，集中在圆形铜热管与铝翅片结合上，具体为圆形铜热管在下，其上包裹一吸热铝片，组成铜铝复合板芯。其缺陷为热管为铜质，成本较高；热管与板芯之间焊接加工工艺要求高，难度大，初投资大；且热管之间为铝翅片，其集热效率受翅片效率影响较大。此外，热管插入水箱中，与水接触，易结垢，空晒温度高，易过热，从而引起热管失效，这样热水器性能难以稳定且寿命不长。因此影响了相应热水器的大规模普及和推广。在此背景下，近年来全球太阳能热水器产业增长迅猛，产业规模不断扩大，产品成本持续下降。太阳能热水器以其节能环保、结构简单、便于维护、可靠性高等优点已在全球得到了广泛应用。而现在家用热水器大多数的集热器材料的集热性能和集热效率一般，以及传统的导热元件较低的导热性能直接造成热能的极大浪费。1.2开发利用太阳能的迫切性以及可行性能源是人类社会活动的基础。随着世界经济的飞速发展，对能源的需求迅速增长，而地球上以石油和煤为主的矿物资源正日益枯竭，能源已成为制约世界各国经济发展的瓶颈。同时，随着化石燃料的燃烧，大气中的二氧化碳的浓度急剧增长，造成温室效应，由于燃烧化石燃料产生的氮化物、硫化物造成酸雨，两者使生态环境逐渐恶化。随着人类社会的发展，改善生态环境的呼声愈来愈高，开发和利用无污染的绿色能源，对促进社会的文明与进步，对整个社会的可持续性发展将起着极其重要的作用。目前人类所利用的能源，大都是由太阳能间接或直接转换而来的。除了我们每天能感受到的太阳辐射能之外，海洋中的低温差热能、风力、水力、波浪、生物质能以及目前人类赖以维持生存的常规能源，如煤炭、石油、天然气等，归根到底都是来自于太阳能，由此可见，太阳能对人类的生活具有十分重要的作用。人类对于太阳能的利用并非始于今天，而是自古有之，象房屋的采光、采暖、风能的利用、取火等，但是，人类将太阳能直接用于现代生活，作为新能源有计划、有目的性的开发则是近二、三十年的事情，特别是在70年代的石油危机之后。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的自然再生能源。开发和利用太阳能既不会出现环境污染、也不会造成生态危机，凡是阳光所及之处，就有太阳能可以利用。可以这样说，太阳能以长久性、再生性、无污染等优点备受人们关注。地球上，接受到的太阳能强度为355837J/cm2a，其中98%在波长为0.32.1m范围内，紫外部分(00.38m)约占3%，可见光部分(0.40.7m)约占48%，近红外部分(大于0.7m)约占49%。我国幅员辽阔，纬度适中，年日照时间平均超过2000h，太阳能的资源十分丰富。但是，太阳能稀薄且间歇，受自然条件影响，通常称之为低品位能。因此为人类大规模开发利用带来了技术上的困难。其一，如何将低品位的太阳能转化为高品位的能源(如聚焦的光源)，这是个收集的问题;其二，如何解决太阳能本身的间歇，这就涉及到一个储存的问题:其三，如何有效的利用收集到的太阳能，这属于转换的问题。所有这些，不仅意味着要解决一系列技术问题，更重要的是研究采用何种有效的技术途径，以便太阳能利用的经济指标达到可以与常规能源相比拟的程度。这己成为当今太阳能能否广泛推广使用的关键。当今世界常规能源逐渐减少，而人口却逐年增长，科学技术逐渐发展，不久的将来，现有的能源供应系统结构，不可避免地将发生重大变化，可以预见，太阳能将会成为本世纪重要的能量来源。1.3国内外太阳能的利用概况太阳能的开发利用主要有光电转换和光热转换两种形式，比较完善的系统有家庭生活用热水的产生、供暖、制冷、发电、海水的淡化装置等等。人类对于太阳能的利用已有3000多年的历史，进入20世纪后，众多太阳能应用装置的开发，特别是1939年麻省理工第一座太阳能房建成，标明人类大规模开发利用太阳能时代的到来，它主要分成以下几个阶段进行:(1)第一阶段(1930一1965):在这一阶段利对太阳能的研究主要还是集中在太阳能基础理论和吸热涂层材料的研究上面，取得了如太阳能吸收涂层和硅太阳能电池等技术研究上的重大突破，太阳能平板集热器在技术上逐渐成熟:1939年麻省理工建设了第一座太阳能房，从此掀开了太阳能研究利用的序幕，1955年，以色列的泰伯等在第一次太阳能热会议上提出了选择性涂层的基础理论，并研制出实用的黑镍选择性涂层，为高效集热器的发展打下了基础。1954年美国的贝尔实验室研首次制出硅太阳能电池。1960年，美国佛罗里达建成世界上第一座用平板集热器供热的氨一水吸收式空调。1961年，一台由太阳能驱动的斯特林发动机研制成功。(2)第二阶段(1965一1980)这一阶段的前半阶段里，太阳能的研究工作停滞不前，这主要是由于太阳能的利用技术还处于起步阶段，尚不成熟，并且太阳能利用的投资较大，效果也不理想，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、企业、政府的重视和支持。到后半阶段，由于1973年中东战争所引起的石油危机的爆发，使得人们又重新开始审视能源结构的问题，许多国家，特别是一些工业发达国家，重新加强了对太阳能以及其他一些再生能源技术开发的支持，在世界上再次兴起了太阳能开发的新高潮，1973年美国制定了政府级阳光发电计划，并且成立了太阳能发展银行，促进了太阳能产品的商业化，到80年代初，美国就已经年产12万m2的太阳能集热器的能力了，美国有太阳能热水器将近80万套，有200多家专门生产太阳能装置的企业，他们不光用太阳能制取热水，还利用集热器产生的高温蒸汽进行发电。日本政府开展了的“新日光计划”，政府采用全部拨款和部分拨款的形式，鼓励家庭使用太阳能热水器、太阳能空调和太阳能发电系统，早在1973年，日本就有太阳能热水器250万套，家庭用的太阳能发电系统的普及率为5%，每年兼有大量的太阳能空调入户。以色列有近三分之一的住宅由太阳能供热水。欧洲大约有25万栋房子安装了太阳能热水器。(3)第三阶段(1980一至今)在这一阶段里，太阳能的开发利用取得了长足的进步，实现了太阳能发电的商业化。如美国投资6-7亿美元，兴建4座功率分别为6.6万千瓦、4.1万千瓦、3.8万千瓦和3万千瓦的太阳能发电站。前苏联已建成了0.5万千瓦和1万千瓦的两座太阳能发电站。另外像丹麦有10多家企业主动生产太阳能加热装置，其中MARSTAL太阳能供热厂为AEROE岛上的1250户居民提供区域供热水。德国有多达100多套的大型太阳能中央供热系统。与上述国家相比，我们国家在太阳能利用上面有一定的差距，当然也取得了不少成绩，90年代初我国就制定了“西藏阳光计划”，投资了近2亿圆在西藏地区建成了太阳灶2.4万台，太阳房3万平方米，太阳温室13万平方米。全国已推广太阳能热水器250万平方米，太阳能干燥器1.32万m2，目前我国是目前世界上最大的太阳能热水器生产国，其产量约为全世界其他国家产量的总和，国内城乡对太阳能热水器的购买正以100万台/年的速度递增。1.4太阳能热水器的发展概况1.4.1“闷晒式”太阳能热水器太阳能热水器经过了几十年的发展，其产品己经从第一代一一“闷晒式”发展到了目前的第四代一一“热管式”，期间太阳能热水器的发展经历了几次大的改进:第一代产品“闷晒式”太阳能热水器是把集热器和储水箱结合为一体的一种结构方式，如图1.1所示，它是由以下几个部分组成:水箱、双层玻璃板、最外层是保温层，其中水箱的最上层选择性透过膜。它的优点是结构简单、安装方便、价格便宜;它的缺点是受气候因素影响较大，阴雨天无法使用、保温能力差、夜间不能抗冻、并且该种太阳能热水器只能置于房顶。图1.1闷晒式太阳能热水器结构图1.4.2“平板式”太阳能热水器图1.2平板式太阳能热水器结构图第二代产品是“平板式”太阳能热水器，之所以称它为平板式是因为它吸收太阳辐射的吸热面积与与透光面积相等，它由集热板、透明盖板、保温层和外壳组成，集热板结构与上面闷晒式相似，但是它有一个优点，如图1.2所示它实现了储水箱与集热器的分离，通过一个盘管换热器加热水箱中的生活用水，实现了从集热板到储水箱的热传递过程，盘管中的水与水箱换热完毕之后，采用水泵强制循环送入集热板中再次加热。由于生活热水不通过集热器，因此提高了传热效率、缩短了出热水的时间，它的缺点是:它的工作温度仅限于100oC以下，在北方的运行时间较短，在霜冻季节必须把平板集热器内部的水放干净，否则就极容易冻裂水管。此外，“平板式”太阳能热水器的管内易结垢，使用几年之后容易引起管路堵塞，情况严重时甚至会发生爆炸。1.4.3“真空管式”太阳能热水器目前我们国家城乡使用比较普遍的是“真空管式”太阳能热水器，单根真空玻璃管结构如图1.3所示，它的结构与热水瓶胆比较相似:外层玻璃管套在内层玻璃管的上方，两层玻璃管之间抽成高真空，内层玻璃管外表面上涂有选择性吸收膜，该种结构有以下两个优点:(l)当太阳光透过外层玻璃管照到选择性吸收涂层时，内层玻璃温度的升高，由于真空层的隔热作用，热量无法通过空气传导耗散，因此内玻璃管的工作温度较平板式和闷晒式有很大的提高，从而提高热水器集热器的加热温度，继而提高热水器的出水温度;(2)保温防冻作用:在夜间，储水箱内的热量不会因为集热管的放热而造成热量耗散，有效地防止了冬天“冻管”现象的发生。图1.3真空集热管图 “真空管式”太阳能热水器的整体结构1.4所示:储水箱内的热水循环依靠热虹吸原理，无需外部动力，因此工作稳定，由于真空管的独特结构所以它的供水不受天气影响，工作温度高、抗冻，并且真空管底部还置有一层漫反射板，提高了太阳能的反射利用率。缺点:使用热水时，无法将真空管中的热水取尽，造成了部分热能的浪费;此外，由于储水箱内的热水传热循环依靠热虹吸原理，长期运行必然会在真空管内层玻璃管上结垢，另外该种热水器的抗冲击能力较差，单根真空管损坏后，就会造成系统整体失效。图1.4真空管式太阳能热水器示意图由于以上几种形式的太阳能热水器存在这样或者那样的缺点，因此国内的太阳能热水器生产厂家纷纷提出了开发第四代太阳能热水器一一热管式太阳能热水器的要求，希望利用热管的高导热性、启动快、优良的等温性等优点，改进太阳能热水器。1.5平板式太阳能热水器的组成及工作原理图1.5典型太阳能热水器装置简图1-集热器 2-下降水管 3-循环水管 4-补给水箱 5-上升水管 6-自来水管7-热水出水管图1.6平板式太阳能热水器原理图热水器主要由集热器、循环管道和水箱等组成，图1.5中为典型的太阳能热水器装置图。图中集热器1按最佳倾角放置，下降水管2的一端与循环水箱3的下部相连，另一端与集热器1的下集管接通。上升水管5与循环水箱3上部相连，另一端与集热器1的上集管相接。补给水箱4供给循环水箱3所需的冷水。 当集热器吸收太阳辐射后，集热器内温度上升，水温也随之升高。水温升高后，水的比重减轻，便经上升水管进入循环水箱上部。而循环水箱下部的冷水比重较大，就由水箱下流到集热器下方，在集热器内受热后又上升。这样不断对流循环，水温逐渐提高，直到集热器吸收的热量与散失的热量相平衡时，水温不再升高。这种热水利用循环加热的原理，因此又称循环热水器。集热器是一种利用温室效应，将太阳能辐射转换为热能的装置，该装置与一般热水交换器不一样，热交换器通常只是液体到液体，或是液体到气体的热交换过程。在太阳能的热利用中，关键是将太阳的辐射能转换为热能。由于太阳能比较分散，必须设法把它集中起来，所以，太阳能集热器是各种利用太阳能装置的关键部分。平板型太阳能集热器主要有集热板（即吸热板）、透明盖板、隔热层和外壳等几部分组成。当平板太阳能集热器工作时，太阳辐射穿过透明盖板后，投射在集热板上，被集热板吸收并转化成热能，然后传递给吸热板内的传热工质，使传热工质的温度升高，作为集热器的有用能量输出。平板太阳能集热器是太阳能集热器中一种最基本的类型，其结构简单、运行可靠、成本适宜，还具有承压能力强、吸热面积大等特点，是太阳能与建筑结合最佳选择的集热器类型之一。1.6所选课题的来源、内容、目的意义1.6.1所选课题的来源本课题根据邵阳学院课程设计（论文）管理办法，由毕业指导老师提供，学生自主选择，旨在对太阳能热水器的核心导热元件和集热板进行改造设计并提出一种新型高效太阳能热水器的可行改造设计方案。1.6.2内容和目的意义本课题包括以下几个部分内容:研究分析核心导热元件太阳能热管的传热性能和传统导热元件的导热效率的分析比较；集热器中集热板的金属犁削成形工艺处理并与传统的集热板材料的集热效率分析；最后提出设计出来的一种新型高效太阳能热水器。鉴于我国处于北半球欧亚大陆的东部，幅员辽阔，全国有 90%以上的地区处于太阳能资源丰富区，年辐射总量大于 50000MJ/m2，除四川盆地和毗邻地区外，绝大部分地区的太阳能资源相当或超过国外同纬度地区的太阳能资源，特别是青藏高原中南部太阳能资源尤为丰富，具有良好的开发条件和应用价值。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，人们对生活热水的需求将日益迫切，但是以目前我国燃气和电力供应的实际条件而言，普遍采用燃气热水器和电热水器提供热水是不现实的，尤其对于占全国人口三分之二以上的广大农村更不现实，而太阳能不分东西南北，也不管城市乡村，处处都有，广泛采用太阳能热水器是解决我国城乡生活热水供应的一条切实可行的途径。随着环保要求的日益提高和常规矿物燃料消耗的限制，太阳能热水器必将在工农业生产中逐步得到应用，太阳能热水器的发展前景极其广阔。因此，结合我国的国情，合理开发和利用太阳能，研制新型高效的太阳能热水器具有重大的现实意义，本设计在这方面进行有益的探索。本设计通过将平板式太阳能热水器集热板的犁削成形工艺处理，做槽式改造设计后，使热量传导效率和单位面积集热板的集热效率大幅提升和传统导热元件的替换成具有很高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、热流方向的可逆性、热二极管与热开关性能、恒温特性和环境的适应性等特性的热管，改造设计出的一种新型高效太阳能热水器，是针对太阳能资源的特点和已使用的平板式太阳能热水器的不足, 研制开发的一种通过增大集热面积和导热效率，来提升太阳能热水器的热利用效率的一种新型高效并且结合热管的平板式太阳能热水器。2新型高效太阳能热水器总体设计方案分析2.1国内外现状及面临的问题平板型太阳能集热器是历史上最早出现的太阳能集热装置。尽管它早在17世纪后期已被发明，但直至1960年以后它才真正被深入研究并进入实际应用。传统的平板集热器基材基本上使用铜材。主要是因为铜的导热性好，但是铜材的成本高，为降低成本，越来越多的厂家逐渐用铝材替代铜材目前市场上约有40%的平板集热器使用铝材，很多人认为铝代铜可能会降低平板集热器的热效率，但是事实并非如此，管板式集热器的铜管是超声波焊接在涂覆有选择性涂层的铜翅片的吸热班上，热量通过吸热板与铜管的焊接传递进入管里的液体，由于接触面积有限，所以热效率并不高。但在09年初研制的一种新型集热器把吸热板全部使用铝材，两种铝板通过热合技术融在一起，再用高压空气将铝板中间吹涨为圆形孔，形成流道在于铜管结合，不仅增大传热的面积，而且没有焊接点质量更保证，目前市场上的平板集热器主要是管板式，由于热效率低，使用平板太阳能热水器的在推广上受阻，真空管集热器成为市场的主流，但是高层建筑安装真空管集热器受限，且玻璃管安全性能不高，使得平板太阳能热水器再次受阻。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。但为了提高效率，降低成本，为了满足特定的使用要求，人们必须继续研究开发新型的热性能优异的平板集热器。 根据传热工质种类的不同，平板型太阳能集热器可分为空气集热器和液体集热器两大类。目前大量使用的是液体集热器；根据吸热板芯使用材料的不同，平板集热器可分为钢板铁管、全铜、全铝、铜铝复合、不锈钢、塑料及其它非金属集热器等；按结构型式的不同可分为管板式、扁盒式、管翅式、热管翅片式、蛇形管式集热器以及带平面反射镜的集热器和逆平板集热器等；按盖板种类可分为单层或多层玻璃、玻璃钢或高分子透明材料、透明隔热材料盖板集热器等。目前，国内外普遍使用的平板集热器是全铜集热器和铜铝复合集热器。铜翅和铜管的结合，国外一般采用高频焊，国内以往采用介质焊。1995年我国也开发成功全铜高频焊集热器。八十年代中期我国从加拿大引进铜铝复合生产线，后经过消化吸收，国内现在已建成十几条铜铝复合生产线。 为了提高对太阳能的吸收，减少集热器的热损失，提高集热器的整体效率，人们对用于太阳能集热器的关键部件-太阳能集热板（俗称板芯），特别是板芯所用的选择性太阳能吸收涂层等展开了持续多年的研究。另外，为了克服普通平板太阳能集热器的缺点，应用热管的平板式太阳能集热器和热水器的研究也已经展开了。为大大的减少系统通过集热器的热损失。这种具有实际应用价值的热管平板集热器对大规模集中供热，特别是实现集热器、热水器与建筑的一体化,提高集热板的集热效率和导热元件的导热效率等都是非常有意义的。2.2影响热利用效率因素分析热水器的效率评定:平板热水器的效率公式为： = qc / I （2.1）其中，qc为热水器的集热量(大卡/米2.小时); I为入射到热水器的总辐射量(大卡/米2.小时)。根据平板热水器的能量平衡方程求得： qc : qc= I - ql - qs （2.2）其中，ql为热水器向四周的散热(大卡/米2 .小时); qs为热水器内总的蓄热量（大卡/米2 .小时）; 为热水器透明体的透过率；为集热极的吸收率。ql可由下式给出： ql = ( KO +Ku+ KR)( T2 - T1) （2.3）其中，KO 为热水器向上的热损系数；KU 为热水器向下的热损系数；KR 为热水器向四周的热损系数；T2 为热水器温度；T1 为环境温度。根据太阳能热水器的组成、工作原理及平板式太阳能热水器的效率评定公式，我们可知影响太阳能热水器热利用效率的因素包括：太阳能集热器的面积及其热效率、当地的太阳辐射量、导热元件的导热能力、太阳能热水器表面的太阳光辐射的吸收率和辐射系数, 太阳能热水器的水进口温度,和流量，太阳辐射能力 , 环境大气温度 , 大气辐射系数以及太阳能热水器内部的总传热系数。其中太阳能集热器的面积及其集热效率、导热元件的导热能力当、地的太阳辐射量、以及导热液的好坏等对太阳能热水器系统的热利用效率影响最大。对其他条件相同的同一太阳能热水器而言，当集热器的集热效率相同时，集热面积的大小，将直接影响太阳能热水器的热利用效率。当总的集热量一定时，导热元件的导热能力也极大程度上决定了太阳能热水器的热利用效率。2.3总体方案设计本设计以平板式太阳能热水器为例，为了提高对太阳能的吸收率，增加太阳能的热利用效率，减少集热器和系统通过导热元件导热管的热损失，提高集热器的整体效率。针对新型高效太阳能热水器的改造设计，提出对用于太阳能集热器的关键部件-太阳能热水器集热板和导热元件的改造设计方案。一般平板式太阳能热水器的集热板为铜板，导热元件为铜管。现对集热板采用金属犁削成形工艺处理并用热管代替铜管作为导热元件。最后，与原集热器进行比较分析。图2.1为未犁削成形的集热板图其中:未经金属犁削成形处理的+集热板的集热面积：AcLW （如2.1图）导热元件热损失：管道单位长度热损失qL的计算式为： (2.4)式中：qL-管道单位长度热损失，W/m2-管道绝热材料热导率，W/(mK)d1-管道绝热层外直径，md0-管道外直径，m T0-蓄热水箱的外表面温度, KTa -环境温度, KHs-绝热层表面传热系数, W / ( m2 .K )3犁削成形机理3.1金属犁削成形研究现状由上可知，金属犁削成形工艺是一种既有挤压作用又有犁削特点的一种特殊金属成形工艺。目前，国内外研究犁削成形的文献不多。国外学者的研究内容集中在微观金属摩擦磨损方面研究。在定量计算二体磨料磨损时，文献13认为金属的二体磨料磨损主要以微观切削磨损为主，假设塑变磨损可以忽略，而由微观切削机理建立的磨损量计算模型大多未考虑犁沟脊（相当于本文中翅结构）的影响。假设切削损耗材料形成磨屑体积占犁沟总体积比为fab,有些采用扫描电子显微镜在原位观察圆形磨粒划过金属材料的过程中，发现在不同的压入深度下，磨损方式从犁沟模式(fab=0)逐步向楔形模式（0fab0.4mm）。工作时，将集热板（铜板）安装在固定机架上并用夹具周向夹紧以防止在力的作用下活动影响加工，安装刀具后，根据加工要求开始加工，拟定加工槽的犁削深度为H为（0.10.4mm），挤压角为（1525）。刀具上的切削刃在铜板表面犁削出微沟槽毛细结构。犁削成形初始阶段，刀具前端部分逐渐进入金属铜板表面，当刀具接触到铜板表面时，由于刀具是负前角，前刀面对其前面金属产生挤压应力，使金属发生塑性变形并向两侧扩张，如图3.11(a)所示，随着刀具的进一步运动，刀具的齿顶部分完全参与挤压过程，使得两端金属不断沿两侧隆起，进而形成两侧具有连续翅结构的微沟槽，如图3.11(b)所示。成形过程并不产生切屑。 图3.11微沟槽成形过程22 图3.6 金属材料表面微沟槽犁削成形过程多齿刀具中的每个单齿单元的前刀面均为圆锥面，可近似看成许多个连续的、微小平面单元组成，每一个平面单元都沿自己的法向参与金属犁削塑性变形，同时，对于任一平面单元的犁削过程，都可看成刀具不同位置在不同犁削深度下的组合。犁削成形初始阶段，刀具前端导向部分逐渐进入管内壁，当刀具接触到集热板表面时，开始犁削金属表面，随着刀具的进一步运动，直至刀具的齿顶部分完全参与犁削成形过程，进而形成两侧具有连续翅结构的微沟槽，如图3.12所示。由于每个平面单元的法向矢量逐渐指向微沟槽两侧，因此每个平面单元都渐进式地将金属沿两侧挤压，并且，在前刀面的前部，堆积的金属非常之少，因而不会产生切屑。 图3.12刀具前端金属的挤压变形22 图通过实验研究发现：在犁削过程中，多维复合整体翅片犁切-挤压成形工艺可分为四个阶段即切入、挤压、成翅和修整，这四个阶段分别连续、同时存在，犁削工艺能一次成形多维复杂翅结构功能表面，无切屑，材料利用率高；翅片成形过程中犁切的金属发生塑性变形变成一次翅片，而由于刀具的挤压和摩擦作用一次翅片顶部发生延性撕裂而形成复合翅片，最终形成由犁切槽、一次翅片、复合翅片组成的，具有表面宏观结构、表面亚结构和表面微结构的多维翅结构功能表面； 如果沟槽表面有类似切削过程中产生的鳞刺、犁沟等多茸状亚结构，将极大地提高沟槽的毛细压力。而且，多茸状亚结构具有促进核态沸腾和冷凝作用；粗糙的表面使得表面积大幅提高，增加了太阳光的接受太阳光的辐射面积，从而增大了集热板的集热面积。3.7犁削后集热板集热面积计算平板集热器的吸热体面积 计算：由金属犁削成形加工的特点可知，加工的微沟槽形状为三角形或者梯形22，又加工出梯形槽比较困难。此处均按三角形如图（3.13）计算集热面积，加工过程中不规则变形22对集热面积计算均按规则形状计算。图3.13集热板犁削成形后微沟槽简图 根据图形，计算出L与D的关系： (3.1) (3.2)由(3.1)/(3.2)可知： (3.3)其中：D为加工槽的宽度；L为斜边长度；H为加工槽的深度；为加工槽所成角度。由（3.3）中加工槽所成角度范围为1525之间，经计算可知：（3.3）两者比的范围约为4.6207.661。所以，经犁削工艺形成的微沟槽， 可以使集热板的集热面积几十倍甚至几百的增加，远大于犁削成