新型U型管式真空管太阳能集热器研究

童逸杰

(杭州职业技术学院 友嘉机电学院， 浙江 杭州 310018)



新型U型管式真空管太阳能集热器研究

童逸杰

(杭州职业技术学院 友嘉机电学院， 浙江 杭州 310018)

摘要：设计了一种新型U型管式真空管太阳能集热器(NEUSC)，与传统的U型管式真空管太阳能集热器不同的是，该新型集热器(NEUSC)U型管被铜翅片包围，从而达到使其U型管完全处于恒定热流之下。通过计算机理论仿真模拟及实验数据结合的方法对NESCU在不同环境温度与不同天气晴朗度条件下做了详细的分析和研究，并对其环境影响和作用进行了深度分析。对该新型集热器(NEUSC)与传统类型的U型管式真空管太阳能集热器做了性能对比，结果表明：该新型集热器(NEUSC)能够充分收集利用太阳辐射能并为太阳能系统所用，在低耗费的情况下能提供更高的工作效率，并且能够减少环境污染。

关键词：太阳能集热器；热传递；U型管

1引言

太阳能集热器是一种吸收太阳辐射能量并向其内部工质传递热量的装置，它是一种特殊的热交换器。在过去的20多年中，由于现存资源的逐渐短缺，特别是我国在2010年资源短缺已经达到了8 %，在2050年将会增长到24 %, 世界上关于新再生能源的研究已经达到了一个空前的高度，对于新能源的需求也是越来越迫切。太阳能作为取之不尽的新能源可谓首当其冲，因此关于太阳能利用的研究报告也是层出不穷并取得了不菲的成果。 U型管式真空管太阳能集热器是由铜管、吸热体、玻璃管和金属端盖关零部件组成。在经过循环管道，保温水箱以后，便可以利用太阳辐射发热，使水温升高。

近年来学者们提出了众多关于太阳辐射能量的理论与结果。笔者将结合自己的方法与前辈们的结论去评估NEUSC的效率，常规的U型管式真空管太阳能集热器的U型管只有一小部分处于恒定热流之下， 而NEUSC使整个U型管都接受稳定热流，对此在本文中将做比较分析并且给出一个更为直观的结论。

研究表明[1,2]，在发达国家与发展中国家，利用太阳能来加热水生活用水的技术都是一个非常简单也是经济的选择。目前，真空玻璃管已经成为了太阳能集热器里一个核心部分，Georgiev[3]证实了真空玻璃管具有十分低的热损失因此常常被用于住宅设备当中,比如太阳能热水器等等。Tian[4]利用能量守恒理论进行了分析,同时建立了U型管式全玻璃真空管太阳能集热器热效率方程, 并且利用实验与理论数据比较发现结果吻合程度良好。文中还指出涂层的发射比对集热器的热效率影响较大,降低涂层发射比是提高集热器效率的有效途径;采取适当的措施降低吸热管与肋片间的接触热阻后,采用U型管连接方式不会对热利用系统集热器效率造成太大影响。

Tong[5]对于U型管式全玻璃真空管太阳能集热器中的工作介质的热传导性与努赛尔数做出了深入的研究，结合集热器的表现，得出利用纳米液体作为工作介质可以更好的提升集热器的热效率，从而达到更好的经济效应。

2仿真模拟计算

2.1新型U型管式真空管太阳能集热器的仿真计算

在本文中采用一维分析方式来分析单独的一根真空管，它是由双层玻璃真空管和一个吸热管组成，吸热管与双层玻璃中间部分是真空，在吸热管内部楔入了铜制的肋片。玻璃管的长度为1200 mm，外径与内径分别为47 mm与37 mm。U型管被安装在环形铜管之内，整个真空玻璃管的结构图如图1所示。

图1　U型管截面

为了方便模拟计算同时也不会对结果产生影响，本文中采取了一些假设：真空管内部空气对流和传导热损失忽略不计；系统一直处于热平衡状态；真空管玻璃与周围环境传热系数为恒定值；包围U型管的铜圈上热能分布均匀；每个传热过程都被认为是稳定的。

根据能量守恒定律可以推导出，太阳能集热器的有用能应该等于被集热器吸收的太阳辐射减去和周围环境进行热传递损失的能量，如下式所示,

Qu=G-QL

(1)

式中，G是被集热器选择性涂层吸收的太阳辐射，Qu是可被利用的能量，QL为与外界热交换的损失。集热器总的热损系数如式二所示为真空管热损系数与集热管热损系数之和。

UL=Ua+Ue

(2)

真空管热损失Ua则是从集热管与周围环境之间的热损失，可由式3来计算，

(3)

式中hga为玻璃管与周围环境的热传导系数，可参考Tian[4]的研究报告取12.7W/(m2K)，hpg是由吸热管与罩管玻璃管之间热传导系数hpgc和吸热管与玻璃管之间热辐射系数hpgr相加而成，根据先前的学者研究结果[4]可得hpgr为0.2796W/(m2K)，hpgc是关于吸热管表面温度和外层玻璃管的温度的函数，用公式(4)可求得，

(4)

式中σ 是波尔兹曼常数，εp是吸收管吸收表面的发射比，εg是外层玻璃管内表面的发射比，dg是玻璃管的直径。

为了便于分析，U型管和吸热管之间做如下几个假设 ： ①吸热管厚度梯度上的温度梯度忽略不计; ②吸热管与曲面肋板平行，故可以作为平板来分析; ③吸热管沿流向上的温度梯度忽略不计。

在此假设上，在肋片上取单位长度为1,宽度为Δx的微元体，微元体在肋片上的的热能平衡如图2所示，平衡方程如公式5所示。

图2　肋片上热平衡分析

(5)

其中，由于在铜肋片和吸热管之间存在空气间隙， 有效能Qu可以通过公式6计算，

(6)

δab和 δg分别是吸热管和空气间隙的厚度，kab和kg分别是吸热管和空气间隙的导热系数，结合边界条件可以求得温度场的公式(7)。

(7)

集热器每单位长度所获得的热量等于U型管两侧所收集的能量和玻璃管获得能量之和，它同时等于工作液体所吸收的能量:

(8)

公式(8)中，kc为新型集热器包围U型管的铜肋片的导热系数，热阻由于非常小因此可以忽略不计，结合以上方程最后可以推导出有用能的公式如公式(9)所示，其中，F’ 为集热器效率因子，huf是U型管内工作液体与U型管的传热系数。

qu=WF′(G-UL(Tf-Ta))

(9)

(10)

(11)

hw为U型管中工作介质的传热系数，kw为工作介质的导热系数，由于新型U型管式真空管集热器中，U型管可以被假设完全在恒定热流之下，因此可以运用Shah的公式确定努塞尔特数，

Nu=

(12)

(13)

2.2集热器效率计算

对于整个集热器，U型管中的工作介质所吸收的热能可以用公式14来表示，集热器的工作效率则可利用公式15来计算，

(14)

(15)

3模拟仿真结果与实验结果分析

3.1仿真结果与实验结果对比分析

图3显示了实验数据与仿真数据的一个比较，由此可以轻易的发现实验数据和仿真数据有着良好的一致性，误差仅仅约2.8 % ，尤其当归一化温度低的时候误差更小，由实验数据得出的结论可得出拟合曲线Y=-215.5X + 58.5, 确定系数R-square高达 0.92. 造成实验数据与仿真数据有偏差的原因为在仿真计算中，导热系数都被认为为常数，但是实际中它会随着温度的升高而升高，另外，在仿真计算中做的一些假设也会影响到最后与实验结果的比较。

图3　仿真结果与实验结果对比分析

3.2集热器效率与太阳辐照度和环境温度的关系分析

图4明确地给出了太阳能集热器的效率和环境温度以及太阳辐照度之间的关系，此种情况下集热器工作流体的质量流量为0.01kg/s，由图4可见，在集热器入口温度。

图4　环境温度与太阳辐射对集热器效率的影响

控制在313K的时候，太阳能集热器的效率与环境温度呈先递增再减小的趋势。同时，集热器的效率也会随着太阳辐照度的增大而增大，在太阳辐照度低于300W/m2的时候，集热器效率增长迅速，然后随着辐射的增大，增速逐渐变缓，最后趋于稳定。此现象是由于在低太阳辐照度时，热流非常低会导致U型管与工作液体之间相对较低的传热速度。

3.3新型U型管式真空管集热器与传统U型管式真空管集热器的比较分析

如图5所示，将老式(传统型)U型管式真空管集热器与新型U型管式真空管集热器在相同的操控条件下做一个比较，环境温度都为283 K，集热器的工作流体质量流量为0.01 kg/s，集热器入口温度为313 K。由结果可见新型集热器表现明显优与老式集热器，尤其在太阳辐照度小于400 W/m2时尤为明显。比较下，新型集热器效率平均提升大约为3.7 %。

图5　新旧式太阳能集热器效率对比

4结语

新型U型管式真空管集热器的工作效率与太阳辐照度成正比，但是也会随着集热器入口工作流体温度与环境温度之差增加而减小，新型U型管式真空管集热器相比较于老式U型管式真空管集热器工作效率上提升了大约4 %，尤其在太阳辐照度比较弱的情况下尤为明显，可以达到8 %以上，对于阳光不充足的天气或者地区意义更为重要，利用该集热器能够有效地减少二氧化碳与二氧化硫的排放，起到保护环境的作用。

参考文献：

[1]Liu L, Wang Z, Zhang H, et al. Solar energy development in China- a review[J]. Renew Sust Energy Rev, 2010(14):301～311.

[2]Badran AA, Yousef IA, Joudeh NK, Hamad RA, Halawa H, Hassouneh HK, Portable solar cooker and water heater[J]. Energy Conversion and Management, 2010(61):1605～1609.

[3]Georgiev A, Simulation and experimental results of a vacuum solar collector system with storage[J]. Energy Conversion and Management, 2005(46):1423～1442.

[4]Tian Q. Thermal performance of the U-type evacuated glass tubular solar collector[J]. Building Energy & Environment, 2007, 26(3):51.

[5]YJ Tong, JH K, HH C. Effects of thermal performance of enclosed-type evacuated U-tube solar collector with multi-walled carbon nanotube/water nanofluid[J]. Renewable energy, 2015(83):463～473.

收稿日期：2016-04-25

基金项目：杭州职业技术学院校级科研项目(编号:ky201604)

作者简介：童逸杰(1989—)，男，硕士，主要从事新再生能源方面的教学与研究工作。

中图分类号：TK513

文献标识码：A

文章编号：1674-9944(2016)12-0212-03