R1熱管真空管型集熱器

■ 李開春 韓剛 馮偉杰 劉朝武

一 引言

熱管真空管型集熱器是繼悶曬式、平板式、真空管式集熱器之后第四代太陽能集熱器類型。

如圖1所示，熱管真空管集熱器將全玻璃真空管吸收的太陽能熱量傳導(dǎo)給熱管蒸發(fā)段，再利用熱管內(nèi)部真空狀態(tài)下工質(zhì)的蒸發(fā)吸熱和冷凝放熱，將這一熱量傳遞到被加熱流體中。這樣實現(xiàn)了玻璃管不直接接觸被加熱流體，既解決了全玻璃真空管集熱器由于管內(nèi)儲水而熱容偏大的缺點，又保留了在低溫環(huán)境中散熱少，加熱工質(zhì)溫度高的優(yōu)點。尤其是熱管工質(zhì)一般凝固點低，可保證在氣溫低于0 ℃的環(huán)境中不凍壞。在不能進行排空防凍的自然循環(huán)系統(tǒng)中，熱管真空管式集熱器更具明顯優(yōu)勢。

日出東方太陽能股份有限公司2007年設(shè)計并送檢的R1型熱管真空管集熱器(如圖 2 所示)至今仍保持著歐盟Solar Keymark認證性能檢測的截距效率最高記錄。

圖2 R1集熱器Solar Keymark檢測時的實景照片

二 R1熱管真空管集熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 為R1熱管真空管集熱器分解圖示：R1熱管真空管集熱器采用φ58×1800全玻璃真空集熱管，外管透射比大于0.91，高效選擇性吸收涂層吸收比大于0.94，發(fā)射比小于0.07，內(nèi)管通過1500mm長、0.2mm厚的鋁翼與φ24×90-8×1800變徑重力熱管緊密貼合。

所選用的熱管內(nèi)部保持10-3Pa真空度，有效使用年限超過15年；在40℃溫差條件下，傳熱熱流量可達200W以上，遠超國家標準GB-T 24767-2009《太陽能重力熱管》規(guī)定的120W性能要求。

圖3 熱管真空管集熱器分解圖

聯(lián)箱采用巖棉和聚氨酯雙重保溫，導(dǎo)熱率低于0.03～0.047W/(m·℃)，保溫層厚度達到40mm。連接管為內(nèi)徑Φ 34mm銅流道，與熱管冷凝端通過支管連接，中間采用導(dǎo)熱硅脂降低接觸熱阻，換熱采用冷流體順序橫掠冷凝端的設(shè)計。孔間距78mm，管數(shù)有10、12、14、15、18、20、24、25、28、30等全系列規(guī)格。

三 R1熱管真空管集熱器熱性能分析

經(jīng)過德國Fraunhofer ISE太陽能檢測中心檢測，R1熱管真空管集熱器截距效率達0.734（相較采光面積計算）（如圖4所示），有效得熱量15.6kJ/(K·m2)，集熱器管道內(nèi)空曬溫度達200.3℃。

諸多優(yōu)良性能得益于熱管集熱器在吸熱、傳熱、隔熱方面的逐項強化。

1 吸熱方面

高透射比的硼硅3.3玻璃，雙側(cè)鍍減反增透膜，保證太陽光高效攝入R1集熱器系統(tǒng)內(nèi)部；高吸收低發(fā)射的選擇性吸收涂層高效的將光能轉(zhuǎn)化為熱能傳入真空管內(nèi)。

2 傳熱方面

引入熱管這種高效的傳熱元件，熱導(dǎo)率可達105W/(m·℃)數(shù)量級，是金、銀等純金屬的千百倍，通過相變傳熱，將真空管內(nèi)蒸發(fā)段吸收的熱量傳遞到冷凝端。

而在聯(lián)箱側(cè)，獨特的主流道設(shè)計，冷流體在有限空間內(nèi)順序橫掠冷凝端，流體在管間的流動截面時大時小，引起流體交替的加速和減速，管間距的大小影響流體流動截面的變化程度和流體加速減速的程度。入口第二支冷凝端處在前排管子尾流渦旋的作用下，對流換熱系數(shù)得到強化；第三支受前兩支冷凝端尾流的共同作用，擾動更為強烈，依次演變至后面的冷凝端。

隨著流道的延長，繞流強度存在一定衰減，甚至發(fā)生抑制換熱現(xiàn)象，存在一個最優(yōu)的管間距設(shè)計值。R1熱管真空管集熱器根據(jù)自身的流道結(jié)構(gòu)和使用條件，立足試驗和仿真結(jié)果，選擇78mm的管間距，使得總的強化效果最優(yōu)而又不引起過大的壓力降損失。

3 隔熱方面

R1熱管真空集熱器深得“保熱墻”理念精髓，全玻璃真空集熱管的中真空夾層極大的抑制了導(dǎo)熱和對流的作用，使得熱量只能向管內(nèi)傳遞；熱管的熱二極管特性，使得熱量只能從真空管內(nèi)的蒸發(fā)段傳熱向聯(lián)箱內(nèi)的冷凝端傳遞；而聯(lián)箱內(nèi)40mm厚的低熱導(dǎo)率隔熱材料，使得熱量大部分被流體帶著。經(jīng)過三級隔熱措施，得以以85%的總效率將光能轉(zhuǎn)化為熱能供生產(chǎn)生活用水。

四 結(jié)論

本文介紹了R1熱管真空管集熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)計細節(jié)，從吸熱、傳熱、隔熱3個角度重點分析了R1熱管真空管集熱器的強化技術(shù)，對集熱器的設(shè)計開發(fā)提供了借鑒實例和開發(fā)方向。

對于R1集熱器的結(jié)構(gòu)運行參數(shù)情況，78mm管間距為強化傳熱的最優(yōu)值。