內(nèi)插式真空管空氣集熱器的熱性能研究

常 偉, 李 明, 王云峰, 羅 熙, 洪永瑞

(1.云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，云南昆明 650500；2.云南師范大學(xué)太陽能研究所，云南昆明 650500)

內(nèi)插式真空管空氣集熱器的熱性能研究

常 偉1, 李 明2*, 王云峰2, 羅 熙2, 洪永瑞1

(1.云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，云南昆明 650500；2.云南師范大學(xué)太陽能研究所，云南昆明 650500)

提出一種高效的內(nèi)插式全玻璃真空管空氣集熱器，其內(nèi)插鋁制導(dǎo)流管以增強(qiáng)換熱，測試了該集熱器在不同條件下的熱性能。結(jié)果表明，集熱器在多云天氣下的平均效率為49.5%，晴朗天氣下平均效率則為63.7%；集熱器瞬時效率隨入口工質(zhì)流量的增加而增大；集熱器縱向放置時的平均效率比橫向放置時高6.3%。整體來說，此內(nèi)插式真空管空氣集熱器的性能良好，有較好的推廣和應(yīng)用前景。

真空管空氣集熱器；熱性能；集熱效率

太陽能集熱器主要分為平板型和真空管型兩種[1-2]，真空管形式的太陽能集熱器，由于其較低的熱損系數(shù)，因而具有良好的集熱性能，勢必會被越來越多地研究和應(yīng)用。目前常用的太陽能集熱器從內(nèi)部工質(zhì)來分主要可以分為太陽能空氣集熱器和太陽能熱水器兩種，而太陽能空氣集熱器不僅在干燥、空調(diào)、采暖、工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，而且與水為工質(zhì)的集熱器相比，空氣集熱器不存在防凍、腐蝕、結(jié)垢等問題，且更具有安全性、簡便性和可行性。真空管應(yīng)用于空氣集熱器以其更高的集熱溫度，必將進(jìn)一步拓展太陽能空氣集熱器的應(yīng)用范圍。內(nèi)插式真空管太陽能空氣集熱器作為優(yōu)化后的空氣集熱器，由于采用了全玻璃真空管作為太陽輻射接收器，且每根真空管內(nèi)插入一根鋁制導(dǎo)管作為氣體導(dǎo)流管，與平板式空氣集熱器相比其吸熱體和外界環(huán)境之間的熱損大大降低，增強(qiáng)換熱，集熱效率較高。針對內(nèi)插式全玻璃真空管太陽能集熱器，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。Window在1983年最早提出內(nèi)插式真空管形式，真空管集熱器采用串聯(lián)的形式，最大溫升達(dá)到35 ℃[3]；2001年王志峰等對外徑37 mm、壁厚1.5 mm、長度1 190 mm的內(nèi)插玻璃管和外徑19 mm、壁厚1 mm、長度可以自由伸縮的銅管組成的真空管空氣集熱器單管進(jìn)行相關(guān)研究，建立了相關(guān)理論模型模擬集熱器內(nèi)部工質(zhì)流動和換熱情況，表明插管長度為1 135 mm時，氣流在真空管底部形成了類似平板射流速度分布，管底換熱情況較好[4]；2004年王佩明等對由12根真空管構(gòu)成的內(nèi)插管型全玻璃真空管空氣集熱器進(jìn)行研究，試驗(yàn)得到了集熱器的流動阻力性能曲線及工質(zhì)流量在60和90 m3/h下的集熱器效率曲線，試驗(yàn)還證明了內(nèi)插管型全玻璃真空管空氣集熱器作為一階系統(tǒng)處理時比較合理[5-6]；2007年P(guān)apanicolaou等將12根Φ47×1 500 mm的真空管以及Φ20 mm的金屬管和聯(lián)集箱構(gòu)成的太陽能空氣集熱器進(jìn)行測試，理論分析了單管內(nèi)流場和溫度場的模型，并試驗(yàn)得到了集熱器的工作溫度和集熱器的效率[7]；2011年上海交通大學(xué)的袁穎莉等研究了52根全玻璃真空管以及內(nèi)插鋼管組成的橫雙排內(nèi)插式真空管空氣集熱器，此集熱器的出口溫度平均約為55 ℃，整體的集熱效率則為60%[8-9]。然而，針對內(nèi)插式真空管空氣集熱器的一些特性研究，如溫升能力、溫度下降速度、集熱器的放置方式對集熱器的影響等，學(xué)者并沒有做太多研究。

筆者基于內(nèi)插式太陽能真空管空氣集熱器系統(tǒng)，對其基本熱性能進(jìn)行了試驗(yàn)測試研究。通過在不同天氣下的瞬時效率對比、集熱器在不同放置位置下其瞬時效率的對比以及溫升能力以及溫度下降速度的分析，提出此系統(tǒng)的適用條件及改進(jìn)措施，為今后系統(tǒng)的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，對真空管空氣集熱器的改進(jìn)具有一定意義。

1 試驗(yàn)臺的簡介及搭建

該試驗(yàn)提供了一臺內(nèi)插式全玻璃太陽能真空管空氣集熱器，此集熱器主要分為3個部分——聯(lián)集箱、真空管和內(nèi)插管。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，整個空氣集熱器系統(tǒng)大小為1 860 mm×2 100 mm。真空管空氣集熱器包括20組全玻璃真空管與鋁管，有效集熱面積約為2.5 m2。此內(nèi)插管太陽能空氣集熱器的工作原理：外界空氣在三相異步風(fēng)機(jī)的作用下由集熱器的入風(fēng)口進(jìn)入聯(lián)集箱的空氣流道內(nèi)管，之后沿程分配給每一根鋁制空氣導(dǎo)流管，真空管與內(nèi)插于其中的導(dǎo)流管構(gòu)成一組空氣流道，每組流道之間為并聯(lián)關(guān)系。對每組空氣流道，空氣進(jìn)入鋁制內(nèi)插管后從內(nèi)插管的尾端進(jìn)入鋁管與真空管構(gòu)成的環(huán)形流道中，在空氣進(jìn)入內(nèi)插管以及流入熱空氣流道區(qū)的過程中，空氣逐漸被內(nèi)插管的內(nèi)壁以及真空管內(nèi)表面的選擇性涂層加熱，經(jīng)加熱后的空氣溫度升高，最終從真空管的出口進(jìn)入聯(lián)集箱的熱空氣流道區(qū)，各組流道流出的熱空氣在聯(lián)集箱內(nèi)熱空氣流道區(qū)匯集并從集熱器的出口流出。

與此真空管空氣集熱器連接的有三相異步風(fēng)機(jī)、渦街流量計，其系統(tǒng)原理圖與實(shí)物圖如圖2所示。此太陽能空氣集熱器系統(tǒng)組合放置于一個傾角為26.6°的鐵架上進(jìn)行測試，方向?yàn)槟媳背蚯也豢勺儎?。渦街流量計通過不銹鋼管與集熱器出口連接，三相異步風(fēng)機(jī)則通過不銹鋼管與渦街流量計連接，整個試驗(yàn)過程為吸風(fēng)方式。通過調(diào)節(jié)三相異步風(fēng)機(jī)的頻率來改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變集熱器入口出工質(zhì)的質(zhì)量流量，以達(dá)到調(diào)節(jié)出口溫度。集熱器的進(jìn)出口溫度則采用Pt100鉑電阻溫度傳感器測量，測量精度為±0.1 ℃，綜合精度為±0.3 ℃，溫度采集范圍為-200～200 ℃；采用TBQ-2總輻射表來測試太陽輻照強(qiáng)度，該表的靈敏度為7.464 μV/(W·m2)，測量精度<2%，該表放在與集熱器同角度的傾斜斜面，并加以固定；記錄測試儀則為TRM-2型太陽能測試系統(tǒng)，可采集溫度、風(fēng)速、直輻射、總輻射等數(shù)據(jù)。

2 內(nèi)插式真空管空氣集熱器測試的理論基礎(chǔ)

太陽能空氣集熱器在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下照射到空氣集熱器上的太陽能輻射量等于工質(zhì)帶走的熱量和集熱器散失到環(huán)境周圍熱量之和[10-11]。據(jù)此原理可建立太陽能空氣集熱器的熱平衡方程，在穩(wěn)態(tài)條件下運(yùn)行的太陽能空氣集熱器的瞬時效率η為集熱器實(shí)際獲得的有用功率qu與集熱器接收的太陽輻射功率之比。式(1)為瞬時效率公式[12-14]：

(1)

(2)

(3)

由于試驗(yàn)臺架只是一個鋼結(jié)構(gòu)傾斜支架，而且加上試驗(yàn)條件的限制，在試驗(yàn)時并沒有進(jìn)行一維跟蹤，致使集熱器在試驗(yàn)過程中會產(chǎn)生余弦損失。其原理為平板集熱器的表面不可能總是與太陽光的入射方向垂直，會產(chǎn)生一個傾斜角，余弦損失就是因這種傾斜所導(dǎo)致的平板集熱器反射面的面積相對于太陽光可見面積的減少而產(chǎn)生的，余弦損失大小與平板集熱器表面法線和太陽入射光線之間夾角的余弦成正比，這即是入射角變化引起的光學(xué)損失。余弦損失即太陽入射角的損失，在實(shí)際情況下，我們希望太陽入射角越小越好。對于任意緯度、任意時間，太陽能集熱器處于幾何位置的太陽入射角的余弦值(余弦因子)可表示為：

cosθ=sinδsinφcosβ-sinδcosφsinβcosγ+cosδcosβsinγsinω+cosδsinφsinβcosωcosγ+cosδsinβsinγsinω

(4)

式中，θ、φ、β、γ分別為太陽入射角、當(dāng)?shù)鼐暥?、集熱器傾角和集熱器方位角。太陽赤緯角:

(5)

太陽時角:

ω=15(ts-12)

(6)

其中，n為日序，Ts為太陽時。由于試驗(yàn)地點(diǎn)位于云南省昆明市 ，地處北半球，大致緯度為25.01°，集熱器的放置位置一般都為南北放置，有γ=0，則式(4)可簡寫為：

cosθ=cos(φ-β)cosδcosω+sin(φ-β)sinδ

(7)

其中,天頂角θz=90°-as，太陽高度角αs表達(dá)式為：

sinαs=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(8)

cosθz=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(9)

將式(8)代入式(7)可得：

cosθ=cosβsinαs+cosδcosωsinφsinβ-sinδcosφsinβ

(10)

太陽方位角γs的表達(dá)式為：

(11)

將式(11)代入式(10)可得出余弦損失與所有太陽角的關(guān)系，即：

cosθ=cosαcosφcosγssinβcos-1φ+sinδsinβcos-1φ-sin2φsinδsinβcos-1φ+cosβsinαs-sinδsinβcosφ

(12)

聯(lián)立式(12)與式(3)可以得出平板型空氣集熱器的瞬時效率表達(dá)式為：

(13)

3 結(jié)果與分析

該測試試驗(yàn)對集熱器性能的分析主要是針對典型晴天和多云天氣的對比，探究集熱器在不同天氣條件下的進(jìn)出口溫度、瞬時效率，為今后此集熱器在實(shí)際工程的熱利用過程中提供數(shù)據(jù)參考。應(yīng)結(jié)合所需溫度、效益、成本等因素綜合考慮使用方法，提高此空氣集熱器的利用率，為真空管空氣集熱器的推廣及應(yīng)用做出積極作用。

3.1 集熱器在不同天氣條件下進(jìn)出口溫度的對比圖3顯示了多云天氣和晴朗天氣下進(jìn)出口溫度與輻照度的關(guān)系，試驗(yàn)測試過程中風(fēng)機(jī)流量選擇為0.02 kg/s。在太陽輻照度相對穩(wěn)定的情況下，集熱器的出口溫度穩(wěn)定上升，集熱器的最高出口溫度可達(dá)120.4 ℃；多云天氣，集熱器出口溫度有所波動，但整體趨勢還是在上升狀態(tài)，最高出口溫度為95.8 ℃，據(jù)此，可根據(jù)其溫度變化應(yīng)用于相適應(yīng)的工程應(yīng)用，如間歇性干燥、供暖等。對于典型晴天，此內(nèi)插式真空管空氣集熱器所能提供的溫度可應(yīng)用于大部分中低溫?zé)崂妙I(lǐng)域，且出口溫度較高，溫度穩(wěn)定。

針對典型晴天，筆者分析了集熱器的進(jìn)出口溫差與輻照度的線性關(guān)系以及非線性關(guān)系，可以清楚地了解太陽輻照度對集熱器進(jìn)出口溫度、溫差的影響，以便我們?nèi)ミm當(dāng)調(diào)控，達(dá)到最佳的熱利用。如式(3)所示：

(14)

式中，F(xiàn)R為集熱器熱遷移因子，UL為真空管集熱器的總熱損系數(shù)，α為真空管玻璃對太陽光的吸收率，τ為真空管玻璃對太陽光的透射率，ta為環(huán)境溫度。由式(14)可得：

(15)

由式(14)和式(15)可知，當(dāng)集熱器的進(jìn)口溫度與環(huán)境溫度相當(dāng)，即ti=to時，此時集熱器的效率只取決于集熱器的熱遷移因子和集熱器真空玻璃管的透射吸收乘積，即有：

(16)

由式(16)可知，集熱器的進(jìn)出口溫差與輻照度呈一次函數(shù)關(guān)系，但如果從高溫分析溫度與輻照度的關(guān)系，則可看出溫度與輻照度之間應(yīng)該呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系。由于此時集熱器的溫度不是很高，因此，在一定的低溫溫度范圍以內(nèi)，可以近似看成是線性關(guān)系。

一般真空管集熱器的吸收率和透射率為常量，此時集熱器的熱效率僅取決于熱遷移因子，而熱遷移因子又主要取決于空氣流量。圖4為真空管空氣集熱器進(jìn)出口溫差與輻照度之間的線性關(guān)系和非線性關(guān)系，與式(16)相比，其線性關(guān)系：

to-ti=-12.891 222 9+0.104 024 7G

(17)

非線性關(guān)系式為：

to-ti=7.897 034 3×10-5G2-0.008 0107G+23.999 403

(18)

由圖4a可知，集熱器進(jìn)出口溫差與太陽輻照度為線性關(guān)系，擬合系數(shù)R2=0.923 88，當(dāng)輻照度為0時，與y軸的截距為-12.891 222 9，溫差為負(fù)值，其原因?yàn)榧療崞鞔嬖谝欢ǖ臒釗p；由圖4b可知，當(dāng)集熱器在0輻照度下，溫差與y軸的截距為23.999 403 2，進(jìn)出口溫差為正值。

3.2 集熱器在不同質(zhì)量流量下熱性能測試真空管空氣集熱器作為一種太陽能熱利用上最重要的供熱部件之一，其性能直接關(guān)系到整個熱利用過程中的效果，因此，測試其各項性能并掌握集熱器的各項性能因素，對以后利用和改進(jìn)都具有一定意義。如圖5所示，分析了集熱器在不同質(zhì)量流量下瞬時效率與輻照度的關(guān)系。

太陽輻照度在400～1 000 W/m2之間變化，而集熱器入口處工質(zhì)的質(zhì)量流量則分別調(diào)為0.01、0.03、0.05、0.07、0.09 kg/s，集熱器的瞬時效率與太陽輻照度呈現(xiàn)一個正比變化關(guān)系。

當(dāng)輻照度在400～1 000 W/m2變化時，在各個質(zhì)量流量下，集熱器的平均效率增長5.5%。工質(zhì)在一定流量范圍內(nèi)(0.01～0.09 kg/s)，對應(yīng)不同太陽輻照度400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950、1 000 W/m2,集熱器瞬時效率增長率分別為5.2%、5.3%、5.3%、5.2%、5.3%、5.1%、5.1%、5.0%、5.0%、4.9%、4.9%、4.9%、4.8%?？梢?，在輻照度逐漸增大的情況下，集熱器瞬時效率增長幅度變緩，增幅從5.3%降至4.8%。引起這一變化的主要原因是在太陽輻照度逐漸增大的過程中，集熱器的出口溫度也越來越高，上升也越來越緩慢，出口溫度增加也越來越困難，導(dǎo)致集熱器瞬時效率增長變慢。

3.3 集熱器在不同天氣條件下的瞬時效率筆者分別對集熱器在晴天和多云天氣下的瞬時效率的變化進(jìn)行了對比，如圖6所示。風(fēng)機(jī)流量選擇為0.05 kg/s，在晴朗天氣下集熱器的效率曲線穩(wěn)定上升，斜率較小，其瞬時效率保持在50%以上，太陽輻照度在321～980 W/m2變化時，集熱器的效率從41.1%增長到75.6%，平均效率為63.7%，其中最大出口溫度達(dá)到120.4 ℃；在多云天氣下，由于太陽輻照度不穩(wěn)定，導(dǎo)致集熱器瞬時效率浮動較大，但最高瞬時效率達(dá)到93.7%，集熱器在輻照度為212～884 W/m2范圍內(nèi)隨機(jī)變化，其平均瞬時效率為49.5%。

3.4 集熱器在不同放置方式下的效率分析集熱器的放置方式可以最大限度地有效利用集熱器的熱量，如圖7所示，探究了集熱器在不同放置方式下的進(jìn)出口溫差及效率的對比。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，在相同試驗(yàn)條件下，集熱器進(jìn)口空氣流量均為0.05 kg/s時，其縱向放置比橫向放置效率更高，出口溫度更加穩(wěn)定。筆者截取輻照度相對穩(wěn)定的1.5 h內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，太陽輻照度在736～975 W/m2內(nèi)變化時，縱向放置時集熱器進(jìn)出口溫差最大值為84.2 ℃，平均溫差為79.0 ℃，而橫向放置時集熱器進(jìn)出口溫差最大為81.5 ℃，平均溫差為75.2 ℃，集熱器縱向放置比橫向放置的最大溫差高出3.8 ℃；在集熱器的瞬時效率方面，當(dāng)其橫向放置時最大瞬時效率為63.4%，平均瞬時效率為56.4%，集熱器縱向放置時最大瞬時效率為73.1%，平均效率為62.7%，可見集熱器縱向放置比集熱器橫向放置下的瞬時效率平均高出6.3%。集熱器橫向放置時的平均進(jìn)出口溫差與平均瞬時效率值均小于集熱器縱向放置下的數(shù)值，這是因?yàn)樵谝惶斓拇蟛糠謺r間內(nèi)集熱器橫向放置時接收的太陽輻照度小于集熱器縱向放置時的太陽輻照度。當(dāng)太陽自東往西運(yùn)動時，橫向放置時接收的太陽輻照度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，在午間達(dá)到最大，過了午間以后逐漸降低，而縱向放置下的集熱器接收的太陽輻照度基本保持不變。因此集熱器無論在進(jìn)出口溫差還是在瞬時效率上，集熱器縱向放置都比橫向放置時熱效率更優(yōu)。對于今后集熱器的工程應(yīng)用方面，可以參考并建議單排真空管空氣集熱器采取縱向放置方式。

4 結(jié)論

筆者針對內(nèi)插式真空管空氣集熱器的各項性能進(jìn)行了測試與分析，對不同天氣條件下的情況進(jìn)行了對比試驗(yàn)，結(jié)果表明：

(1) 內(nèi)插式真空管太陽能空氣集熱器無論在多云還是晴朗天氣下，其出口溫度均能在60 ℃以上，其中晴天最高出口溫度達(dá)到120.4 ℃，平均效率達(dá)63.7%，即使在多云天氣下，集熱器的平均效率也能維持在49.5%以上。

(2) 內(nèi)插式真空管空氣集熱器在不同的放置方式下對集熱效率有一定影響，當(dāng)集熱器橫向放置時其平均瞬時效率為56.4%，最大進(jìn)出口溫差為81.5 ℃，而當(dāng)集熱器縱向放置時平均瞬時效率為62.7%，最大進(jìn)出口溫差達(dá)到84.2 ℃?？梢姰?dāng)選擇此類集熱器放置時，應(yīng)選擇集熱器縱向放置，無論從集熱效果還是整體應(yīng)用方面都較優(yōu)。

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The Experimental Research on Thermal Performance of the Evacuated Tubular Solar Air Collector with Inserted Tubes System

CHANG Wei1, LI Ming2*, WANG Yun-feng2et al

(1. School of Physics and Electronic Information Technology, Yunnan Normal University, Kunming, Yunnan 650500; 2. Solar Energy Research Institute, Yunnan Normal University, Kunming, Yunnan 650500)

This paper presents a high efficient interpolation type all-glass vacuum tube solar air heater, the heat can be increased by interpolated aluminum duct. And the thermal performance of the collector under different conditions was tested. The results showed that the average efficiency of collectors with cloudy weather is 49.5%, average efficiency for sunny weather is 63.7%; The instantaneous efficiency of collector increases with the increase of inlet flow rate of working fluid; The average efficiency of collector placed longitudinally is higher than that placed horizontally about 6.3%. Overall, the performance of interpolation type all-glass vacuum tube solar air collector is well, which has the well promotion and application prospect.

The evacuated tubular solar air collector; Thermal property; Heat-collecting efficiency

常偉(1987- )，男，云南昆明人，碩士研究生，研究方向：太陽能光熱利用。*通訊作者，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事太陽能利用研究。

2015-03-19

S 181.3

A

0517-6611(2015)12-269-05