一种热管型太阳能取暖器的设计与分析

发表于 讨论求助 2021-06-08 16:51:57

上海理工大学 环境与建筑学 唐永强左苹 于国清

摘要:本文提出了一种热管型太阳能取暖器,介绍分析了这种装置的构造、工作原理以及设计分析方法。采用热管将集热部件和散热部件结合起来,实现了集热散热的一体化和太阳能供暖方式的多样化。该装置可根据建筑热负荷的大小,相应地改变该装置的单元数,来实现建筑的基本供热要求,其系统简单且节能环保,可作为实际工程设计的优选方案。

关键词:热管,太阳能,设计与分析

0 引言

随着我国节能减排工作的开展,作为一种绿色环保的可再生资源,太阳能的利用越来越普及,利用太阳能进行供热采暖也越来越普遍。目前,国内利用太阳能进行供热采暖的方式主要是:利用置于屋顶的太阳能集热器,把太阳能转换成热水,将热水储存在水箱内,然后通过热水输送到发热末端(例如:地板辐射采暖[1]、散热器采暖),提供建筑供热的需求。但是这种方式的供热采暖系统比较复杂、热容量大、启动慢。

热管技术历经几十年的发展,已经走向实用阶段。作为一种高效的传热元件在太阳能利用领域也颇受欢迎。目前国内外基于热管的太阳能系统在建筑供暖上的应用研究几乎都是间接式系统[2-4],即利用蓄热水箱从而使得取热和集热为两个独立的系统。将热管与太阳能集热器相结合有效地解决了非热管式集热器存在的抗冻、结垢、启动慢等问题。

基于上述技术背景,本文设计了一种热管型太阳能取暖器,采用热管将集热器、散热器结合起来。该装置将常规的太阳能供暖系统由间接式变为直接式,能有效的减少建筑对常规能源的消耗,实现建筑节能,同时使绿色能源技术与现代建筑有机地融合为一体,又不会破坏建筑景观和城市景观。

1 太阳能取暖器结构和基本原理

热管型太阳能取暖器,由太阳能集热器、热管、散热器等组成。其结构如图1所示。



1金属外壳 2热管保温层 3空管 4热管环形肋 5热管蒸发段

6热管矩形肋 7热管冷凝段 8支架 9反射板

图1系统结构示意图

太阳能集热器采用热管直插式真空管集热,太阳能集热管可以为全玻璃真空集热管,也可以为金属-玻璃真空集热管。真空集热管内的传热管为重力型热管:热管的蒸发段插入真空管内,通过环形肋与真空管内壁连接传热;冷凝段在室内,置于散热器内。散热器为带有矩形肋片的柱状散热器,蒸发段与冷凝段间转弯处用绝热波纹弹性管连接;散热器由热管冷凝段加装矩形肋片散热,为安全起见在外面加装带散热孔的金属外罩,安装在窗户下的墙洞内。

热管型太阳能取暖器装置由太阳能集热器集热,将热量传递给热管的蒸发段,然后热管中的液体蒸发并在冷凝段冷凝放热,放出的热量传递给散热器,用来提高室内温度。散热器安装在窗户下面的墙洞内,集热器带有反射板,安装在下一层窗户上方兼做雨篷。

2装置的设计分析

热管型太阳能取暖器计算分析[5]:

(1) 太阳能集热器取全玻璃真空管,倾角为30°,10根,设计分析所涉及的已知参数:

1) 外层玻璃:透射比τ=0.9,发射率ε=0.88;

2) 内层玻璃:吸收比ρ=0.92,发射率ε=0.08。

(2)铜制热管(传热介质为丙酮):

1) 总长2.4m,蒸发段加丝网结构,长为1.2m,冷凝段长为0.7m;

2) 热管折角为120°,10根;

3) 热管的中间绝热段采用绝热波纹弹性管连接。

(3)散热器选用柱状X形肋片柱状散热器,外加金属外罩,材料为铜铝复合。

为了便于分析该装置给房间传递热量的分析,做以下基本假设:

(1)过程视为准静态过程;

(2)忽略真空管内空气的对流和导热损失;

(3)真空集热管玻璃外壳与周围环境的传热系数为常数;

(4)忽略热管中间绝热段的热损失,将热管视为单一热源;

根据能量守恒定律可知:


2.1 集热器侧分析

单位时间内集热器输出的有用能量等于集热器接受的太阳能辐照能量减去集热器向周围环境散失的能量,即



——单位时间内集热器楚楚的有用能量,W;

——同一段时间内集热器接收的太阳辐照能量,W;

——同一段时间内集热器向周围环境散失的能量,W;

——吸热板面积,计算得=0.564m2;

——太阳辐照度,装置实验地点为上海,此处计算取=729W/ m2;

——真空集热管玻璃外壳透射比与玻璃内层吸收图层吸收比的有效乘积,无因次;

——集热器的损失系数,W/( m2·K);

——真空集热管玻璃外壳温度,K;

——环境温度,取=278K;

——真空集热管玻璃内壳与外壳的传热系数,W/( m2·K);

——真空集热管玻璃外壳与周围环境的传热系数,取=10W/( m2·K)。

由于忽略了真空集热管内空气对流和传导热损失,因而只需要考虑真空管的辐射热损失。根据辐射换热原理,可推导出真空集热管玻璃外壳与内壳的辐射换热功率的数学表达式为:



——真空集热管玻璃内壳温度,K;

——真空集热管玻璃内管、外管表面积,m2;

——真空集热管玻璃外壳、内壳的发射率,无因次;


2.2 室内侧分析

室内侧热管的冷凝段通过散热器对房间供暖,视热管为单一热源,即任一个时刻热管上的每个点温度都相同的基本传热方程如下:

即装置达到热平衡时散热器表面温度、热管表面温度和太阳能真空管内管壁温度相等。联立式(3)、式(8)和式(9)求解出该装置通过热管散热器供给房间的热量。取房间散热器的对流换热系数为25W/m2,经计算,装置达到平衡时,热管表面温度为33.18℃,供热量为333.36W,能够满足位于上海某学校办公楼单面南外墙10m2左右办公室基本的供热要求。

3 结语

本文主要针对现有的间接式太阳能供暖系统的弊端进行改进,设计了一种热管型太阳能取暖器,同时给出了装置的设计分析方法,该装置采用一种高效的传热元件热管将集热部件和散热部件结合起来,实现了集热散热的一体化和太阳能供暖方式的多样化,能有效地减少建筑对常规能源的消耗。根据建筑热负荷的大小,相应地改变该装置的单元数来满足建筑的基本供热要求。该装置组装方便,并且能实现建筑节能,使绿色能源技术与现代建筑有机地融为一体。

参考文献

[1] 于喜哲,李德英,高岩等.北京市某农村居民住宅太阳能地板辐射采暖系统的实验分析[J].建筑节能,2010(10):47~49.

[2] 王忠海.多层建筑集中供热热管太阳能集热器系统的研究[J].能源技术,2002(1):19~22.

[3] 雷玉成,陈希章,杨继昌.集中供热热管太阳能集热系统[J].太阳能学报,2002(6):725~731.

[4] 严军.热管真空管集热器及太阳能热水系统[J].可再生能源,2008(5):68~71.

[5] 何梓年,李炜,朱敦智.热管式真空管太阳能集热器及其应用[M].北京:化学工业出版社.2011:45~47.




“太阳能光热”能干啥用?

1.太阳能与建筑结合应用;

2.太阳能采暖、制冷、热水综合联供应用;

3.太阳能工业热力应用;

4.太阳能农、牧、渔业应用;

5.太阳能海水淡化应用;

6.太阳能干燥应用;

7.太阳能饮用开水应用;

8.太阳能生活热水应用;

9.太阳能中高温蒸汽、热电应用;

10.太阳能其他综合应用。



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