真空相變熱管

相變儲能型太陽能真空管區別於傳統的太陽能熱水系統，可以獨立進行太陽能光熱的採集與儲存，將傳統太陽能的集熱管和水箱合二為一，即具有吸熱、儲熱的雙重功能。相變儲能型太陽能真空集熱管簡化了太陽能熱水系統的結構，降低設備成本。

基本介紹

• 中文名：真空相變熱管
• 外文名：Vacuum phase change heat pipe
• 套用學科：熱力工程
• 範疇：工程技術
• 又稱：相變儲能型太陽能真空管
• 屬於：太陽能熱水系統

概述

相變儲能型太陽能真空管區別於傳統的太陽能熱水系統，可以獨立進行太陽能光熱的採集與儲存，將傳統太陽能的集熱管和水箱合二為一，即具有吸熱、儲熱的雙重功能。相變儲能型太陽能真空集熱管簡化了太陽能熱水系統的結構，降低設備成本。相變儲能型真空管是在U型玻璃真空管基礎之上添加了相變蓄熱材料，下面將具體
介紹單根相變儲能型真空集熱管的模型，並對其進行傳熱分析。

基本原理

物理模型

單根新型相變儲能型真空集熱管主要由內玻璃管、外玻璃管、保護帽、消氣劑、相變蓄熱材料、U型銅管及其徑向上的翅片等構成，其軸向截面圖與橫向截面圖如圖1與2所示：

圖1

圖2

如圖1所示，U型紫銅管置於全玻璃真空集熱管內部，為增強換熱效果，提高換熱係數，在其徑向均勻分布有圓柱形翅片。相變蓄熱材料填充在帶有翅片的U型管與內玻璃管之間。為保證真空玻璃集熱管的質量，玻璃材質應當具有良好的真空保持性與透光性，並且不容易被損壞。根據國家規定，真空玻璃管當採用硼矽玻璃3.3，材質性能應符合國際ISO3585標準。外玻璃對太陽輻射的透射率應當不小於0.89，並且被玻璃管與外玻璃管之間的氣體壓強及真空度不得大於。國家對選擇性吸收圖層也有一定要求，標準規定吸收塗層的吸收率應大於0.86，紅外發射率不大於0.0941。目前，我國廣泛套用在真空管上的選擇性吸收圖層為濺射多層鋁-氮/鋁（AL-N/AL），鋁為底層，其吸收率大於0.93，紅外發射率約0.06。

新型相變儲能型真空集熱管的工作原理是：白天，太陽輻射穿過外玻璃管，投射在內玻璃管外側，內玻璃管上的選擇性吸收塗層吸收輻射能並將其轉化為熱能，傳遞給玻璃內部的相變蓄熱材料進行儲能。夜間運行時，冷水由U型管一端流入，與管內的相變材料發生間接換熱後從U型管另一端流出熱水。

傳熱分析

太陽輻射穿過透明真空玻璃管外壁，投射在其內玻璃外側，輻射能被選擇性吸收塗層吸收後轉化成的熱能並未全部傳遞給玻璃內的相變蓄熱材料，一部分通過輻射、熱傳導等過程散失到周圍環境中。

（1）根據能量守恆原理可得到，單位時間裡太陽能真空集熱管獲得的有用能等於集熱管吸收的太陽能輻射能去掉集熱管對周圍環境散失的能量，即：

式中，

——集熱管獲得的有用能，單位W；

——同一時段內集熱管吸收的太陽輻射能，單位W；

——同一時段內集熱管對周圍散失的熱量，單位W。

式中，

——有效採光面積，單位 ；

——集熱管傾斜面上的太陽輻射強度， ；

——有效透射率與吸熱表面吸收率的乘積。

考慮真空玻璃管對光線的折射因入射角度的不同而不同，在此取有效採光面積為吸收玻璃管投影面積的1.43倍，即：

式中，

——吸熱玻璃管外徑，單位m；

——真空玻璃集熱管長度，單位m。

（2）集熱管對周圍散失的熱量與吸熱管表面溫度、環境溫度以及真空吸熱管面積等密切相關，則集熱管向周圍散失的熱量可採用如下公式計算：

式中，

——真空管吸熱管面積（投影面積的 倍），單位 ；

——吸熱管表面溫度，單位K；

——環境溫度，單位K；

——以吸熱管面積為基準的總熱損失係數，單位 。

總傳熱損失係數一般由真空集熱玻璃管的熱損失係數以及集管部分保溫材料向周圍環境散失的熱量，即：

式中，

——真空集熱管部分的熱損失係數，單位 ；

——集管部分保溫材料向周圍環境散熱的熱損失係數，單位 ，集管部分的熱損失係數可視為常數，折合到單位真空管吸熱面積上的數值為0.1687 。

真空集熱管對外界的散熱量主要通過內外玻璃管之間的輻射、導熱以及外玻璃管與周圍環境之間的對流換熱散失，真空集熱管部分的熱損失係數為：

式中，

—外玻璃管與環境之間的對流換熱係數，一般取3-8 ；

—內外玻璃管之間的導熱係數，根據文獻]研究， 按照吸熱管面積折算可取值0.2796 ；

——內外玻璃管之間的輻射換熱係數，當環境溫度與吸熱表面溫度差在10℃-100℃時，hnor的值為0.55-0.85 ；

綜上所示，當集熱管內溫度與周圍環境溫度相差10-100℃時， 取值為0.343-0.374。