真空管式热管太阳能集热器的研究

工作者对的不断研究使得热管技术得到了很快的发展。现有热管理论是建立在相变传热的基础上的，导热系数极高，比银、铜、铝等金属热导体高出几个数量级[1]，正是由于其优良的热性能，使其在热利用方面得到了广泛的应用。

目前市场上的集热器有以下几种形式：闷晒式热管集热器、平板式热管集热器和真空管式热管集热器[2]。其中，闷晒式热管集热器的结构简单，制造方便，易于安装且价格较低，但保温性能比较差。

1.1 平板式太阳能集热器 平板式热管太阳能集热器的工作原理是太阳光照射到两层平板玻璃表面，太阳能热量被外表面涂有热吸收涂层的平板吸收，热管受热达到其工作温度后，通过内部工质的相变过程将吸收的热量传送给蓄热器，从而达到加热水的目的。与普通平板太阳能集热器相比较，平板式热管太阳能集热器具有传热效率高，工况稳定，抗冻能力强，使用寿命长等特点[3]。

但是平板式热管太阳能集热器也有缺点：由于它是依靠平板式热管太阳能集热器和集热板之间的对流传热和导热来传递热量，这就使得其热损失比较大，日平均效率只有50%或更少[4]。限制平板式热管太阳能集热器的主要原因在于现有的加工技术不成熟，导致其在性价比上没有较大的竞争优势，热管平板集热器还有很大的改进空间。

1.2 真空管式热管太阳能集热器 真空管式热管太阳能集热器是一种玻璃—金属封接的真空集热管。热管式真空管由热管、吸热板、金属盖、消气剂等主要部件组成。热管采用铜—水重力热管；吸热板上涂有高温选择性吸收涂层；玻璃管选用高透过率、高强度的硼硅玻璃；金属与玻璃的封接采用国际先进的热压封工艺，内外玻璃管内抽成高真空，层内放吸气剂以保持其长期真空度。

真空管式热管的结构如图1所示。

热管式真空管太阳能热水器的工作原理是：热管式真空管分为下面的蒸发段和上面的冷凝段。下面的蒸发段由内外两层同心玻璃圆管组成，外层圆管为透明玻璃管，太阳能以很高的透射率穿过外层玻璃管。内层玻璃管外表面涂有吸收太阳能的涂层，内外管间是被抽成真空的，以阻止内层吸热后的散失。内层玻璃管内装有易蒸发的液体，太阳光透过外管被内管外表面涂层吸收，内层管内液体受热成为蒸汽。蒸汽上升至冷凝段，冷凝段为蒸发段内层的延伸，只有一层玻璃管，外表面没有涂层。冷凝段插入热水器储水箱中，与水箱的冷水接触。蒸汽被水箱内的冷水冷却为液体，向冷水放出热量加热冷水，凝结液体在重力作用下流回下面的蒸发段进行循环工作。

通过热管内工质周而复始的在蒸发段吸收太阳能成为蒸汽、蒸汽在凝结段向水箱内水凝结放热的过程，储水箱内水温不断上升，从而获得热水。

目前我国主要有三种真空管式热管集热器，如图2。

从造价、集热效果、安全性等综合因素评价，真空管式热管集热器是较适合在大规模系统中应用。它利用热管传热，干性连接，管内不走水，所以抗冻能力突出，适合高寒地区[5]。与平板式热管太阳能集热器相比，热管式真空管太阳能集热器的热损失小，日平均热效率高。但玻璃真空管涉及玻璃套管的生产制造等，工艺较为复杂，有待技术改进。

2 热管真空管集热器的发展改进

2.1 新型分离热管真空管式太阳能热水器 目前广泛使用的是重力热管式太阳能真空管，工质冷凝后是靠重力降落回真空管的底部蒸发段。这样的设置虽然简单易行但同时也带来了问题：如果传热速度过慢，气态工质在冷凝段没法迅速冷凝放热凝结成液体，那么蒸发段的液体工质将不断减少，这就使得热管的效率大大降低。同时，由于气态工质在冷凝段没有快速冷凝，而下方又不断有来自蒸发段的气态工质补充，这就使得热管真空管上部的压力不断上升，严重时可能造成炸管的危险，对太阳能的安全运行极为不利。

针对上述热管式真空管太阳能集热器仍存在的不足之处，有学者研究提出一种新型分离热管式太阳能热水器。分离式热管利用特殊的结构和毛细织物，将冷凝液均匀输送到各蒸发段，而且冷凝液从蒸发段上部进入蒸发管，形成降膜蒸发，冷凝液达到了均匀输送的目的。因此，这种新型分离热管式太阳能集热器具有突出优势，值得推广。其结构图如图3。

对于上述热水器，其工作过程简述如下：当有太阳能照射到热水器时，蒸发段内的液体工质吸热蒸发成气态，气态工质由蒸汽上升段上升进入到被贮水箱内冷水包裹的冷凝器中。气态工质冷凝放热给冷水从而变回液态的工质，经由倾斜的冷凝器，滑落到冷凝下降段。此时液态工质与粘附于蒸发段上部的特殊材料——毛细织物接触，液态工质经由毛细织物沿着蒸发段管壁慢慢滑落到蒸发段底部，在蒸发段管壁上形成一层工质薄膜，这层工质薄膜使得蒸发段能均匀吸收太阳辐射能蒸发，如此循环往复，从而避免了上文中提到的管内受热不均可能引起炸管的问题[6]。

2.2 CPC型热管式真空集热器 CPC（compound parabolic concentrator）热管式真空集热器是由非跟踪聚焦型的复合抛物面聚光器CPC和热管式真空管组成的新型太阳能集热装置，这种装置应用了CPC聚光技术和热管技术，既可以提高集热温度和集热效率，又可以避免一般集热器的防冻性、结垢性的问题[7]。把CPC技术应用到普通热管式真空集热器上，可以增大吸热板上得到的热流密度，从而可以显著提高太阳能集热器的集热温度。为了达到较高的温度，CPC热管式真空管集热器已经成为目前热管式真空管太阳能热水器的研究热点。CPC热管式真空管集热器是一种新型的太阳能集热装置，它运用了真空技术和热管技术，具有热损失少、热容量小、热二极管性及工作范围宽等显著优点[8]。

3 结论

①热管型太阳能集热器凭借其高导热性、良好的传热性、抗冻性好等突出特点，在太阳能热水器中得到了重要的应用。

②作为太阳能热水器的核心部件——太阳能集热器，平板式热管太阳能集热器和真空管式热管太阳能集热器是热管式集热器的应用重点对象，经过本文的比较与论述，综合考虑各方面因素会发现，真空管式热管太阳能集热器更具发展潜力和空间。

③太阳能热利用是建筑节能中的重要技术，此外，将热管真空管集热器应用于其它的太阳能系统中，对建筑节能也有着重大的意义。

④针对真空管式热管太阳能集热器存在的一些问题，本文也提到了国内一些先进学者提出的新型热管技术，相信在不久就能将技术加以改进，提高集热器的综合性能。

参考文献：

[1]文玉良，浦绍选，唐润生.热管在太阳能热利用技术中的应用[J].实用技术，2005，4 (2)：28-30.

[2]Hammad M. Experimental study of the performance of a solarcollector cooled by heat pipes[J]. Renewable Energy，1995，6(1)：11-15.

[3]杜海燕，郭航.热管在太阳能热水器中的应用[J].化工进展，2008,27（3）：390-393.

[4]Riffat S B，Zhao X，Doherty P S. Developing a theoretical model toinvestigate thermal performance of a thin membrane heat-pipe solarcollector[J]. Applied Thermal Engineering，2005，25 (5-6)：899-915.

[5]杨文标.热管式真空管太阳能[J].福建建筑.2009,8（134）：145-148.

[6]庞立升.新型分离热管式太阳能热水器[J].技术与产品-太阳能，2007,6.

[7]任云锋，鱼剑琳.一种CPC型热管式太阳能集热器的实验研究[J].西安交通大学学报，2007,3（41）：292-295.

[8]许雪松.CPC型热管式真空集热器的研究[D].南京:南京工业大学机械与动力工程学院,2004.

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