热管在太阳能热水器中的应用
编辑：admin 时间：2009-12-2 22:22:02 来自：广东深圳上喜太阳能热泵工程网
太阳能是一种清洁、高效的能源。随着世界能耗问题越来越严重，太阳能逐渐成为人类关注的能源焦点。中国是太阳能资源十分丰富的国家之一，全国各地太阳能年辐射量达335~837kJ／cm。在我国开发和利用太阳能资源将会有很好的发展前景。
太阳能的利用方法是多种多样的，但目前而言，利用太阳能提供生活热水将是我国城市太阳能利用的最佳方式。我国的人均用热水量远远低于发达国家，利用太阳能提供生活热水除了可以降低城市建筑能耗外，还可以进一步提高人民的生活水平。热管作为一种高效的传热元件，自问世以来得到了迅速的发展，在许多领域中得到了广泛应用。太阳能热水器就是热管在建筑节能中的应用领域之一。
一、热管
1942年，Gauler提出热管的原理，1964年，Grover等提出了类似于Gauler的传热元件，墩名热管，此时，热管正式出现。之后，很多的科学技术工作者开始从事热管研究，使热管得到了很快的发展。热管通常分为有芯热管以及重力热管。
热管采用相变传热，导热系数极高，比银、铜、铝等金属热导体高出几个数量级。重力热管的热传导性超过铜棒200~500倍。
热管具有很好的等温性，因为当冷凝段温度下降时，立即有蒸汽冷凝放出液化潜热，以保持一定温度。
热管的冷凝没用运动部件，不具有破坏性。蒸发段和冷凝段可以距离很远，输入输出的热流密度可以变化。由于热管这些优良的热性能，使其在热利用方面得到了广泛的应用。
二、热管型太阳能热水器
热管的诸多优点加之其热二极管性，防止了家用太阳能系统的逆循环，使得热管成为太阳能系统中传热元件的良好选择。由于生活热水的提供仍是太阳能热利用的主要方面，所以太阳能热水器技术的发展仍然是太阳能热利用技术的主要方向之一。
热管型太阳能热水器具有防冻能力强、启动快、传热性能好、防腐蚀、防结垢、成本较低、使用可靠等优点，它的出现使太阳能热水器的发展更加快速。
热管型太阳能热水器一般由太阳能集热器、水箱、支架和循环管等几部分组成。太阳能集热器吸收太阳辐射能用于加热贮水箱内的水。循环管路包括上水管、回水管、排气管，每套管路都有开关控制。
1、热管型太阳能集热器
集热器是太阳能热水器的核心部件。热管型太阳能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。其中闷晒式太阳能集热器结构简单、易于安装，且价格较低，但是保温性能不佳。
1、1平板式热管太阳能集热器
(1)平板式太阳能集热器
传统的平板集热器由集热板、透明盖板、隔热层和壳体4部分组成。其优点为结构和制造工艺简单，维修简便和价格低廉。理论上平板式太阳能集热器的平均效率比真空管式太阳能集热器要高。文献研究指出若集热温度 10~20℃，即使室外温度不高，半极集热器的集热效率可达到 50％左右，甚至更高，因此集热量也很可观，由此可见平板太阳能集热器有很好的发展潜力。
但是平板式太阳能集热器与真空管式太阳能集热器相比，平均热损系数较高，高温段的效率偏低；当冬季室外气温过低时，可能出现集热管破裂、冻结等问题。随着热管和蜂窝技术的出现，这问题在逐步的被解决。
(2)平板式热管太阳能集热器
平板式热管太阳能集热器的T作原理是当太阳辐射能透过两层平板玻璃后，其热量被涂有表面吸收涂层的平板式热管吸收，热管达到工作温度(30℃左右)后，通过内部丁质的相变过将热量迅速输送给蓄热器。与普通平板太阳能集热器相比具有传热效率高，抗冻能力强，工作性能稳定、使用寿命长等优点。
平板式热管太阳能集热器的缺点是经山半极式热管太阳能集热器的盖板和集热极之间的对流和传导2种传热，使其热损失较大，日平均效率只有50％或更少。通过国内外学者的大量研究，这问题正在得到逐步解决。在平板式热管太阳能集热器的透明盖板下加蜂窝夹层构成蜂窝热管平极太阳能集热器，研究表明这种结构可以大大减少热损失，提高日平均效率。胡亚才等研究了真空玻璃盖板的平板式热管太阳能集热器，实验得出这种结构日平均效率较高，平均热损失系数较小。Riffat提出的薄膜热管太阳能集热器也可以进一步解决平板式热管集热器盖板热损失的问题。把复合抛物面聚光器(compound parabolic concentrator，CPC)和热管平板式集热器相结合形成热管式太阳能集热器，实验表明可以提高集热器的集热温度和集热效率，降低热损失。
另外，对平板式热管太阳能热水器的结构参数，诸如：吸收板材料和密度、热管的倾斜度和管径的比值、冷凝长度和整个热管长度的比值、水箱容积与收集器面积比率以及水箱容积与水箱尺寸比值等进行优化设汁也能进一步提高整个热水器的热效率。由此可见，随着平板式热管太阳能集热器的缺陷在不断的被弥补，平板式热管太阳能集热器正在逐步被人们所认可。
1．2 真空管式热管太阳能集热器
(1)真窄管式太阳能集热器
普通的真空管式太阳能集热器由内外2层玻璃管套合密封而成，2层玻璃管之间抽真空，外层透明，内层玻璃管外壁镀上一层黑色吸热薄膜，管内充满水。太阳能以辐射的方式把热量传给外层玻璃管，内管中的水以对流和传导的方式传热。其优点为进入玻璃管内的热能不易散失口剐。缺点为易结垢，水压不稳、水温调节不便……处于室外的进水管在低温下可能会凶管内水结冰而造成堵塞甚至爆裂。
(2)真空管式热管太阳能集热器
真管式热管集热器是玻璃-金属封接的真空集热管的一种。目前，我国主要有3种真空管式热管集热器。
热管式真空管集热器的优点是抗冻能力突出，适合于高寒地区。并且通过合理地选择热管的管材、工质和管芯材料，还可解决腐蚀和结垢问题。
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、金属一玻璃封接和玻璃真空密封等生产制造工艺，工艺比较复杂、技术难度比较大，具备这样生产条件的企业较少。
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～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。
热管式真空管太阳能集热器凭借其不易炸管、不易结垢、高集热率的特点，特别是采用了CPC技术后工作范围更宽，使其越来越受到广泛的关注。
2、热管型太阳能热水器的其它部件
水箱和支架是太阳能热水器(包括热管太阳能热水器)除集热器以外的另外两个重要的部件，它们的性能好坏也关系到太阳能热水器整体性能。
水箱用于储存冷、热水，要有良好的保温性能，即储水和储能。按其国家标准可将水箱分为4类，即开口式水箱、出口敞开式水箱、封闭式水箱和水槽供水式水箱。水箱一定要确保密封和保温，这样才能保证热水的及时供应。这就涉及了水箱内心、外壳的制造，内胆通常要采用0.5mm 以上的不锈钢板厚，外壳应用0.4 mm厚钢板。保温层采用聚氨酯一次性整体发泡型，厚度应不小5cm。
支架是整个太阳能热水器的支撑骨架，所以要求整体结构合理、结实牢阎、承重能力强，具有较强的抗风能力、防腐能力。
三、热管型太阳能热水器与其它系统的结合使用
基于热管型太阳能热水器的优点，热管太阳能热水器与热泵、空调等系统结合使用，能够进一步提高整个系统的性能。
太阳能集热器、热泵和空调结合在一起使用可同时满足冬季供暖和夏季制冷的两种要求，同时还可满足生活用热水的需要，克服了单纯利用太阳能供暖时，寒冷天气和阴天、雨雪大热量不足的缺点。青岛理工大学的周恩泽等设计建立了以热管式真空管太阳能热水器和水源热泵机组为热源、以地板辐射采暖系统为末端设备的太阳能一热泵地板辐射采暖供暖系统实验台。测试结果表明太阳能热水器效率高且稳定，热泵机组制热系数达到最初设计要求。利用采暖系统作为补充热源，将采暖系统回水送入设在太阳能储水箱中的换热器，辅助加热，既不影响采暖效果，又能提高锅炉的利用率。Huang等研究了热管太阳能辅助热泵热水器系统，在太阳能辐射充足时使用热管型太阳能集热系统，太阳能不充足时使用热泵系统提供热水。这种混合系统性能系数达到3.32，比单一热管太阳能模式和单一的热泵模式都高。
太阳能受季节和天气条件的限制，不可能提供持久永恒的热量，这样在太阳能的基础上引进热泵、空调等系统，可以保证热量的及时供给，还可以进一步降低常规能源的消耗，有效减少了系统的运行费用等。由此可见，热管型太阳能热水器 与其它系统的结合使用是高效、经济的，有良好的应用前景。
四、目前热管型太阳能热水器存在的主要问题及其解决途径
在过去的几年里，太阳能热水器市场获得了很大的发展，新技术和高质量的产品也得到了应用。热管型太阳能热水器有望成为以后发展的趋势。但是日前这一产品还存在一些问题，诸如工质和制造工艺等，这些问题制约了热管式太阳能热水器的广泛应用。
(1)人阳能热管一般用水作工质，水与铜管壳有很好的相容性、蒸气压适中、提纯容易并且水的汽化潜热值比较大。但是水的冰点为 0℃，工作温度范围是 28．9~227℃，如果热管内的水结冰，热管就不能正常工作。我国北方寒冷地区冬季的温度一般可达--20℃，这对防冻提出了严格的要求，增加了以水为工质的热管式太阳能热水器在北方寒冷地区冬季使用时的成本。
(2)水在温度低于50℃时，蒸汽密度很低、传热介质过少、传热性能较差，故热水器水箱内的水开始加热时升温较慢，冬季尤甚。
(3)水作为热管T质，启动温度偏高、表面温度均匀性差。而阴雨天太阳能辐射不充足，这样太阳能热水器就不能满足阴雨天对热水的需求。
(4)太阳能热水器安装复杂，如安装不当会影响住宅的整体美观度和城市市容。并且多数太阳能热水器安装存楼顶，比较难以维护保养。
对于上述问题，水工质带来的弊病可以考虑采用其它介质替代水作为解决方案。对常年进水温度偏低且所需热水温度小高的地区，可考虑用醇类(例如甲醇或乙醇)作工质。低温时甲醇的蒸气密度比水高一个数量级，尽管汽化潜热只有水的一半，但综合热性能较好。与纯水相比，乙二醇一水溶液具仃较高的热传输限。
对于阴雨大水热管的太阳能热水器不能启动的问题可以考虑采用辅助法或者改变介质降低热管的启动温度。而对于安装和维护问题，如能在节能建筑的设计阶段就加以综合考虑，则问题会更好解决。
极高的导热系数、良好的等温性、冷凝段没有运动部件、不具破坏性等优点使热管在太阳能热水器得到了重要应用。太阳能集热器是太阳能热水器的核心部件。平板式热管集热器和真空管式热管集热器是日前国内外研究的热点，这2项热管集热器技术的发展极大地推动了太阳能热水器行业的发展。热管型太阳能热水器与热泵、调等系统结合使用，能够进一步提高整个系统的性能和效率。
