[科普中国]-真空相变热管

概述

相变储能型太阳能真空管区别于传统的太阳能热水系统，可以独立进行太阳能光热的采集与储存，将传统太阳能的集热管和水箱合二为一，即具有吸热、储热的双重功能。相变储能型太阳能真空集热管简化了太阳能热水系统的结构，降低设备成本。相变储能型真空管是在U型玻璃真空管基础之上添加了相变蓄热材料，下面将具体
介绍单根相变储能型真空集热管的模型，并对其进行传热分析。1

基本原理物理模型单根新型相变储能型真空集热管主要由内玻璃管、外玻璃管、保护帽、消气剂、相变蓄热材料、U型铜管及其径向上的翅片等构成，其轴向截面图与横向截面图如图1与2所示：

如图1所示，U型紫铜管置于全玻璃真空集热管内部，为增强换热效果，提高换热系数，在其径向均匀分布有圆柱形翅片。相变蓄热材料填充在带有翅片的U型管与内玻璃管之间。为保证真空玻璃集热管的质量，玻璃材质应当具有良好的真空保持性与透光性，并且不容易被损坏。根据国家规定，真空玻璃管当采用硼硅玻璃3.3，材质性能应符合国际ISO3585标准。外玻璃对太阳辐射的透射率应当不小于0.89，并且被玻璃管与外玻璃管之间的气体压强及真空度不得大于。国家对选择性吸收图层也有一定要求，标准规定吸收涂层的吸收率应大于0.86，红外发射率不大于0.0941。目前，我国广泛应用在真空管上的选择性吸收图层为溅射多层铝-氮/铝（AL-N/AL），铝为底层，其吸收率大于0.93，红外发射率约0.06。

新型相变储能型真空集热管的工作原理是：白天，太阳辐射穿过外玻璃管，投射在内玻璃管外侧，内玻璃管上的选择性吸收涂层吸收辐射能并将其转化为热能，传递给玻璃内部的相变蓄热材料进行储能。夜间运行时，冷水由U型管一端流入，与管内的相变材料发生间接换热后从U型管另一端流出热水。

传热分析太阳辐射穿过透明真空玻璃管外壁，投射在其内玻璃外侧，辐射能被选择性吸收涂层吸收后转化成的热能并未全部传递给玻璃内的相变蓄热材料，一部分通过辐射、热传导等过程散失到周围环境中。

（1）根据能量守恒原理可得到，单位时间里太阳能真空集热管获得的有用能等于集热管吸收的太阳能辐射能去掉集热管对周围环境散失的能量，即：

式中，

——集热管获得的有用能，单位W；

——同一时段内集热管吸收的太阳辐射能，单位W；

——同一时段内集热管对周围散失的热量，单位W。

式中，

——有效采光面积，单位 ；

——集热管倾斜面上的太阳辐射强度， ；

——有效透射率与吸热表面吸收率的乘积。

考虑真空玻璃管对光线的折射因入射角度的不同而不同，在此取有效采光面积为吸收玻璃管投影面积的1.43倍，即：

式中，

——吸热玻璃管外径，单位m；

——真空玻璃集热管长度，单位m。

（2）集热管对周围散失的热量与吸热管表面温度、环境温度以及真空吸热管面积等密切相关，则集热管向周围散失的热量可采用如下公式计算：

式中，

——真空管吸热管面积（投影面积的 倍），单位 ；

——吸热管表面温度，单位K；

——环境温度，单位K；

——以吸热管面积为基准的总热损失系数，单位 。

总传热损失系数一般由真空集热玻璃管的热损失系数以及集管部分保温材料向周围环境散失的热量，即：

式中，

——真空集热管部分的热损失系数，单位 ；

——集管部分保温材料向周围环境散热的热损失系数，单位 ，集管部分的热损失系数可视为常数，折合到单位真空管吸热面积上的数值为0.1687 。

真空集热管对外界的散热量主要通过内外玻璃管之间的辐射、导热以及外玻璃管与周围环境之间的对流换热散失，真空集热管部分的热损失系数为：

式中，

—外玻璃管与环境之间的对流换热系数，一般取3-8 ；

—内外玻璃管之间的导热系数，根据文献]研究， 按照吸热管面积折算可取值0.2796 ；

——内外玻璃管之间的辐射换热系数，当环境温度与吸热表面温度差在10℃-100℃时，hnor的值为0.55-0.85 ；

综上所示，当集热管内温度与周围环境温度相差10-100℃时， 取值为0.343-0.374。1