两种集热器的热性能比较

2007-01-24 12:21

两种太阳集热器的热性能对比分析

近年来，我国太阳热水器产业迅速发展，太阳集热器的热性能测试和评价工作越来越受到生产厂家和消费者的重视。平板型太阳集热器和热管式真空管太阳集热器是目前市场上较常见的两种太阳集热器。由于这两种集热器结构的不同导致其热性能的差异。

1.两种太阳集热器的工作原理分析

图1所示为平板型太阳集热器。

当太阳辐射能QA投射到透明盖板上，其中一部分被盖板吸收和反射，其余到达涂有吸收涂层的吸热体表面，大部分的太阳辐射被吸热体所吸收，小部分向透明盖板反射。被流道内流体吸收的热量为有用能量收益QU，与此同时，吸热表面通过透明盖板和外壳向环境散失热量，即热损失QL。

热管式真空管太阳集热器的结构如图2所示。

投射到真空管上的太阳辐射QA，一部分被外管壁吸收和反射，剩下的将到达带涂层的内管外表面，其中的大部分被涂层吸收，加热内管壁，使热管蒸发段内的传热介质气化。蒸气上升到热管冷凝段后，再由热管的冷凝段将热量传递给联集管内的工质，成为有用能量收益QU。工质凝结成液体，依靠重力流回蒸发段。集热表面向环境散失的热量即为热损失QL。

根据能量守恒原理，集热器能量平衡方程为：

QA=QU+QL+QS（1）

2.集热器热性能评价

在稳态条件下运行的太阳集热器的热性能，可以用下列关系式加以描述：

QU=AI（τα）e-AUL（Tp-Ta）=mCp（Tf,o-Tf,i）（2）

由于TP难以确定，引入集热器热转移因子FR，其物理意义为集热器获得的实际有用能量收益与集热器吸热体温度等于流体进口温度时的有用能量收益的比值。

把式(4)代入式(5)得到集热器瞬时效率方程的表达式：

3.瞬时效率试验

按照标准规定搭建试验台(图3)。根据国家标准(GB／T4271-2000，GB／T17581—1998)对这2种集热器进行瞬时效率测定。

被测平板型太阳集热器的规格：1200 mm~1010mm，采光面积1．20m2。

被测热管式真空管太阳集热器的规格：真空管规格0.58mm×l800mm，12根，采光面积

1.22m2。

测试周期内测量参数的偏离范围，均在GB／T4271-2000和GB／T17581-1998允许范围之内。工质流量为0.015~0.020kg／(m2s)，并保持恒定。

被测的物理量包括日射辐照度I，环境空气温度Ta，集热器工质进口温度Tf，i；集热器工质出口温度Tf，o，集热器内工质流量m。

4.数据处理及结果分析

由瞬时效率试验所得到的数据，利用最小二乘法拟合得出瞬时效率的一次或二次曲线方程。回归系数用t检验，在检验中使用统计量tb=b/sb，(sb为回归系数b的标准差)。在给定显著水平α和自由度df=n-k-1条件下，可通过查表得出临界值ta。若tb≥ta，则说明T*对η影响显著，回归系数可接受；否则，则不显著，需重新回归。

通过对集热器的瞬时效率曲线方程的回归系数进行t检验，可知这两台集热器瞬时效率曲线均适合采用一次曲线。测试结果见图4，图5。

从图中可以看到，平板型太阳集热器效率曲线的截距(即η0)为0．675，热管式真空管太阳集热器效率曲线的截距(即η0)为0．568，在集热器与环境没有热交换时，平板型太阳集热器的最高瞬时效率要高于热管式真空管太阳集热器。

另外，图中所示的平板型太阳集热器瞬时效率曲线的斜率要大于热管式真空管太阳集热器。曲线的斜率主要决定于吸热体的传热性能。对于热管式真空管太阳集热器，由于内外管之间的夹层为高真空，只存在辐射换热，而平板型太阳集热器的吸热板和透明盖板之间，留有空气夹层，即存在对流换热又存在辐射换热。这样平板型太阳集热器的要大于热管式真空管集热器。当集热器工质温度较高时，在相同环境空气温度、集热器进口温度条件下，在式

(6)中可以看出平板型太阳集热器FRUL的值更大。所以集热器正常工作时，在工质温度逐渐升高的过程中，平板型太阳集热器的瞬时效率降低较快，效率曲线陡。热管式真空管太阳集热器的瞬时效率降低较慢，效率变化平缓。