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分离热管式太阳能热水器

信息来源:nooeoo.com  时间:2008-02-16  浏览次数:168

  分离热管原理明了、结构简单、加工容易,生产设备及工艺均与现有热管一样。本文所述的分离热管太阳能热水器,自动运行,无需消耗额外能源,适合在寒冷地区分体安装。它与现有分离热管技术相比具有明显的优势:在较小热流密度运行时,也能实现蒸发管降膜蒸发,蒸发管上下管壁均有相变换热发生,而且降膜蒸发换热系数比现有分离热管池式蒸发换热系数大l~3倍;同时,其中的冷凝液体分配机构,很好地实现了分离热管的冷凝液均匀分配至各个蒸发管。安装稍微倾斜时,各蒸发管供液也几乎均匀,即对安装尺寸精度要求不高,易于推广普及。本文所述的分离热管太阳能热水系统,其多个不同高度的蒸发器匹配一个冷凝器,而其特有的冷凝液体分配结构可以实现分离热管系统的冷凝液均匀分配到高度不同的蒸发器。比如,一幢楼上,或者利用整个坡屋面时,就可以用多个蒸发器安装于不同高度位置,再匹配一个冷凝器,组成太阳能热水系统的分离热管系统。而现有分离热管式太阳能热水器不能用多个不同高度的蒸发器匹配一个冷凝器,原因是不能很好地将冷凝液均匀分配到高度不同的蒸发器。
  现有技术概况
  1.热管一双层真空玻璃管式太阳能热水器
  热管一双层真空玻璃管式太阳能热水器如图l所示。技术要点:多根重力热管上端插入热水器保温贮水箱,热管下端伸进双层真空透明玻璃管中。工作时,太阳能光透过双层真空透明玻璃,照射在涂覆选择性吸收涂层的金属热管表面,热管吸收太阳能辐射能转化为热能,加热内部的工质汽化上升到热管上端,将热能传给保温贮水箱中的低温水,随后工质液化并在重力作用下,顺热管管壁往下流动,同时吸热汽化上升,如此循环。此类太阳能热水器的缺点是:保温贮水箱需要开许多孔,加工复杂;贮水箱强度降低;热泄漏点多。
  (热管中实线箭头为液态工质流向,虚线箭头为气态工质流向。下同。)
  2.分离式热管式太阳能热水器
  分离式热管式太阳能热水器蒸发段和冷凝段分开布置,中向用柔性管连接,可实现远距离传热,集热器和贮水箱分开布置。图2为现有典型的“平板-分离热管太阳能热水器”结构示意图。
  分离式热管的冷凝器置于贮热水箱中,集热-蒸发管(以下简称为蒸发管)直接吸收太阳辐射能转化为热能。此方案的缺陷是:蒸发管上半部管壁的润湿效果受多种因素影响,难确保上半部管壁也有工质相变换热,不能充分发挥上半部管壁作用。
  3.采用两级热管接力传递的太阳能热水器
  有人提出用两级热管接力传递的方式,即第一级为普通热管,第二级为分离热管,分离热管的冷凝端与蒸发端之间用长软管连接,而第一级热管的冷凝端置于第二级热管的蒸发腔内。第一级热管的蒸发段吸收太阳能,工质吸热气化上升到冷凝端,将热量传递给第二级热管的工质,工质汽化上升到第二级热管的冷凝端,再将热量传给贮水箱内的水。
  此方案缺点是传热环节多,不利于传热。
  新型分离热管式太阳能热水器
  为了克服上述太阳能热水器的不足,本文提出一种新型分离热管式太阳能热水器,它包括:真空管型、平板型和多个蒸发器匹配一个冷凝器的分离热管太阳能热水系统三种类型。
  1.真空管型分离热管式太阳能热水器
  将分离热管技术与真空管技术很好地结合在一起,贮水箱比集热器稍高,可远离集热器置于室内,利用分离热管吸收太阳辐射能变为热能,并将此热能传递给贮水箱中的水。分离热管的蒸发管兼作太阳能热水器的集热管直接吸收太阳能,分离热管的冷凝器置于太阳能热水器贮水箱中,集热管伸进双层真空玻璃管中。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,而且冷凝液从蒸发管上端进入蒸发管,形成降膜蒸发;即使集热器安装稍有倾斜,也能实现蒸发管降膜蒸发,冷凝液均匀输送的目的。因此比目前现有真空管-热管太阳能热水器有明显优势贮水箱可置于室内,散热少;贮水箱开孔少,漏热点少。
  (1)结构
  如图3所示,分离式热管的冷凝器置于保温贮水箱中,分离式热管的蒸发管直接吸收太阳能辐射能转化为热能。
  新型真空分离热管太阳能热水器的关键在于分离热管的独特结构,技术要点是:至少由若干蒸发管和毛细织物带、上联箱、蒸汽上升管、冷凝液下降管及冷凝器组成。而蒸发管上段伸进上联箱内腔中一段,毛细织物带跨在蒸发管上段管壁内外两侧,一头位于上联箱底部,另一头在蒸发管上段管壁内部,位置较低;蒸发管上端及毛细织物带均处于同一水平高度;毛细织物带输送工质的最大流量等于蒸发管在最大蒸发能力时蒸发液体的质量。毛细织物带固定定位,管壁与下联箱密封连接,将图中气体工质连续循环的腔体内部抽真空后,充注适量工质。
  (2)分离热管的运行
  安装无误差时,在运行过程中,热管系统的冷凝液体完全均匀地分配至各蒸发管上端,形成降膜蒸发。蒸发管进液全部依靠毛细织物带的毛细力输送,蒸发管进液量等于毛细织物带输送液体量。
  分离热管停止运行时,工质液体聚在蒸发管底部。当太阳能光照射蒸发管时,蒸发管吸收光转换的热量后,在底部先有池式蒸发,工质汽化上升,流程为:蒸发管→上联箱→蒸汽上升管→冷凝器,将热量传递给贮水箱内的水后液化;液化的工质在重力作用下的流程为:冷凝液下降管→上联箱→毛细织物带→蒸发管,顺管壁由上往下冲淋蒸发管管壁,同时吸热蒸发,形成重力作用下的流动薄膜蒸发,如此循环。
  启动第一次循环的工质质量只是蒸发管底部一段的池式蒸发,冷凝回流的液态工质在蒸发管上段管壁全部蒸发汽化,但还不足以传递蒸发管接收的太阳能,蒸发管底部的工质继续池式蒸发,即蒸发管进液量小于蒸发量。显然,每一次循环的工质量大于上一次循环的工质量,蒸发管底部的工质减小,上联箱液位上升,随之蒸发管进液量增加,启动是加速过程,直至蒸发管进液量与蒸发量相等时,达到动态平衡。
  如果热流密度增加,蒸发管进液量在蒸发管上段管壁全部蒸发汽化,还不足以传递全部的热流,那么蒸发管底部的液体再次有池式蒸发,达到新的动态平衡。
  如果安装中产生小误差,分离热管产生倾斜,蒸发管上端口不在同一高度,由于毛细织物带的作用,也能在不同热流密度下多次重复启动运行,即本分离式热管的蒸发器即使安装稍有倾斜,照样能适应太阳能热水器的工作条件。安装稍有倾斜,当分离式热管运行达到动态平衡时,越低处蒸发管进液量越大。最低处蒸发管进液量全部汽化刚好带走该蒸发管接收的太阳能,达到动态平衡时,其底部的液体工质量不变;其它蒸发管进液量全部汽化还不足以带走该蒸发管接收的太阳能,其底部有液体池式蒸发(对图3所示装置而言,蒸发管底部没有液体工质)。此时分离式热管传递的总热量,小于无误差时传递的总热量。
  (3)运行最小热流密度
  这种太阳能热水器的分离热管在安装有小误差情况下,要使所有的蒸发管均有进液而形成降膜蒸发,热流密度必须大于某一值,该值称为运行最小热流密度。
  蒸发管传热时的热流密度取决于太阳能的辐射强度和贮水箱的水温。如果毛细织物带参数确定,倾斜误差△h一定,对应的运行最小热流密度也就确定了。因此,我们通过设计毛细织物带的参数,规定允许误差△h的最大值,就可保证本太阳能热水器在负荷大于运行最小热流密度时正常运行。
  (4)真空玻璃管破损
  如果使用过程中,有某一根蒸发管外的双层真空玻璃管破损,造成该蒸发管完全没有蒸发,太阳能热水器可以运行;如果蒸发管破损,则工质泄漏,热水器无法运行,但贮水箱的水并不泄漏,因此可以避免“水漫金山”,保证安全。
  2.新“平板-分离热管太阳能热水器”
  图4为新型平板型分离热管式太阳能热水器示意图。分离式热管的冷凝器置于贮热水箱中,蒸发器直接吸收太阳能辐射能并变为热能。
  其结构与工作原理基本与真空管型分离热管式太阳能热水器一致。
  3.多个蒸发器匹配一个冷凝器的分离热管太阳能热水系统
  图5为多个蒸发器匹配一个冷凝器的分离热管太阳能热水系统示意图。多个蒸发器匹配一个冷凝器,冷凝器置于贮水箱中。这种结构同样适用于上述平板型分离热管式太阳能热水器系统。
  该系统为两个相同的蒸发器匹配一个冷凝器的分离热管系统。系统中设置了独特的液体分配机构:由液体分配箱、液体分配毛细织物和供液支管构成。分离热管系统中的各个蒸发器最好型号一样,以保证蒸发器热负荷相同,运行平衡;另外蒸发器最好位于同一朝向,且不相互遮挡。
  有关问题的探讨
  1.有关参数
  如图6所示,有待进一步探索与研究的是:参数Hi、Hx、Ho的确定,安装倾斜误差△h的允许范围以及毛细织物带在不同条件下输送液体的量。见图6非倾斜安装、图7倾斜安装。
  以水作为工质进行特定毛细织物带输液量试验:图示Ho为102mm,高处毛细织物带最高点距液面即Hx为47.5mm,安装倾斜误差△h为10mm。结果表明:高处的输液量与低处的输液量的比值为70%左右。
  此时分离式热管传递的总热量比无误差时传递的总热量小多少呢?分离式热管传递的总热量等于整个蒸发器进液量汽化潜热,蒸发器进液量为各蒸发管进液量之和。蒸发管进液量分析,AB为蒸发管最小进液量,CE为蒸发管最大进液量,BE、BFE、BHE分别为蒸发管进液量可能的三种分布曲线。BE表明毛细织物带输液量呈等差数列增减,那整个蒸发器进液量与无误差时蒸发器进液量的比值可以计算出来为85%,如图中ABEC所围成的面积,而如图中AI:EC所围成的面积是无误差时蒸发器进液量之和;如果毛细织物带输液量分布在曲线BHE上,则蒸发器进液量为ABHEC所围成的面积,显然大于AIEC所围成面积的85%;同理,ABFEC所围成的面积,显然小于AIEC所围成面积的85%,但大于AIEC所围成面积的70%(ABCD所围成面积),在产品上可行。
  选择工质的原则同普通热管一样,工作的高温段压力不太高、工作的低温段压力不太低,与管材不产生化学反应,不产生不凝性气体,环保无毒。根据工质的冷凝换热系数来设计冷凝器换热面积。关于汽化工质的类型与数量对热水器热效率的影响尚需进一步研究探讨。
  2.生产与安装方面的问题
  以真空管-分离热管太阳能热水器为例,其总体可为四大部分:集热器、水箱组合体、连接管和支架。其中,蒸发管和上联箱(平板-分离热管太阳能热水器还包括下联箱)合称为分离热管的蒸发器;连接管与蒸发器、冷凝器之间的连接为可拆卸的密封连接,同分体式空调器类似,当然也可为永久性密封连接。
  蒸发管、上联箱、毛细织物带、双层真空透明玻璃管、密封塞、保温层组成一体,称为集热器。上联箱的液体进口、蒸汽出口设有截止阀,截止阀与连接管密封连接;真空泵连在截止阀上对蒸发管与上联箱组成的内腔(二者用同类金属焊接连接)抽真空,将其中的不凝性气体排尽,真空度要求同普通热管相同;然后由截止阀向腔体内注入工质,最后关闭截止阀;双层透明真空玻璃管套在蒸发管外,用硅橡胶密封塞密封。蒸发管与双层透明真空玻璃管之间可抽真空,此处的真空度要求不高。
  冷凝器、贮水箱、冷水管、热水管组成水箱组合体。冷凝器的蒸汽进口、液体出口设有截止阀,截止阀可与连接管密封连接;真空泵连在截止阀上对冷凝器内腔抽真空,排除其中的不凝性气体,真空度要求同普通热管相同;然后由截止阀向内腔注入工质,最后关闭截止阀。
  蒸汽上升管和冷凝液下降管分别单独加工成连接管,可与截止阀密封连接,并且连接管外包绝热层。
  现场安装时,先将集热器、水箱组合体二者固定,再用连接管将集热器、水箱组合体连接,检查连接处密封性符合要求后,用真空泵排除不凝性气体,最后开启截止阀。当然,如果热管选用工质在常温下压力较高,则可放出工质以驱除连接管内的空气。
 


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