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金属流道太阳集热器
发布时间:2020-09-11 09:42:01 浏览次数:0

无论是家用太阳热水器,还是集中式太阳能热水工程,无一例外都是某一建筑物的配套设施,而且绝大多数还要安装在这一建筑物或邻近建筑物上面,所以,太阳能与建筑的一体化是太阳能热利用行业发展的方向。 
  目前我国太阳能集热产品中,全玻璃真空管集热器占据绝对主导地位,但它在与建筑物的结合方面却存在下面一系列问题。 
  1)运行安全问题——玻璃管直接与被加热流体接触,由于玻璃易碎易裂,极易造成系统瘫痪; 
  2)密封可靠问题——玻璃管与金属容器的密封只能靠硅胶圈,其寿命及密封可靠性不能满足建筑行业需要; 
  3)结垢清理问题——由于玻璃管是盲管形式,流体在玻璃管中的加热温度又恰恰在钙、镁离子易于氧化析出的范围,水垢沉积清理问题很难解决; 
  4)承压运行问题——硅胶密封及玻璃的脆性都决定了系统不能承压运行,限制了承压式热水器及大型系统的应用; 
  5)集热器寿命问题——玻璃管的绝热性能依赖真空夹层,真空度的保持年限无法达到建筑行业要求。 
  以上这些问题,决定了全玻璃真空管很难建材化。也就是说,为了实现“太阳能与建筑一体化”,我们必须开发研制不同于玻璃流道集热器的新型太阳集热器,用来全部或部分解决上述问题,这就提出了金属流道集热器的思路。 
1 金属流道集热器简介 
  金属流道集热器,就是被加热流体只接触金属管道或容器,不接触玻璃,从而具备不易泄漏、密封可靠、可承压、运行安全、寿命可满足建筑行业要求等特点的太阳能集热设备。 
金属流道集热器的种类主要有金属板芯平板集热器、热管-真空管集热器、U型管-真空管集热器、采用金属内胆的闷晒式集热器四大类。其中闷晒式集热器由于结构笨重,热水保温问题不易解决,目前应用较少。 
1.1 金属板芯平板集热器 
  平板集热器是较早应用的一种太阳集热器,由于其结构形式及性能特点最易于建材化,一直是发达国家集热器形式的首选。在经历了很长的发展历程后,其内部结构、材料选择及组装技术均达到了很成熟的水平,如今仍是发达国家太阳能热利用产品中占主导地位的集热器形式,相信也是我国未来与建筑一体化的太阳能热利用行业主导产品。 
平板集热器的缺点是在低温环境中,透过盖板玻璃的散热损失较大,导致整个集热器效率降低。这一问题是其本身结构造成的,不易解决。但由于金属流道集热器,单位平方米成本最低,而寿命最长,且在世界大部分地区,平板集热器全年总得热量高于其他形式集热器,所以金属板芯平板集热器仍被普遍采用。平板集热器典型结构见图1.

1.2 热管-真空管集热器 
  热管是一种高效导热元件,安装在全玻璃真空管中。热管和玻璃真空管之间有与二者紧密接触的金属翅片,将玻璃管转换的太阳能热量传导给热管蒸发段,热管再利用内部真空状态下工质的蒸发吸热和冷凝放热,将这一热量传递到被加热流体中。这样既实现了玻璃管不直接接触被加热流体,除去了全玻璃真空管集热器的一系列缺点,又保留了在低温环境中散热少,加热工质温度高的优点。尤其是热管工质一般凝固点低,可保证在气温低于0℃的环境中不冻坏,在不能进行排空防冻的自然循环系统中,热管-真空管式集热器更具明显优势。 
热管-真空管集热器的缺点是热量转换带来一定的热效率降低,同时双真空结构带来了结构复杂及造价高的问题,并极易导致装置的可靠性和寿命降低。目前无论国外还是国内太阳能行业所用热管,都还有很大改进空间,如能在制作及检验技术上更进一步,热管-真空管集热器将是一种非常有前途的集热器形式。 
  热管-真空管集热器有封装式和插入式两种,前者的缺点是造价高和真空度降低快,后者是转换效率低。图2是几种插入式热管。

1.3  U型管-真空管集热器 
  U型管-真空管集热器是在全玻璃真空管中插入弯成U型的金属管,在U型金属管和全玻璃真空管之间,同样有与二者均紧密接触的金属翅片,担负二者之间的热传导工作。被加热流体在金属管中流过,吸收全玻璃真空管收集的太阳能辐射热量而被加热,从而构成U型管-真空管太阳集热器。 
  U型管-真空管集热器和热管-真空管集热器一样,既实现了玻璃管不直接接触被加热流体,又保留了全玻璃真空管在低温环境中散热少,加热工质温度高的优点,同时还避免了热管-真空管集热器双真空结构带来的一系列问题。而且由于被加热流体是在玻璃管中被加热,热量转换得更直接,整体效率也高于热管-真空管集热器。 
  它的主要缺点是以水为工质,仍存在金属管冻裂和结垢问题,所以一般用于双循环系统及强制循环系统。图3是一种焊翅U型管。

2 金属流道集热器应用 
  以下介绍几种常见的金属流道集热器的应用。 
2.1  承压自动式家用太阳热水器 
  目前市场上常见的家用太阳热水器大多是非承压落水式,即水箱内胆不能承受压力(通常为厚度0.5mm的不锈钢板焊接),手动上水,靠水箱内水的自重下落出水。如要实现自动上水,就要依赖电磁阀和控制器;而要解决用户端热水压力小、洗浴舒适度低、温度调节困难问题,就只有加装增压泵。 
  承压自动式家用太阳热水器采用金属流道集热器,可以承压运行,水箱内胆也选用较厚的承压式结构(一般内胆厚度不小于2mm,承压0.6MPa以上)。它利用热水罐自然分层现象设计成底部进冷水,顶部出热水——自来水进水阀常开,热水器内部一直保持与自来水供水管同样的压力,热水自罐顶流出的同时,冷水自动从罐底补充,既实现了自动上水,又保证了用户端热水与冷水压力基本相同。 
  此外,由于承压自动式家用热水器在初次上水后,就一直保持整罐水,无特殊情况不会出现水位变化或空罐现象,从而避免了电加热管干烧起火的危险,所以承压自动式家用太阳热水器可以放心地设计成光电互补式。 
  承压自动式热水器一般采用平板集热器或热管-真空管集热器,前者用于非上冻地区,后者用于上冻地区。图4是一种典型的热管-真空管承压自动式热水器水箱剖面图,平板承压自动式热水器如图5所示。 


2.2  集中式大型太阳能热水工程(太阳能热水锅炉) 
  太阳能热水锅炉一般日供热水在数吨至数百吨,集热器面积从几十平方米到几千平方米,贮水罐单独安装,集热器阵列排放,加热流体在阵列集热器与保温贮水罐之间强制循环。大型太阳能热水锅炉对集热器的可靠性及承压性能要求较高,且市场日益趋向热水器与建筑物一体化安装,所以金属流道集热器在这两点上是最适合的。 
  单循环系统使用平板集热器或热管-真空管集热器较多,双循环系统则多采用平板集热器及U型管-真空管集热器。平板集热器可直接组成阵列,热管-真空管和U型管-真空管则先装配成承压式工程模块(如图5所示),再由模块组成阵列集热器。 
承压式工程模块主要由金属流道集热器、承压式工程联箱及托架组成。联箱的作用是收集每支单管所吸收的太阳能热量,为了发挥金属流道集热器的可承压优点,联箱也必须是承压的。热管式和U型管式承压联箱的内部结构分别如图6、7所示。


2.3 分体式太阳热水器 
  分体式太阳热水器是区别于普通一体式家用热水器的一种新型家用热水器形式,主要特点是集热器与贮水罐分开,将贮水罐放在屋面以下,以解决贮水罐安装在屋顶上所带来的安装、安全、美观等方面不可克服的缺点。 
分体式太阳热水器其实是一种小型太阳能热水锅炉,只是规模小,外观及控制要求更精致。它有几个特点: 
  1)集热器与建筑物在结构、形式、立面效果及零部件安装等方面高度结合,整个系统力求成为建筑物的一部分; 
  2)保温贮水箱置于室内,结构美观精致,配有电或燃气的可靠补热措施; 
  3)集热器与贮水罐之间强制循环,冷水补充及热水加压供应均为全自动化控制; 
  4)由于分体式热水器一般要满足建筑一体化设计,所以集热器必须“建材化”,在可靠性及寿命方面要求很高。 
  由以上特点分析可见,最适合分体式太阳热水器的仍是金属流道集热器。一般采用较多的是平板式或U型管-真空管式,其中平板式更易于“建材化”,寿命及可靠性更好,所以应用更为普遍。 
图8是一个典型的分体式中央太阳能供热系统。 

3 结语 
  玻璃流道集热器具有绝热性能好,加热温度高,成本低,可在寒冷地区全年运行等一系列优点,用于性能、寿命、自动化要求均不是太高的普通家用热水器无疑是最佳选择。但在太阳能与建筑一体化产品及集中式大型太阳能热水工程中,玻璃流道集热器就很难满足使用要求。 
金属流道集热器中既有成本造价比玻璃流道集热器更低而性价比更好的平板式,又有保持了玻璃流道集热器绝热性能好、加热温度高优点的热管式和U型管式,这些产品都部分或全部地解决了玻璃流道集热器的缺点,使太阳能集热产品可以实现与建筑物良好结合,为本行业产品的更新换代提供了基础和条件,所以金属流道集热器必将成为未来太阳热水器产品的主要采用形式.