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免維護超導抗凍平闆集熱器和其熱水系統簡析
2016-7-5

摘要 本文針對采用股票配资換熱的平闆型太陽能熱水系統進行了研究,提出了一種真正直接走水,抗凍-40℃的免維護高效抗凍平闆太陽能熱水系統。

現在市場上應用比較廣泛的平闆 太陽能熱水系統一般采用銅鋁複合吸熱闆芯,管闆式流道平闆集熱器作为吸熱、傳熱設備,采用盤管或夾套換熱水箱作为儲熱設備,采用股票配资作为循環介質。本文針對此類平闆太陽能熱水系統進行了研究,提出了一種真正直接走水,抗凍-40℃的免維護超導抗凍平闆集熱器(見圖1)及其熱水系統。


圖1 免維護超導抗凍平闆集熱器多層結構圖

1 無機高效扁平多孔熱管

導熱管是平闆太陽集熱器的關鍵部件。目前市場上有小部分平闆太陽能集熱器開始采用熱管来傳遞熱量進行熱交換,但这些熱管都是采用有機物作为超導工作介質,在使用過程中會産生大量不凝氣體留在導熱管冷凝端,會阻礙熱量的繼續傳遞,導致導熱管的傳熱效率大大降低。

为了克服上述熱管的缺陷,我公司開發了一種具有半圓弧拱形冷凝端的無機高效扁平多孔熱管。圖2和圖3分别为無機高效扁平多孔熱管的實物圖和橫截面示意圖。


圖2無機高效扁平多孔熱管的實物圖  

如圖2所示,熱管的冷凝端成半圓弧拱形,并且在冷凝端頂部預留了3cm长度左右的安全段。冷凝端半圓弧的直徑與流道外徑相同,導熱管與流道以抱箍式結合在一起,使導熱管與流道的接觸面積最大化,流道能夠最大限度吸收導熱管傳遞的熱量,已达到提高整個集熱器效率的目的。安全段的作用是預防導熱管産生的不凝氣體在冷凝端的聚集。假如有不凝氣體産生,便會留在安全段,不會影響冷凝端熱量的傳遞。


圖3無機高效扁平多孔熱管的橫截面示意圖

該熱管是由鋁合金材料经過擠壓或者沖壓成型的具有很多平行排布的长方形陣列多孔的導熱體,如圖3所示。多孔管道上下壁面为鋸齒形,即壁面上有軸向梯形凸起,相鄰凸起間形成梯形凹槽作为軸向槽道式吸液芯。熱管扁平狀邊緣为圓弧形,相應邊緣的多孔管道邊緣也为圓弧形。導熱體的长方形陣列多孔内灌裝有無機超導介質,兩端由冷焊形成密封口帶。無機導熱介質在熱管工作過程中不會産生不凝氣體或隻會産生少量不凝氣體,另外無機導熱管還具有啟动速度快,均溫性好,熱阻小等優點。


圖4熱管成陣列排布結構

集熱器的熱管成陣列排布(如圖4),由于每根無機高效扁平多孔熱管内部都有很多平行排布的多孔導熱管,因而使得集熱器每m2具有400~1000根獨立運行的微熱管。熱管陣列平闆太陽能集熱器具有全面積熱吸收和熱傳導結構,無翅片效應,全面積均溫,熱傳導效率高,對流熱損失小,因而使得該集熱器具有更高的熱效率。

2 無空氣膜導熱矽膠黏結工藝

傳統的平闆集熱器闆芯流道與吸熱塗層之間采用激光焊接或者超聲波焊接,而在焊接過程中勢必會産生較高的溫度,然而目前管闆的集熱器闆芯所采用的流道壁厚一般为0.4~0.8mm,所以在後續集熱器運行期間極易出現焊點脫焊及焊點洩漏問題(如圖5);焊接高溫也破壞了吸熱塗層的表面結構,導致吸熱塗層效率降低(如圖6);闆芯内部流道與吸熱塗層之間为線接觸,傳熱面積小,導致導熱效率減低。

本産品集熱器闆芯、導熱管、流道之間的連接采用高性能導熱矽膠黏結,沒有任何焊接部位,如圖7。導熱矽膠采用1700導熱型黏結矽膠,對大多數金屬和非金屬材料具有非常良好的黏結性,通過與空氣中的水分子反應引起交聯,而硫化成高性能彈性體,不需要加熱等其他方式就能固化。固化後形成的彈性體具有優良的耐老化、耐高低溫 (-60℃~300℃)、絕緣、防濕、防潮、溶劑不溶脹等優點。該黏結工藝簡單,節省成本,生産效率提高。各部件之間接觸面更加緊密,無空氣層存在,有效防止熱量的損失,使集熱器具有全面積熱吸收與熱輸運的構造,無翅片效應,全面積均溫,對流熱損小,因而具有較高的熱效率。


圖7.集熱器闆芯、導熱管、流道黏結實物圖

3 集熱器抗凍研究

集熱器流道中的水在冬季低溫條件下容易結冰,而水結冰時體積膨脹過程産生的力相當巨大,易使集熱器流道破裂損壞,因此平闆集熱器的冬季凍結問題一直受到人們關注。

傳統平闆太陽能集熱器流道本身并沒有抗凍能力,所以必須使用股票配资作为傳熱介質。

本産品在集熱器流道中設置一根兩端密封的十字中空矽膠管,流道内水結冰體積膨脹時,矽膠管被擠壓體積縮小,有效緩解結冰對流道産生的壓力,保護流道不被破壞;當集熱器工作後,流道内冰融化後,壓力減小,矽膠管恢複原狀,抗凍原理如圖8。采用此技術可以有效解決管内流體冰凍問題,無爆管隐患,延长集熱器使用壽命。


圖8矽膠管抗凍原理

3.1理論验證

建立模型,并使用ansys進行有限元分析。

采用的材料參數見表1。

表1 采用的材料參數

通過應力雲圖(見圖9)可以看到,在-40℃最大應力为0.652×108Pa,<3003鋁的屈服極限1.25×108Pa,所以鋁管未破壞。

3.2實際验證

2013年1月11日~14日,我公司在哈爾濱安裝了一套100L的陽台自然循環熱水系統,運行3天,最低環溫-37℃,系統無損壞情況。

4 外框彎接、鋁壓條密封技術

普通的集熱器外框采用四邊拼接的方法進行連接(如圖9左),在四個角落有細縫,強度較低,密封性較差,水汽進入後腐蝕内部組件,使集熱器的效率和使用壽命大打折扣。本産品整個集熱器外框采用彎接技術和鋁壓條密封技術(如圖9右),四角沒有接縫,密封性好,強度高,并且具有防水、防腐作用。


圖9 應力雲圖

5儲熱設備

傳統的平闆太陽能熱水系統采用盤管或夾套換熱水箱作为儲熱設備,这兩種水箱都是通過介質傳熱,屬于二次換熱,所以換熱效率低,得熱量少。

免維護超導抗凍平闆集熱器熱水系統采用的是不鏽鋼直接換熱水箱,集熱器内管道循環水经過加熱後直接進入水箱供用戶使用,換熱效率更高,得熱量更多。如圖10。

6 系統運行

傳統的管闆式平闆太陽能熱水系統,使用股票配资進行換熱,股票配资極易揮發,一旦系統内股票配资揮發,系統循環介質不足導致系統熱量無法傳輸或熱量傳輸速度降低,導致系統熱效率降低。为了保證系統内有足夠股票配资,需定期上門維護注液。由于整個系統吸熱元件(平闆集熱器)與儲熱原件(水箱)之間是通過股票配资来進行熱交換的,股票配资向水箱傳遞熱量屬于二次熱交換,換熱效率較低。

本産品整體系統直接采用水循環,無需添加股票配资,集熱器内管道循環水经過加熱後直接進入不鏽鋼直接換熱水箱供用戶使用。本産品不存在股票配资揮發現象,更不需要定期添加介質,維護量較少;集熱器内部流道結構簡單,無堵塞現象,系統故障率極低。


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