论文总字数：20865字

摘 要

在节能与环保的时代潮流下，太阳能热水工程获得了快速的推广，提高太阳能热水工程核心部件集热管的效率成为了研究人员的努力方向。

本文采用一种新型全玻璃直通式真空集热管，剖析了它的结构，介绍了玻璃材料、选择性吸收涂层以及真空夹层。然后在原有集热器基础上设计了使用新型集热管的集热器。本文还分析了这种集热管的传热理论基础，分析了集热管内管、外管以及环境之间的换热。

本文还搭建了基于新型全玻璃直通式真空集热管的新型集热系统，同时设置一套传统的集热系统进行对比，通过测量出入口水温、太阳辐照强度、管内流量等数据得到了一天中两套系统的瞬时集热效率的变化曲线。对比两套系统的瞬时集热效率，新型集热系统的集热效率比传统集热系统高5%-35%，新型集热系统的集热效率式传统集热系统的1.25倍。这说明新型全玻璃直通式真空集热管大大提高了集热系统的集热效率。

关键词：全玻璃 直通式 集热管

ABSTRACT

In the era of energy conservation and environmental protection, the solar hot water project has been rapidly promoted, improving the efficiency of the solar hot water project core component of the collector tube has become the direction of researchers.

In this paper, a new type of all-glass direct vacuum collector tube is introduced, its structure is analyzed, and the glass material, selective absorption coating and vacuum interlayer are introduced. Then a new type of collector is designed on the basis of the original collector. This paper also analyzes the theoretical basis of heat transfer of this kind of collector tube, analyzes the heat transfer between the inner tube, the outer tube and the environment.

In this paper, a new heat-collecting system based on the new all-glass straight-through vacuum heat-collecting tube was built, and a set of traditional heat-collecting system was set up for comparison. By measuring the data of inlet and outlet water temperature, solar radiation intensity and flow inside the tube, the instantaneous heat-collecting efficiency curves of two sets of systems in one day were obtained. Comparing the instantaneous heat collection efficiency of the two systems, the heat collection efficiency of the new heat collection system is 5% to 35% higher than that of the traditional heat collection system, and the heat collection efficiency of the new heat collection system is 1.25 times that of the traditional heat collection system. This shows that the new all-glass direct vacuum collector tube greatly improves the heat collection efficiency of the heat collection system.

KEY WORDS: All-glass,Straight-through ,Collector tube

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究状况 2

1.3 本课题研究目的和内容 3

第二章 全玻璃直通式真空集热器 5

2.1新型全玻璃直通式真空集热管 5

2.1.1玻璃管 5

2.1.2真空夹层 6

2.1.3太阳能选择性吸收涂层 6

2.2新型全玻璃直通式真空集热器 7

2.3本章小结 8

第三章 全玻璃直通式真空集热管稳态传热理论基础 9

3.1 管内流体水与内管之间的对流传热 10

3.2内管/外管管壁的导热 10

3.3内管对外管的换热 11

3.4外管对环境的的换热 12

3.5太阳辐射有效吸收 13

3.6空气物性参数的确定 13

3.7本章小结 13

第四章 新型全玻璃直通式真空集热室外实验及分析结果 14

4.1 实验的目的和原理 14

4.2实验平台 14

4.3测量仪器和数据采集 17

4.4测试方法 17

4.5实验结果与系统性能分析 18

4.6本章小结 20

第五章 总结与展望 22

5.1总结 22

5.2展望 22

绪论

研究背景

人类社会长足发展的基础推动力是能源，而环境是我们的社会赖以生存的根本。但是如今能源的短缺和环境的污染让人不得不注意。能源的短缺问题疫情成为严重制约我国的经济发展的瓶颈，我国的单位产品的能耗量较高，而且我们的人均能源开采量远远低于世界平均水平。以石油、天然气资源为例，我国石油天然气资源仅占世界人均量的11%和4%。与此同时，我国可供建设新矿的尚未利用的经济查储量仅有203亿吨，远远满足不了煤矿建设的需要，现如今探明的煤炭资源也只能满足近50年的煤炭需求。在能源短缺的同时，环境污染也已经成为人类社会的严重问题。根据统计，中国的空气污染给公民的健康造成的损失每年占国内生产总值的2%-3%。如果我们任由其如此，在明年我国将为此付出大约3900亿美元，这个费用占我们GDP的13%。在我国的能源消费中，烟煤占有巨大的比例，正因为如此，造成我国空气污染的主要污染源是烟煤型污染。除此之外，造成我国酸雨形成的主要原因正是燃煤所排放的SO₂和NO_X。我国已经形成世界上仅次于欧洲和北美的第三大片酸雨区。大量的煤研石和煤层气也在煤炭的开采过程中产生，它们对环境造成了污染，引起全球气候的变化。正因为如此，当今世界人类面临的两大问题就是环保和节能问题。目前，全球的能源体系越来越快的向低碳化转变，为了减少污染，促使人类社会更快更好发展，大规模的可再生能源利用以及清洁低碳化的常规能源将会是能源发展的基本方向，可再生能源的利用成为全球能源转变的主流方向。

太阳能是指来自于太阳的氢氦聚变产生的大量热量通过辐射的方式传递到地球的能量，其具有资源丰富无需运输、无污染可再生以及不受地域限制的优点。在所有地球上的可再生清洁能源中，太阳能是储存量最大的，我国面积巨大，博物博产，太阳能资源丰富，可以利用现有的建筑发展太阳能热利用、太阳能发电等。相较于其他能源，太阳能足够丰富，某种程度上可以说是永不枯竭。但是当前在太阳能的利用上也存在许多不足，首先是太阳能的分散性，虽然自太阳而来到地球表面的的辐射能总量巨大，但是这种散落在地球表面的能量密度不大。在天气晴朗的五月，中午最高的太阳辐射能可以达到800W，然而全年平均的太阳辐射能只有200W左右。因此再利用太阳能量的时候，我们要充分考虑其能流的密度，为了获得较高的功率，我们可以增大其集热面积；其次是太阳能的不稳定性，太阳能的利用不仅受到经纬度、地形的限制，还会受到天气、昼夜、季节的限制。为了将太阳能转换为连续稳定可利用的能源，研究人员通过将不连续的太阳能储存为内能、重力势能等其他能量，再连续的放出加以利用；最后，太阳能的利用效率低成本高，目前很多的研究都停留在实验室内的理论研究阶段或是简单的样板工程。这三个缺点尚未解决，严重限制了太阳能的应用场景。

当前，太阳能主要有三种利用方式，光热转换、光电转换、光化转换。其中光热转换的本质是利用太阳能集热器将太阳辐射吸收，然后热传递给传热工质，最后直接利用。太阳能集热器目前主要分为平板型和真空管式。其中平板式结构比较简单、运行相对可靠，成本非常适宜，而且其具有较大的吸热面积、较强的承压能力，但是平板型太阳能集热器内部并非真空，保温性能较差，热损失比较大，并不适用于北方。真空集热器根据其组成材料结构不同分为全玻璃直通式真空集热管、热管式真空管、U型真空管等。其中全玻璃直通式真空集热管相较于U型真空集热管，改变自由对流换热为强制对流换热，大大提高了换热效率，越来越受到研究人员的重视。

研究状况

清华大学殷志强教授^[1]研发了一种全玻璃U型真空集热管。这种集热管的一端为自由端，内外管并未焊接在一起，另一端内外管熔封一起，内外管之间通过真空技术抽成真空，并且放入吸气剂保持真空。在这种集热管内观的外表面是一种太阳能选择性吸收涂层，它可以从太阳辐射中吸收能量然后将能量传递给管内的流动工质水，此时内管内的水温度会上升，然后热水会上浮，冷水会下降，这样，集热管内的水就循环起来，这种集热管在太阳能热水器领域得到了广泛的应用。之所以选择将内外管之间抽成真空，是为了降低内外管之间的气体的对流与传导热损。此外，在内管外壁涂有选择性吸收涂层，这种涂层大大降低了玻璃管与环境之间的辐射热损，因此这种集热管的热损失小、集热效率高。全玻璃U型真空管集热器一般应用于中低温的场景下，但是也有能力在北方寒冷地区的冬季或者辐射强度较低、天气变化快的地区运行，这扩大了应用的场景。这种简单的全玻璃U型真空管集热器的优点显而易见：它的制造成本很低，但是也会有包括管内存水多、管内热水无法全部取出等诸多问题，这将导致管内水温上升缓慢，进而导致系统的集热效率变低。并且在寒冷的冬季，这种管子一旦结冰涨裂整个系统将会无法运行，这是一个非常大的安全隐患。

北京太阳能研究所何梓年研究员在上个世纪八十年代最早在国内开展了对热管式真空管集热器的研究。何梓年^[2]等人为了测试热管式真空集热管的性能，专门设计了一套试验系统。它使用自主设计的“测量块”对单根热管式真空集热管进行测量，它通过测量传到热阻两端较大的温差来替代集热管输出功率的测量，这使得测量的精度大大提高了。这种测定方法是对热管式太阳能集热器研究方法的改进与完善。通过在瞬时效率曲线上对两种型号的真空集热管的进行对比，试验的结果证明了试验方法的可行性，这些工作成为了后来者研究热管式真空集热管的新的途径。何梓年^[3]、蒋富林、葛洪川、李炜叫在发表了热管式真空管集热热性能研究一文。在这篇文章中，他们给出了一种新的计算方法来确定集热器的总热损数以及效率因子和热转移因子。他们还进行了试验，测定了真空集热器以及单根真空管的瞬时效率曲线。理论计算和实际结果很好的符合，说明了计算方法比较合理。这些工作为改善集热器设计性能提供了理论依据。

王佩明^[4]等人通过实验研究了插管提热式空气集热器的流动阻力性能曲线，他们分别设置了60m/h和90m/h两种情况下的流量并且得到了瞬时集热效率曲线。他们研究的模型插管提热式空气集热器式由12根全玻璃真空管组成，这种真空管外径为47mm，长度约为1.5m，采光面积为0.7896m²。王志峰^[5]和杨军论对带有平面反射板的单根全玻璃真空集热管表面能流分布利用几何光学理论进行了分析，对不同的吸热涂层表面入射光光源进行了分析，得到了反射板长度和真空管内管最下端与反射板之间距离变化时真空管表面能量分布情况。

近些年来国内对太阳能真空集热管的研究主要集中在对其各种性能的分析，方程的计算机模拟，空晒以及破裂情况的分析。

皇明太阳能股份有限公司技术研发中心的孟秀清^[6]根据传热学稳态传热原理，从热对流、热传导、热辐射三方面对全玻璃真空集热管进行了推导。他的结果显示辐射热损使真空集热管热损的最主要因素，而且辐射热损会随着温度的升高而增大。他通过计算推导得出了真空集热管主体热损的计算模型，他利用所得到的理论模型计算了全玻璃真空集热管的热损。计算的结果与测试的结果相对比，后者的热损值均小于前者，他认为这是因为全玻璃真空集热管的边端热损效应。

模拟是我们进行试验研究的重要手段。云南师范大学的刘佰红^[7]利用FLUENT建立了模型并且实际进行了空晒试验对比结果验证了他的模型。在建模过程中，他设置了不同发射率、真空对58*1800mm玻璃真空管的空晒热性能进行数值模拟与分析，结果表明：发射率与热损失正相关，与真空管的热性能负相关。

从当前对太阳能集热器的研究现状分析，现阶段的研究试验和理论分析模拟都有，但是主要集中在全玻璃U型真空管集热器和热管式集热器的性能，对全玻璃直通式真空集热管的研究比较少。

本课题研究目的和内容

太阳能热水工程是太阳能热利用的重要应用，在许多国家得到了很好的应用，并且取得了不错的效果。太阳能真空集热管是决定太阳能热水工程成败的关键部分，决定了整个系统换热效率的高低。该系统的性能受到季节、气候影响较大，因此需要将系统结合实际的情况进行分析。由东南大学太阳能实验中心所研发的全玻璃直通式真空集热管在大规模应用之前必须要在现实环境中进行测试，并将其效果同现有的集热器效果进行对比。本文研究的结果为该型集热管的大规模推广应用以及系统的运行提供依据。

对集热系统的集热效率的测试和评价是研究集热系统的基础，本文将从实验研究方面通过对比来研究实际运行下的新型全玻璃集热器的热性能。搭建新型全玻璃集热系统以及传统全玻璃集热系统两套系统，在这两套实验平台上，对集热器热性能进行对比。本文将会采用准稳态试验方法，在室外天晴情况下，对两型集热器的进口水温、出口水温、太阳辐照度、室外的温度、等参数进行实地检测。分析两型集热器随时间的运行工况以及流量等参数对集热效率影响，并且对这两型集热系统的热性能进行对比，将为后期集热系统改进和运行大规模推广起到指导作用。

全玻璃直通式真空集热器

集热管是热水工程集热系统的主体，是集热系统的核心部件，它的性能很大程度影响到热发电系统的经济性。本章将介绍新型全玻璃直通式真空集热管的构造，以及配套的新型全玻璃直通式真空集热器。

2.1新型全玻璃直通式真空集热管

新型全玻璃直通式真空集热管的构造如图2.1所示，其包括内管和外管两部分。为了使内管具有较高的表面吸收率，在内管的外壁涂有选择性吸收层。外管和内管之间的环形空间抽成真空，这样做是为了减少玻璃内外管之间的对流和导热热损失，与此同时可以保护玻璃吸热管表面太阳能选择吸收涂层，保证太阳能选择吸收涂层不被空气氧化。工作状态，工作流体从内管内流过以吸收热量。其内外管采用不同的玻璃材料，以此保证内外管膨胀量不同时不会破裂。在集热管的研制过程中主要包含三个关键技术：玻璃过渡封接技术、太阳能选择性吸收涂层技术、真空技术。

图2.1

2.1.1玻璃管

全玻璃直通式真空集热管，玻璃是它的主要组成材料，请按玻璃直通式真空集热管的寿命、性能、制造工艺等都取决于玻璃材料的新跟那个。一般情况下，我们要求当玻璃具有良好的投射性以及真空保护性，只有这样才能可以保证全玻璃直通式真空集热管的良好的集热和真空性能。玻璃的真空性能不但和表面气体的吸附能力有关，也与剥离中溶解的气体多少及其解析能力有关。我们可以参照国家标准GB/T26975-2011，采用一种硼硅玻璃3.3，即线膨胀系数为3.3*10^-6/℃的硼硅玻璃，因为这种玻璃在特定的成分下，全玻璃直通式真空集热管的热稳定性、机械性能化学稳定性以及灯工加工性能可以基本满足，并且它具有以下三个优点：首先，热稳定性非常好。用硼硅玻璃3.3制作的物品能够直接放在火焰上进行加热，而且当外玻璃管处于零下20℃时它的内玻璃管的壁温可以达到250℃，即使是这么巨大的温差下也基本不会发生破损；其次，化学稳定性非常好。其抗腐蚀性能十分优良，硼硅玻璃还可以防止玻璃被腐蚀后因为强度下降所造成的破裂，这样延长全玻璃直通式真空集热管的寿命。最后，极好的热加工性能。硼硅玻璃经常用来制作各种各样的复杂的物品，并且在对全玻璃直通式真空集热管的加工过程中，可以很大程度地减少了加工过程中的损失，从而保证全玻璃直通式真空集热管的大规模生产。

2.1.2真空夹层

新型全玻璃直通式真空集热管的外管和内管之间必须维持低气压，即保持真空，这样做的目的是增大分子自由程，减少分子碰撞。按照国际的标准，再抽取真空之后应该维持玻璃外管和玻璃内管之间的夹层的气压小于5*10^-2Pa。我们将吸气剂填充在玻璃外管和玻璃内管之间的夹层内的支架上以获得和维持真空。这种吸气剂既可以在短时间内提高其真空度，也是用来吸收使用的过程中反应产生的气体以维持真空度。一般来说我们将吸气剂分为蒸散型吸气剂和非蒸散型吸气剂，这种划分的依据是吸气剂作用机制。全玻璃真空太阳集热管沿用中、小型真空电子管的蒸散吸气剂。蒸散吸气剂中以钡吸气剂占主导地位，领满足上述许多技术集件，它对真空管中遇到的大量气体：O2、CO、CO₂、N₂、H₂、有较高的吸收容量。蒸散型钡吸气剂按形状可分为爆形、管形、环形、带形。蒸散型钡吸气剂的外形尺寸分为环形吸气剂外形尺寸、蝶形吸气剂外形尺寸、带形吸气剂外形尺寸、管形吸气剂外形尺寸。

2.1.3太阳能选择性吸收涂层

太阳能选择性吸收涂层在全玻璃直通式真空集热管中十分重要，这种涂层具有高太阳吸收比和低太阳发射比。参照国家标准，太阳选择性吸收涂层的太阳吸收阳选择性吸收涂层的太阳吸收比要大于等于0.85， 0.3-2.1微米之间可见光谱范围是太阳辐射能量主要集中的区域，所以我们要将太阳选择性吸收涂层改造为在这段波长内的吸收率接近1，而在这段波长外的红光区，要求吸收涂层的发射率应该基本为0，不然的话红外长波向外辐射会带走被吸收进入直通管内的可见光的短波长能量。太阳能选择性吸收涂层影响玻璃热管的集热效率，因此太阳选择性吸收涂太阳能选择性吸收涂层是全玻璃直通式真空集热管的发动机，它通过吸收太阳能量中的可见光以及近红外光线的辐射能量以此加热内管内的水。所以太阳选择性涂层的性能决定了全玻璃直通式真空集热管的热性能，吸收比越大，发射比越小的全玻璃直通式真空集热管的集热效率越高。铝-氮/铝涂层的溅射太阳选择性吸收涂层以其更高的吸收率和更低的反射率而大量应用，这种涂层提高了全玻璃直通式真空集热管的集热效率，在本文中我们选用这种铝-氮/铝太阳选择性吸收涂层作为全玻璃直通式真空集热管的内管外壁面所使用的涂层。

2.2新型全玻璃直通式真空集热器

在实际的生产生活中，我们是要将这种新型全玻璃真空集热管安装在新型全玻璃真空集热器上，与其他管道搭配进行使用。但是目前还没有这种集热器。本文结合新型全玻璃直通式真空集热管的特点，在原有集热器的基础上进行改造，制作了新型全玻璃真空集热管。新型全玻璃真空集热器的部件包括25根新型全玻璃真空集热管、单联箱两个、支架一套、13号螺丝螺母若干。

考虑到新型全玻璃直通式真空集热器的部件新型全玻璃直通式真空集热管、联箱主要部件的重量和原有的集热器部件重量相差不多，因此基本采用原有的支架，在原有支架上添加两个斜撑。最终其装配图如图2.2。

图2.2

与原有的集热管相比，新型全玻璃直通式真空集热管两端都可以通水，所以不能采用原有的双联箱，在原有双联箱的基础上，我们与工厂沟通，只在一侧开孔，改造出了单联箱。这种单联箱的出口管直径57mm，可以通过转换器与其他部分结合使用。

在支架的基础上，将联箱安装，再按照操作手册逐步安装集热管，最终新型全玻璃真空集热器实物图如图2.3所示。

图2.3

2.3本章小结

本章介绍了新型全玻璃直通式真空集热管的结构以及新型全玻璃直通式真空集热器的设计。对集热管的玻璃的材料以及其选取做出了详细的介绍。真空夹层的保持需要使用吸气剂，为了使夹层真空度保持在合理的范围需要选用合适的吸气剂。同时也选取了合适的选择性吸收涂层，这可以有效的保证集热管的效率。参考原有的集热系统，考虑到新型全玻璃直通式真空集热管的实际情况，设计了新型全玻璃直通式真空集热器。

全玻璃直通式真空集热管稳态传热理论基础

全玻璃直通式真空集热管具体在不同的气候条件、地理条件下，集热器会有不同的集热效率。但是在进行深入研究之前我们必须明白理解它的理论基础，因此本文将基于传热学知识分析器稳态传热理论。

全玻璃直通式真空集热管的稳态传热基于全玻璃直通式真空集热管的能量平衡，主要为全玻璃直通式真空集热管所接受的有效太阳辐射能与全玻璃直通式真空集热管的光学损失、全玻璃直通式真空集热管的热损失以及全玻璃直通式真空管内管内内传热工质的热增量之间的能量平衡。考虑到实际情况，本文做出如下的假设：

1. 内管外壁的太阳能选择性吸收涂层的厚度可以忽略不计。
2. 忽略内管外壁的太阳能选择性吸收涂层与内管外壁之间的接触热阻。
3. 外管内壁与太阳能选择性吸收涂层之间的传热过程可以看作两个灰体表面组成的封闭系统的辐射换热。

针对全玻璃直通式真空集热管，建立图传热过程模型：

图3.1

其中1为吸收管吸收的太阳辐射，2是吸收管到传热工质的热传递，3为内管到外管的热损失，4为外管到大气的热损失。

全玻璃直通式真空集热管的稳态传热是基于内管、外管、传热工质以及环境之间的能量平衡而建立的，其各部分能量平衡方程式如下所示：

Q_{内-工质，conv}=Q_{外-内，cond} （2.1）

Q_内，Sol=Q_{内-外，conv} Q_{内-外，rad} Q_{内-内，cond} （2.2）

Q_{内-外，conv} Q_{内-外，rad} =Q_{外-外，cond} （2.3）

Q_{外-外，cond} Q_外，sol=Q_{外-环，conv} Q_{外-天，rad} （2.4）

Q_损= Q_{外-环，conv} Q_{外-天，rad} （2.5）

式中，Q_内，Sol———全玻璃直通式真空集热管内管吸收的有效太阳辐射热量；

Q_外，sol———全玻璃直通式真空集热管外管吸收的有效太阳辐射热量；

Q_{内-工质，conv}———全玻璃直通式真空集热管内管内壁对管内水的对流换热热量；

Q_{外-内，cond}———全玻璃直通式真空集热管内管外壁对内壁的导热热量；

Q_{内-外，conv}———全玻璃直通式真空集热管内管外壁对外管内壁的对流换热热量；

Q_{内-外，rad}———全玻璃直通式真空集热管内管外壁对外管内壁的辐射换热热量；

Q_{外-外，cond}———外管外壁对内外管壁的导热热量；

Q_{外-环，conv}———外管外壁对环境的对流换热热量；

Q_损———全玻璃直通式真空集热管外管的热损失。

下文将给出该稳态传热模型各部分的换热公式：

3.1 管内流体水与内管之间的对流传热

（2.6）

（2.7）

内管内的水均处于良好的紊流区域，如果我们假设管道中流动和流体动力都处于充分发展阶段，那么就可以采用Gnielinski公式计算内管内部的对流传热：

（2.8）

适用范围：0.5＜Pr_f＜2000，2300＜Re＜5*10⁶。其中：f，管内湍流流动的Darcy阻力系数：f=（1.82log₁₀Re-1.64）²：Pr_f，管内流体在T_f温度下的Pr数；Pr_pi，管内流体在T_pi温度下的Pr数。

若Re＜2300，管内流体为层流状态，则Nu_Dpi=4.36（均匀热流）或Nu_DPI=3.66(均匀壁温)。

3.2内管/外管管壁的导热

（2.9）

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