免維護(hù)超導(dǎo)抗凍平板集熱器和其熱水系統(tǒng)簡(jiǎn)析

摘要 本文針對(duì)采用防凍液換熱的平板型太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了一種真正直接走水，抗凍-40℃的免維護(hù)高效抗凍平板太陽能熱水系統(tǒng)。 0 前言 現(xiàn)在市場(chǎng)上應(yīng)用比較廣泛的平板 太陽能熱水系統(tǒng)一般采用銅鋁復(fù)合吸熱板芯，管板式流道平板集熱器作為吸熱、傳熱設(shè)備，采用盤管或夾套換熱水箱作為儲(chǔ)熱設(shè)備，采用防凍液作為循環(huán)介質(zhì)。本文針對(duì)此類平板太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了一種真正直接走水，抗凍-40℃的免維護(hù)超導(dǎo)抗凍平板集熱器（見圖1）及其熱水系統(tǒng)。 圖1 免維護(hù)超導(dǎo)抗凍平板集熱器多層結(jié)構(gòu)圖 1 無機(jī)高效扁平多孔熱管 導(dǎo)熱管是平板太陽集熱器的關(guān)鍵部件。目前市場(chǎng)上有小部分平板太陽能集熱器開始采用熱管來傳遞熱量進(jìn)行熱交換，但這些熱管都是采用有機(jī)物作為超導(dǎo)工作介質(zhì)，在使用過程中會(huì)產(chǎn)生大量不凝氣體留在導(dǎo)熱管冷凝端，會(huì)阻礙熱量的繼續(xù)傳遞，導(dǎo)致導(dǎo)熱管的傳熱效率大大降低。 為了克服上述熱管的缺陷，我公司開發(fā)了一種具有半圓弧拱形冷凝端的無機(jī)高效扁平多孔熱管。圖2和圖3分別為無機(jī)高效扁平多孔熱管的實(shí)物圖和橫截面示意圖。 圖2無機(jī)高效扁平多孔熱管的實(shí)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(yù)留了3cm長(zhǎng)度左右的安全段。冷凝端半圓弧的直徑與流道外徑相同，導(dǎo)熱管與流道以抱箍式結(jié)合在一起，使導(dǎo)熱管與流道的接觸面積最大化，流道能夠最大限度吸收導(dǎo)熱管傳遞的熱量，已達(dá)到提高整個(gè)集熱器效率的目的。安全段的作用是預(yù)防導(dǎo)熱管產(chǎn)生的不凝氣體在冷凝端的聚集。假如有不凝氣體產(chǎn)生，便會(huì)留在安全段，不會(huì)影響冷凝端熱量的傳遞。 圖3無機(jī)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經(jīng)過擠壓或者沖壓成型的具有很多平行排布的長(zhǎng)方形陣列多孔的導(dǎo)熱體，如圖3所示。多孔管道上下壁面為鋸齒形，即壁面上有軸向梯形凸起，相鄰?fù)蛊痖g形成梯形凹槽作為軸向槽道式吸液芯。熱管扁平狀邊緣為圓弧形，相應(yīng)邊緣的多孔管道邊緣也為圓弧形。導(dǎo)熱體的長(zhǎng)方形陣列多孔內(nèi)灌裝有無機(jī)超導(dǎo)介質(zhì)，兩端由冷焊形成密封口帶。無機(jī)導(dǎo)熱介質(zhì)在熱管工作過程中不會(huì)產(chǎn)生不凝氣體或只會(huì)產(chǎn)生少量不凝氣體，另外無機(jī)導(dǎo)熱管還具有啟動(dòng)速度快，均溫性好，熱阻小等優(yōu)點(diǎn)。 圖4熱管成陣列排布結(jié)構(gòu) 集熱器的熱管成陣列排布（如圖4），由于每根無機(jī)高效扁平多孔熱管內(nèi)部都有很多平行排布的多孔導(dǎo)熱管，因而使得集熱器每m2具有400～1000根獨(dú)立運(yùn)行的微熱管。熱管陣列平板太陽能集熱器具有全面積熱吸收和熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，無翅片效應(yīng)，全面積均溫，熱傳導(dǎo)效率高，對(duì)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(dǎo)熱硅膠黏結(jié)工藝 傳統(tǒng)的平板集熱器板芯流道與吸熱涂層之間采用激光焊接或者超聲波焊接，而在焊接過程中勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生較高的溫度，然而目前管板的集熱器板芯所采用的流道壁厚一般為0.4～0.8mm，所以在后續(xù)集熱器運(yùn)行期間極易出現(xiàn)焊點(diǎn)脫焊及焊點(diǎn)泄漏問題（如圖5）；焊接高溫也破壞了吸熱涂層的表面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致吸熱涂層效率降低（如圖6）；板芯內(nèi)部流道與吸熱涂層之間為線接觸，傳熱面積小，導(dǎo)致導(dǎo)熱效率減低。 本產(chǎn)品集熱器板芯、導(dǎo)熱管、流道之間的連接采用高性能導(dǎo)熱硅膠黏結(jié)，沒有任何焊接部位，如圖7。導(dǎo)熱硅膠采用1700導(dǎo)熱型黏結(jié)硅膠，對(duì)大多數(shù)金屬和非金屬材料具有非常良好的黏結(jié)性，通過與空氣中的水分子反應(yīng)引起交聯(lián)，而硫化成高性能彈性體,不需要加熱等其他方式就能固化。固化后形成的彈性體具有優(yōu)良的耐老化、耐高低溫 (-60℃～300℃)、絕緣、防濕、防潮、溶劑不溶脹等優(yōu)點(diǎn)。該黏結(jié)工藝簡(jiǎn)單，節(jié)省成本，生產(chǎn)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(yùn)的構(gòu)造，無翅片效應(yīng)，全面積均溫，對(duì)流熱損小，因而具有較高的熱效率。 圖7.集熱器板芯、導(dǎo)熱管、流道黏結(jié)實(shí)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(jié)冰，而水結(jié)冰時(shí)體積膨脹過程產(chǎn)生的力相當(dāng)巨大，易使集熱器流道破裂損壞，因此平板集熱器的冬季凍結(jié)問題一直受到人們關(guān)注。 傳統(tǒng)平板太陽能集熱器流道本身并沒有抗凍能力，所以必須使用防凍液作為傳熱介質(zhì)。 本產(chǎn)品在集熱器流道中設(shè)置一根兩端密封的十字中空硅膠管，流道內(nèi)水結(jié)冰體積膨脹時(shí)，硅膠管被擠壓體積縮小，有效緩解結(jié)冰對(duì)流道產(chǎn)生的壓力，保護(hù)流道不被破壞；當(dāng)集熱器工作后，流道內(nèi)冰融化后，壓力減小，硅膠管恢復(fù)原狀，抗凍原理如圖8。采用此技術(shù)可以有效解決管內(nèi)流體冰凍問題，無爆管隱患，延長(zhǎng)集熱器使用壽命。 圖8硅膠管抗凍原理 3.1理論驗(yàn)證 建立模型，并使用ansys進(jìn)行有限元分析。 采用的材料參數(shù)見表1。 表1 采用的材料參數(shù) 通過應(yīng)力云圖（見圖9）可以看到，在-40℃最大應(yīng)力為0.652×108Pa，＜3003鋁的屈服極限1.25×108Pa，所以鋁管未破壞。 3.2實(shí)際驗(yàn)證 2013年1月11日～14日，我公司在哈爾濱安裝了一套100L的陽臺(tái)自然循環(huán)熱水系統(tǒng)，運(yùn)行3天，最低環(huán)溫-37℃，系統(tǒng)無損壞情況。 4 外框彎接、鋁壓條密封技術(shù) 普通的集熱器外框采用四邊拼接的方法進(jìn)行連接（如圖9左），在四個(gè)角落有細(xì)縫，強(qiáng)度較低，密封性較差，水汽進(jìn)入后腐蝕內(nèi)部組件，使集熱器的效率和使用壽命大打折扣。本產(chǎn)品整個(gè)集熱器外框采用彎接技術(shù)和鋁壓條密封技術(shù)（如圖9右），四角沒有接縫，密封性好，強(qiáng)度高，并且具有防水、防腐作用。 圖9 應(yīng)力云圖 5儲(chǔ)熱設(shè)備 傳統(tǒng)的平板太陽能熱水系統(tǒng)采用盤管或夾套換熱水箱作為儲(chǔ)熱設(shè)備，這兩種水箱都是通過介質(zhì)傳熱，屬于二次換熱，所以換熱效率低，得熱量少。 免維護(hù)超導(dǎo)抗凍平板集熱器熱水系統(tǒng)采用的是不銹鋼直接換熱水箱，集熱器內(nèi)管道循環(huán)水經(jīng)過加熱后直接進(jìn)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(tǒng)運(yùn)行 傳統(tǒng)的管板式平板太陽能熱水系統(tǒng)，使用防凍液進(jìn)行換熱，防凍液極易揮發(fā)，一旦系統(tǒng)內(nèi)防凍液揮發(fā)，系統(tǒng)循環(huán)介質(zhì)不足導(dǎo)致系統(tǒng)熱量無法傳輸或熱量傳輸速度降低，導(dǎo)致系統(tǒng)熱效率降低。為了保證系統(tǒng)內(nèi)有足夠防凍液，需定期上門維護(hù)注液。由于整個(gè)系統(tǒng)吸熱元件（平板集熱器）與儲(chǔ)熱原件（水箱）之間是通過防凍液來進(jìn)行熱交換的，防凍液向水箱傳遞熱量屬于二次熱交換，換熱效率較低。 本產(chǎn)品整體系統(tǒng)直接采用水循環(huán)，無需添加防凍液，集熱器內(nèi)管道循環(huán)水經(jīng)過加熱后直接進(jìn)入不銹鋼直接換熱水箱供用戶使用。本產(chǎn)品不存在防凍液揮發(fā)現(xiàn)象，更不需要定期添加介質(zhì)，維護(hù)量較少；集熱器內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無堵塞現(xiàn)象，系統(tǒng)故障率極低。（浙江煜騰新能源股份有限公司 葉宏 周旭陽 黃歡峰 邵敏敏 李亞茹）