免维护超导抗冻平板集热器和其热水系统简析

摘要 本文针对采用防冻液换热的平板型太阳能热水系统进行了研究，提出了一种真正直接走水，抗冻-40℃的免维护高效抗冻平板太阳能热水系统。 0 前言 现在市场上应用比较广泛的平板 太阳能热水系统一般采用铜铝复合吸热板芯，管板式流道平板集热器作为吸热、传热设备，采用盘管或夹套换热水箱作为储热设备，采用防冻液作为循环介质。本文针对此类平板太阳能热水系统进行了研究，提出了一种真正直接走水，抗冻-40℃的免维护超导抗冻平板集热器（见图1）及其热水系统。 图1 免维护超导抗冻平板集热器多层结构图 1 无机高效扁平多孔热管 导热管是平板太阳集热器的关键部件。目前市场上有小部分平板太阳能集热器开始采用热管来传递热量进行热交换，但这些热管都是采用有机物作为超导工作介质，在使用过程中会产生大量不凝气体留在导热管冷凝端，会阻碍热量的继续传递，导致导热管的传热效率大大降低。 为了克服上述热管的缺陷，我公司开发了一种具有半圆弧拱形冷凝端的无机高效扁平多孔热管。图2和图3分别为无机高效扁平多孔热管的实物图和横截面示意图。 图2无机高效扁平多孔热管的实物图   如图2所示，热管的冷凝端成半圆弧拱形，并且在冷凝端顶部预留了3cm长度左右的安全段。冷凝端半圆弧的直径与流道外径相同，导热管与流道以抱箍式结合在一起，使导热管与流道的接触面积最大化，流道能够最大限度吸收导热管传递的热量，已达到提高整个集热器效率的目的。安全段的作用是预防导热管产生的不凝气体在冷凝端的聚集。假如有不凝气体产生，便会留在安全段，不会影响冷凝端热量的传递。 图3无机高效扁平多孔热管的横截面示意图 该热管是由铝合金材料经过挤压或者冲压成型的具有很多平行排布的长方形阵列多孔的导热体，如图3所示。多孔管道上下壁面为锯齿形，即壁面上有轴向梯形凸起，相邻凸起间形成梯形凹槽作为轴向槽道式吸液芯。热管扁平状边缘为圆弧形，相应边缘的多孔管道边缘也为圆弧形。导热体的长方形阵列多孔内灌装有无机超导介质，两端由冷焊形成密封口带。无机导热介质在热管工作过程中不会产生不凝气体或只会产生少量不凝气体，另外无机导热管还具有启动速度快，均温性好，热阻小等优点。 图4热管成阵列排布结构 集热器的热管成阵列排布（如图4），由于每根无机高效扁平多孔热管内部都有很多平行排布的多孔导热管，因而使得集热器每m2具有400～1000根独立运行的微热管。热管阵列平板太阳能集热器具有全面积热吸收和热传导结构，无翅片效应，全面积均温，热传导效率高，对流热损失小，因而使得该集热器具有更高的热效率。 2 无空气膜导热硅胶黏结工艺 传统的平板集热器板芯流道与吸热涂层之间采用激光焊接或者超声波焊接，而在焊接过程中势必会产生较高的温度，然而目前管板的集热器板芯所采用的流道壁厚一般为0.4～0.8mm，所以在后续集热器运行期间极易出现焊点脱焊及焊点泄漏问题（如图5）；焊接高温也破坏了吸热涂层的表面结构，导致吸热涂层效率降低（如图6）；板芯内部流道与吸热涂层之间为线接触，传热面积小，导致导热效率减低。 本产品集热器板芯、导热管、流道之间的连接采用高性能导热硅胶黏结，没有任何焊接部位，如图7。导热硅胶采用1700导热型黏结硅胶，对大多数金属和非金属材料具有非常良好的黏结性，通过与空气中的水分子反应引起交联，而硫化成高性能弹性体,不需要加热等其他方式就能固化。固化后形成的弹性体具有优良的耐老化、耐高低温 (-60℃～300℃)、绝缘、防湿、防潮、溶剂不溶胀等优点。该黏结工艺简单，节省成本，生产效率提高。各部件之间接触面更加紧密，无空气层存在，有效防止热量的损失，使集热器具有全面积热吸收与热输运的构造，无翅片效应，全面积均温，对流热损小，因而具有较高的热效率。 图7.集热器板芯、导热管、流道黏结实物图 3 集热器抗冻研究 集热器流道中的水在冬季低温条件下容易结冰，而水结冰时体积膨胀过程产生的力相当巨大，易使集热器流道破裂损坏，因此平板集热器的冬季冻结问题一直受到人们关注。 传统平板太阳能集热器流道本身并没有抗冻能力，所以必须使用防冻液作为传热介质。 本产品在集热器流道中设置一根两端密封的十字中空硅胶管，流道内水结冰体积膨胀时，硅胶管被挤压体积缩小，有效缓解结冰对流道产生的压力，保护流道不被破坏；当集热器工作后，流道内冰融化后，压力减小，硅胶管恢复原状，抗冻原理如图8。采用此技术可以有效解决管内流体冰冻问题，无爆管隐患，延长集热器使用寿命。 图8硅胶管抗冻原理 3.1理论验证 建立模型，并使用ansys进行有限元分析。 采用的材料参数见表1。 表1 采用的材料参数 通过应力云图（见图9）可以看到，在-40℃最大应力为0.652×108Pa，＜3003铝的屈服极限1.25×108Pa，所以铝管未破坏。 3.2实际验证 2013年1月11日～14日，我公司在哈尔滨安装了一套100L的阳台自然循环热水系统，运行3天，最低环温-37℃，系统无损坏情况。 4 外框弯接、铝压条密封技术 普通的集热器外框采用四边拼接的方法进行连接（如图9左），在四个角落有细缝，强度较低，密封性较差，水汽进入后腐蚀内部组件，使集热器的效率和使用寿命大打折扣。本产品整个集热器外框采用弯接技术和铝压条密封技术（如图9右），四角没有接缝，密封性好，强度高，并且具有防水、防腐作用。 图9 应力云图 5储热设备 传统的平板太阳能热水系统采用盘管或夹套换热水箱作为储热设备，这两种水箱都是通过介质传热，属于二次换热，所以换热效率低，得热量少。 免维护超导抗冻平板集热器热水系统采用的是不锈钢直接换热水箱，集热器内管道循环水经过加热后直接进入水箱供用户使用，换热效率更高，得热量更多。如图10。 6 系统运行 传统的管板式平板太阳能热水系统，使用防冻液进行换热，防冻液极易挥发，一旦系统内防冻液挥发，系统循环介质不足导致系统热量无法传输或热量传输速度降低，导致系统热效率降低。为了保证系统内有足够防冻液，需定期上门维护注液。由于整个系统吸热元件（平板集热器）与储热原件（水箱）之间是通过防冻液来进行热交换的，防冻液向水箱传递热量属于二次热交换，换热效率较低。 本产品整体系统直接采用水循环，无需添加防冻液，集热器内管道循环水经过加热后直接进入不锈钢直接换热水箱供用户使用。本产品不存在防冻液挥发现象，更不需要定期添加介质，维护量较少；集热器内部流道结构简单，无堵塞现象，系统故障率极低。（浙江煜腾新能源股份有限公司 叶宏 周旭阳 黄欢峰 邵敏敏 李亚茹）