平板太阳集热器

平板太阳集热器（精选九篇）

平板太阳集热器 篇1

低温多效蒸馏是多效蒸馏技术的一种改进技术, 操作温度较低, 避免和减轻了海水对设备造成的腐蚀与结垢问题, 降低了淡化水的成本, 也可利用工业余热及低品位蒸汽为热源, 进行能源的有效回收利用。相对于多级闪蒸而言, 多效蒸馏海水淡化技术具有进料海水预处理工艺比较简单;操作弹性更大;能源动力的消耗量也较低;系统热效率较高;操作运行安全可靠等特点。

本文针对目前太阳能海水淡化装置的不足, 提出了一种新的太阳能海水淡化装置。通过理论分析和计算, 比较了以水和导热油作为热媒介质的太阳能海水淡化装置的特性, 研究结果可指导太阳能海水淡化装置的设计, 有很好的工业应用前景。

1 系统流程

平板型太阳能集热器是太阳能集热器中一种最基本的类型, 其结构简单、运行可靠、成本适宜, 还具有承压能力强、吸热面积大等特点。横管降膜蒸发技术是一种低温多效蒸发海水淡化技术, 管外水膜产生波动可加强对流传热, 传热系数比较高, 并且传热温差小, 所需温度驱动力也相对比较低, 热消耗量小, 可采用低品位热量, 在低温多效蒸发海水淡化方法中横管降膜蒸发技术用广阔的发展前途。

因此, 结合横管降膜多效蒸发海水淡化技术的优点, 并与平板型太阳能集热器技术相结合, 以太阳辐射总量为5000～5850MJ/m2的三类地区为例, 用蒸馏水和导热油为热媒介质, 提出了一种新的太阳能横管降膜多效蒸发海水淡化工艺, 并设计了一套产水率约为100 kg/h (2.4 t/d) 的太阳能海水淡化装置 (见图1) 。

阳光充足时, 由太阳能集热器加热热媒 (水或导热油) , 热媒进入蓄热箱储存。热媒经过循环泵依次进入一效蒸发器和二效蒸发器的热媒换热管, 使海水吸热并蒸发, 最后返回蓄热箱, 由太阳能集热器重新进行加热。一效蒸发器产生的水蒸汽通过抽气管由蒸汽循环泵抽出, 进入二效蒸发器的蒸汽换热管, 冷却放出部分热量, 用于海水吸热和蒸发。二效蒸发器所产生的蒸汽和蒸汽换热管的蒸汽由蒸汽循环泵抽出, 进入三效蒸发器的蒸汽换热管, 加热和蒸发海水。最后所有的蒸汽通过抽气管由蒸汽循环泵抽出, 进入冷凝器凝结成淡水, 放出的热量用于预热海水。

经过预处理后的海水, 经冷凝器预热后, 与一效蒸发器来的部分浓海水混合, 进入三效蒸发器, 经喷淋管进行喷淋, 形成的液膜均匀分布在各换热管外表面, 进行换热和蒸发, 未蒸发的海水在三效蒸发器的底部蓄积, 与经过预热的部分海水按比例混合, 再进入二效蒸发器的喷淋管进行喷淋, 进行换热和蒸发。二效蒸发器未蒸发的海水再进入一效蒸发器的喷淋管进行喷淋, 进行换热和蒸发。最后, 一效蒸发器内未蒸发的浓缩海水大部分进行循环利用, 底部高浓度海水作为污水排放。

喷淋的海水每次进入蒸发器时, 都要重新经过喷淋器进行喷淋, 以保证每一级的横管外液膜都能均匀分布, 避免出现换热管局部干壁现象。部分用于蒸汽和海水流动的泵和流量调节阀门图中未全部示出。每级蒸发器换热管均为6根×6排的顺排布置, 其中, 二效蒸发器的蒸汽换热管为2×6根, 热媒换热管为4×6根。换热管均为φ19mm铝黄铜, 长度1m。

该工艺流程和装置的主要特点如下:

(1) 采用平板型太阳能集热器, 最大限度降低制造成本。

(2) 该装置可以用水或导热油作为热媒介质。

(3) 横管降膜多效蒸发海水淡化工艺能充分回收蒸汽汽化潜热, 提高系统效率。

(4) 系统中设置了蓄热装置, 解决太阳能不连续的问题。

2 系统的理论研究与结果分析

2.1 计算方法

当热媒为水时, 管道内强制对流传热采用关联式DittusBoelter公式:

管外蒸发侧传热系数根据文献分析总结结果, 横管降膜蒸发换热系数计算公式:

其中, h为管外蒸发换热系数, W/m2·K;μ为液膜动力粘度, Pa·s;ν为液膜运动粘度, m2/S;λ为液膜导热系数, W/m·K;g为重力加速度, m/S2;Γ为喷淋密度, kg/m·S。

以管外侧面积为基准的圆管传热系数计算公式:

式中:D为管外直径, m;d为管内直径, m;λ为管壁材料的导热系数, W/m·K;为铝黄铜管的导热系数为105W/m·K;、分别为换热管内、外侧换热系数, W/m·K。

考虑到污垢的影响, 实际工程中清洁系数取0.85, 传热温差为Δt, 则蒸发器的传热量为:

装置的尺寸和大小均不变, 当热媒为导热油时, 计算方法类似。以导热油D12为例, D12是一种合成油, 它能够在很宽的温度范围内保持良好地传热性能, 工作温度范围为-85℃至190℃, 适用于无超压或不超过260℃的加压系统, 特别适合用于冷却和加热的系统应用。

导热油D12的物性参数随温度而变化, 从常温20℃上升到190℃高温, 密度不断降低, 从760 kg/m3降低到625 kg/m3;比热不断升高, 从2.1 kJ/kg·K增大到2.8 kJ/kg·K;导热系数不断降低, 从0.11 W/m·K降低到0.079W/m·K。

2.2 计算结果

对于常压工作的平板型太阳能集热器, 以水为热媒介质时, 为了降低集热器制造成本, 避免水沸腾和汽化, 防止集热器损坏, 通常热媒水温不超过90℃, 热媒介质为导热油D12时, 常压下, 导热油的温度不超过190℃, 则太阳能集热器不会产生沸腾和汽化, 制造成本也不会显著增加。因此从太阳能集热器出来的导热油的温度分别假定为110℃、130℃和150℃, 并分别计算其换热量和淡水产量。结果见表1。

注:表中蒸发器的压力为绝对压力。

2.3 结果分析

由表1可知, 采用相同型式的太阳能集热器, 海水淡化装置的结构尺寸相同时, 分别采用水和导热油作为热媒介质, 该装置具有以下特点:

(1) 采用热水作为热媒介质, 海水蒸发量即产水量为111.5kg/h, 可以达到设计产水量。采用导热油D12作为热媒介质, 计算所得的海水蒸发量即产水量为119～552 kg/h, 产水量显著增加。导热油温度为150℃时, 该装置的产水量增加了4倍。

(2) 采用热水作为热媒介质, 一效、二效和三效蒸发器内的绝对压力分别为0.02MPa、0.01 MPa和0.006 MPa, 蒸发器必须维持较大真空度, 对设备材料强度、防腐性能、装置形状及气密性等要求都很高, 使海水淡化装置的制造成本比较高。

(3) 采用导热油作为热媒介质, 蒸发器的绝对压力都较大, 真空度较小, 对设备材料强度、防腐性能、装置形状及气密性等要求都比较低, 因此海水淡化装置的制造成本显著降低。尤其是导热油温度为150℃时, 一效、二效和三效蒸发器内的绝对压力分别为0.1MPa、0.1 MPa和0.047 MPa, 一效和二效蒸发器均在常压下工作, 制造成本和运行成本都很低。

(4) 横管降膜蒸发传热具有较高的传热系数, 并且以导热油为热媒时, 总传热系数是以热媒水的2倍。导热油具有更高的传热系数, 有利于提高产水率和减小装置体积, 降低制造成本。

(5) 蒸发器必须维持较大真空度, 对设备材料强度、防腐性能、装置形状及气密性等要求都很高, 使海水淡化装置的制造成本比较高。

(6) 导热油温度越高, 装置换热系数就越大, 换热量越大, 产水率越高。导热油的传热系数较大, 这是导热油的物理特性决定的。常压工作的平板型太阳能集热器, 完全可以将导热油加热到150℃以上。所以, 综合其他因素的影响, 在条件允许的情况下, 尽量提高导热油的温度, 可以提高产水率和减小装置体积。

(7) 蓄热箱有利于提高装置的运行时间, 避免和减小夜间和阴雨天的影响。采用导热油作为热媒介质, 其比热小于水, 但是蓄热温度较高, 因此该装置储存热量的能力与水相当。

(8) 该装置将产生的蒸汽多次回收, 充分利用水蒸气的汽化潜热, 提高了系统的热效率。

3 结论

以水和导热油作为热媒介质, 通过热力学和传热学的理论分析与计算太阳能海水淡化装置的主要特性和指标, 得到以下主要结论:

(1) 采用导热油作为热媒介质, 太阳能海水淡化装置的主要特性和指标均较好, 该技术和装置具有很好的应用前景。

(2) 采用导热油作为热媒介质优于水, 能够显著提高太阳能海水淡化装置的产水量, 蒸发器维持常压或真空度较小, 装置的制造与运行成本显著降低。

平板太阳集热器 篇2

摘要：本文综述了平板型太阳能集热器的发展现状，对平板型太阳能集热器的国内外市场进行了分析，并分析了平板型太阳能集热器的技术优势和有待解决的问题，展望了平板型太阳能集热器的市场前景。

关键词：太阳能，平板集热器，建筑一体化

0引言

我国拥有全球最大的太阳能热水器（系统）生产能力，也是全球最大的太阳能热水器（系统）的应用市场。根据我国的可再生能源发展规划，2020年太阳能热水器（系统）的安装量将达到3亿m2，每千人拥有量为203 m2[1]。目前，随着世界能源价格的不断上涨和全世界环保意识的增强，面对严峻的节能减排形势，我国正在加速发展和利用可再生能源，太阳能技术和产品的进步以及太阳能热水器与建筑结合技术的发展，将使太阳能热水器（系统）继续保持快速增长的势头。其中平板型太阳能集热器（以下简称平板集热器）因其固有优势而逐渐受到高度关注。

1国内外平板集热器的发展概述

1.1 我国平板集热器发展现状

平板集热器早在17世纪后期就被发明，是历史上最早出现的太阳能集热装置。尽管如此，但直到1960年以后它才真正被深入研究并进入实际应用。

在我国的太阳能光热应用中，平板集热器也是最早得到应用的产品，而且一度发展得很快。但由于初期产品技术和结构的缺陷，使得平板集热器从上世纪80年代的市场统治地位逐步下滑到12%左右的市场份额。首先，作为集热器核心部件的太阳能吸热材料的光热转换效率低，直接导致了太阳能集热器效率的低下；其次，由于结构上的特点，这种集热器组成的热水器平均热损系数较大，从而导致热水器的整体热效率不高；另外，我国的太阳能热水器（系统）基本上都采用直接加热太阳能集热器中水的方法。如果集热器中的水一旦冻结将直接影响集热器的正常运转，严重时还会导致集热管的涨裂。而随后发展起来的真空管太阳能热水器因冬天管内的水在不排空的情况下基本不结冰或不冻坏而受到了市场的欢迎。同时，由于全玻璃真空管技术的不断创新，使其成本大幅度降低，生产企业迅速增加，促进了全玻璃真空管型太阳能热水器市场的迅速扩大。

另外，在商业运作方面，全玻璃真空管热水器被生产厂及商家宣传为热性能远高于平板太阳能热水器的产品。其主要理由是真空绝热，这一宣传极易为我国大众接受。因此，目前

家用热水器国内市场格局是由于产品的特点和价格等因素形成的，可以预见在家用热水器中低端市场中全玻璃真空管热水器仍将占据主流。

目前，随着太阳能光热利用技术的不断成熟，以及人们对于太阳能光热产品的要求不断提高，特别是太阳能与建筑一体化技术的提出，平板集热器的优势日渐突出，其市场份额在近两年中也在逐步上升。

1.2 国外平板集热器的发展现状

据霍志臣、罗振涛对欧洲15个国家、美洲2个国家、大洋洲1个国家、亚洲3个国家(21个国家)的统计，国外生产平板式太阳能热水器的厂家(含经销商)共401家,占企业总数的92.61%;真空管太阳热水器12家,占企业总数的2.77%;简易太阳能集热器20家,占企业总数的4.62%。显然,平板型太阳能热水器生产经营企业远远多于其它产品类型企业数量。国外市场中，2003年平板太阳能热水器占市场销售份额的94.88%,真空管太阳能热水器占

2.46%。

究其原因主要是国外太阳能热水系统设计理念的不同，国外系统一般采用间接式系统、分体式系统和闭式承压系统，这类系统的初期投资一般较高，但系统可靠、维护成本低、水质不会污染和系统寿命长。针对这类系统，平板集热器体现出其自身的技术优势：

第一，国外太阳能系统设计理念的不同。国外系统一般采用间接系统、分体式系统和闭式承压系统，有些发达国家太阳能热水器基本上都是双回路承压型分体结构。这类系统一般初投资高，但系统可靠、维护成本低、水质不会污染和系统寿命长。

第二，国外平板太阳能集热器采用高吸收率及低发射率的可选择涂层。

国际上发达国家，尤其是欧洲，平板集热器所使用的选择性吸收涂层主要有两种方法，其一是采用真空镀膜技术，其二是采用卷绕式连续镀膜方式。即使是湿法镀膜也采用连续镀膜工艺，产品的光学性能及耐候性都很理想。

真空镀膜技术生产工艺不存在污染问题，涂层光学性能优良，但连续化生产线投资较大，涂层生产成本较高，北京融德绿能科技有限公司生产的平板集热器板芯涂层就是采用这种工艺生产加工的。湿法镀膜技术采用电化学方法生产，涂层（如黑铬涂层）连续化生产线投资较小，涂层具有优良的光学性能而且也具有非常优异的耐热耐湿耐候性能，也是一种性价比较高的太阳能选择性涂层。

第三，平板集热器最有利于实现太阳能热水器与建筑相结合。实现太阳能热水器与建筑相结合是太阳能热水器产业发展的必然趋势。以平板集热器为主体的家用太阳能热水器和公用太阳能热水系统，无论从整体外形、结构强度，还是从安装调试、维护保养等各个角度[3]

考虑，平板集热器都是最适合实现太阳能与建筑相结合，因而也是最受建筑设计师欢迎的产品。

第四，国外平板太阳能热水产品的产品热性能好，系统安全可靠，有效采光面积大。平板太阳能集热器在国外的研发已有多年，其产品的热性能已接近真空管太阳能集热器。

第五，国外平板太阳能热水产品材料的可再生利用率高。平板太阳能集热器材料以铜、铝或符合材料为主，回收利用率高。

第六，平板集热器多以铜铝等金属材料为主，其产品材料的回收利用率高。

第七，产品热性能好。平板集热器在国外已研发多年，其产品热性能已等同或超过全玻璃真空管集热器。

因此，国外太阳能集热器市场格局并没有因全玻璃真空管太阳能集热器的引入而发生重大变化，直至今日平板太阳能集热器、热水器仍占主流地位，并且继续稳步发展。2平板集热器的发展前景及技术革新方向

平板集热器在我国已有20多年的生产和应用经验。现在，平板集热器和热水器在华南大部分地区仍占据市场的主体地位，即使在北方地区也有不少用户。近年来由于使用中出现炸管、冻裂、管内结垢和泥沙沉积、密封胶圈漏水以及热水工程不能承压运行等问题，直插式全玻璃真空管集热器在实际使用中受到了限制。于是，平板集热器得到了一个新的发展机会。此外，随着技术的进步，平板集热器及热水器的高效涂层、高透过率盖板及密封保温等技术已达到较高的水平，产品的性能大幅提高，市场竞争力也在进一步增强。我国平板太阳能集热器、热水器的发展已呈现出诱人的前景。

平板太阳能集热器的优势是易与建筑有机结合，且十分可靠，同时，平板集热器还能够代替传统物的屋顶和屋面，显著降低成本[4]。这一优势也已逐渐为建筑师、建筑商所认同。我国平板太阳能集热器、热水器发展已显现新的商机，如能借鉴国外成功经验，发挥自己的优势，扬长避短，进行实事求是的宣传推广，平板集热器一定能发展起来。这对于完成我国的可再生能源规划，实现我国节能减排的阶段性目标，有着非常重要的意义。

平板太阳能集热器关键技术革新方向

第一，应针对平板型集热器研发新型保温材料，改进生产工艺,在各个环节控制散热，采用多重保温处理技术使太阳能系统更加稳定，免去客户在使用其他太阳能热水产品会产生的系统不稳定等后顾之忧。

第二，平板太阳能生产企业应学习借鉴国内外先进的生产加工工艺，结合自身特点，勇于不断创新，采用高吸收率低发射率的太阳能集热板芯镀膜技术，从而提高平板集热器的集

热效率。

第三，采用高透过率低反射率的新型玻璃盖板，使采光效率更高。采用高效低铁玻璃，可见光直透率高达94％，太阳光直透率高达91.5％。

第四，采用先进防水处理，将集热器玻璃盖板与集热器边框实现无缝隙紧密结合，有效的防止雨水的渗透对集热器的影响。

第五，采用先进的加工设备并不断创新生产工艺，在保证集热产品质量的前提下减少生产运行成本。

3结论

平板型太阳集热器和热水器在太阳能光热利用中，特别是在应对世界环境和完成节能减排的指标中有着极大的优势。随着社会和技术的不断进步,在太阳能与建筑一体化方面,平板型太阳能热水器近年来已取得了较大的技术进步。居民生活水平的提高也使得开发、生产高品质的太阳能热水器产品成为今后的发展方向。我们也相信，通过我们的不断努力，将会把制约我国平板太阳能产品的几大问题逐一攻克。随着平板型太阳能集热器和热水器技术水平的提高，平板型太阳能集热器和热水器将会获得更大的发展,在市场中所占的份额也将不断增加。

参考文献：

平板太阳集热器 篇3

关键词：微槽群平板；热管散热器；翅片；优化；设计

在现代的建设领域内，为满足对高功率电路设备的安全性应用，其中应用现代化的建设模式进行综合分析，发光二极管自身具有较好的使用寿命，且能够更好的减少对能源的消耗。对于大功率用电设备在使用过程中的安全问题，从现有的建设需求形式来对新型微槽群平板热管散热器的翅片结构优化来进行简要研究分析。

1 结构计算模型

在进行模型结构的计算过程中，主要针对于如下几个特征来进行综合性处理分析。

1.1 物理模型问题 现代平板热管散热使用器械的应用管理中，基本的结构信息问题，就集中在了基本的新型平均角度上，对于基本的设施安全性问题，其版面的热管材料，通常选择铝为主要的应用材料。在执行底座的竖直纺织网位置上，为达到基本的使用规格，使用中应注意两个方面的使用规格，其一为支撑的平面热管，通过快速的结构调整，并改善对基本设施层面上的传递信息控制，这对于基本的平板热管路径，以及处理条例问题，更应当从基本的设施处理效果上来完成对平板热管的基本使用规划来完成对基本管道内热板管面结构的控制。

1.2 网格划分问题 在进行使用的过程中，为满足基本的使用环境，就需要通过对执行操作过程中，可能涉及的问题进行综合分析，并考虑对基本设施的安全结构创建，通过基本的安全性防护来改善对集成系统在设施处理过程中的安全防护处理，通过对基本空气的网格规划来促进基本设施理念内部的创建问题。

对于集成系统的基层建设，主要给予对流媒体网格的不同结构上的数量信息控制，并通过整体的规划来改良在不同环境特征下的基本设施创建。从基本的翅片结构来看，其造成散热面积变小的问题，对基本的缘故问题，我们从基本的设计策略进行调整，就应通过热流密度以及整体的间距控制范围来确定其不同间距环境下的控制范围。在执行底层的热量密度调控问题，就应在结合实际的生产效益结构同时，满足对结构上的区域划分效益。

1.3 边界条件问题 在进行环境适应性分析的过程中，就已知的环境定义来说，其基本的耦合定义问题，就可能导致辐射的传热效果等受到影响。

2 优化结构的设计方案

在优化过程中，就主要集中在了如下几点上。

2.1 翅片之间的距离调整设计 在进行翅片的设计过程中，我们分析对翅片间距上的控制，根据实际需求来设计相应的计算结构，其高温翅片间距控制如下图1所示。

从上图可以看出，对于集成化舍不得安全防护措施问题，可结合实际的操作，满足对基本的面积操作缘故，并通过对基本设施建设上，基本的集成结构的建设问题，就可以结合实际的生产需求来进行综合性分析，并以此来改良对集成设施的合理化建设，并以此来进行综合性分析调控。

对于基本的底面热量密度控制问题，我们从现有的翅片以及分布数量来进行综合性分析，并结合对基本密度的流控来进行综合性能上的调控，以此来改善对基本设施创建传播效应上的间距控制，从而改善对基本设施处理问题上的综合性控制。对基本的翅片间距控制问题，我们结合实际的生产要求来进行流动的导向控制，从最基本的设施优化上来完成对基本空气流动性上的控制改良，并通过这样的有效处理方法，完成对基本热效应行为上的综合处理，并以此来保证对基本设施处理问题内部结构上的控制。

2.2 翅片高度调整 翅片高度问题，是影响整体使用数值的重点，为保证在实际的使用过程中，对基本设施使用规格上的调整问题，就应在满足基本设置处理问题基本上，改善对传热系數与热面密度上的调整问题。对于表面的热流密度以及高度的增减处理效益问题等，都可以通过整体散热面系统结构上的合理调控，实现对基本散热器以及热面所展示出来的基本设置问题，并通过对基本设置与增加的效益问题来促进其对高温高差效果上的综合性控制。

3 试验温度检测与控制

在进行现有的样品分析过程中，对基本的设置问题，从优化的结构来看，就主要包括了如下几个布置点。第一，现有的试验温度作为控制监控点，确保对不同环境下的不同测点的内部温度问题，并通过基本的测量分析，从而完成对基本处理，并根据基本的设置来确定基本的设施建设，对于基本检测点在控制管理检测环境下的综合分布效益问题，就可通过对基本设施的全面掌控，从而完成对不同环境上的合理调控。第二，在进行数据的模拟运算过程中，通过对基本信息上的合理化调控建设，从最根本的设施处理上，完成对不同环境下的基本设施创建，并以此来改善对不同温度下的影响调控。

4 结语

为满足现有的社会发展问题，其中确定散热结构的外部结构问题，以及基本的结构调整问题等，都可能影响到基本的设施合理性，而其基本的运行模拟运算效益等，都将成为安全处理整体结构的根本所在。

参考文献：

[1]白敏丽，寇志海，王昊等.微槽群平板热管散热器传热性能的研究[J].热科学与技术，2010，9（1）：17-22.

[2]王昊.LED微槽群平板热管散热器研究[D].大连理工大学，2008.

[3]王吴.LED微槽群平板热管散热器研究[J].大连：大连理工大学，2009.

[4]田金颖，诸凯，刘建林等.冷却电子芯片的平板热管散热器传热性能研究[J].制冷学报，2007，28（6）：18-22.

平板太阳集热器 篇4

常见的非聚焦太阳能集热器有平板式、真空管式和真空热管式集热器。平板式太阳能集热器以其造价低廉、可承压、不爆管和集热面积大等优点获得广泛的应用;但由于普通平板式集热器热损大,高温段热效率偏低,在太阳能发电有机朗肯循环、制冷空调等场合应用效果不够理想。为此我们设计了一种小流量、大温差的蛇形管平板式太阳能集热器,通过试验测试其空晒温度及其瞬时热效率,分析试验结果,提供改进的措施,使之更好的满足于对太阳能中高温应用的要求。

1 试验装置和测量系统

1.1 集热器

要获取更高的温度和提高平板集热器集热效率,一方面要减小集热器热损,另一方面要增大得热。为此我们设计了以下结构,如图1所示(表1为集热器的几何尺寸参数):

从图1可看出,蛇形管平板式集热器主要由铝质外框、铜铝复合板(吸热板,电镀选择性吸收涂层)、钢化超白玻璃(内层)、普通玻璃(外层)、硅酸铝保温材料、铜管组成。内通载热工质的铜管通过压合与铜铝复合板联接。

2.2 试验和测量装置

试验采用导热油VP—1作为循环工质,通过高温导热油泵实现强制循环。如图2所示。

整个试验系统由油循环系统和测试系统构成,油循环系统包括蛇形管平板集热器、油冷却器、铜阀门、铜管、PVC管(冷却水管)、高温油泵。测试系统包括:百叶箱、压力表、铂电阻、质量流量计和太阳辐射测量仪组成。系统共设置9个测温点,沿吸热板对角线均布3个测温点,自吸热板左上角至右下角分别为2号、4号、6号;沿内玻璃内侧对角线布2个测温点,标号自内玻璃内侧左上角至右下角分别为1号、5号;3号测温点布于外玻璃外侧中心,用于测量外玻璃外侧温度;9号测温点悬空布置于百叶箱内,百叶箱用纸箱做成,四面用刀切割成百叶状,试验时放置于无太阳直射处,箱体离地面大于1 m。太阳辐照度和流量的数据分别由太阳辐射测量仪和质量流量计测得,太阳辐射测量仪安装在平行于集热器板面的支架上,其所测得的值即为集热器采光面所获得的太阳辐照度。表2、表3分别为测试仪表详细参数、集热器的安装环境。

3 结果与讨论

3.1 集热器空晒试验

为了验证集热器的最大集热温度,本试验进行了空晒性能测试。对系统充加载热工质前用硅酸铝保温材料包裹集热器进出口管,并把集热器铜管进出口封闭,避免管外与管内空气间的对流对空晒测试结果的影响。

试验时,每10 min记录一次1、2、3、4、5、6、9测点的温度数据和太阳辐照度数据;取2、4、6测点的平均温度为吸热板温度,1、5测点平均温度为玻璃内侧温度。测试时间2010-9-16日9:40~17:00,当日天气晴朗,间或少云,微风。结果如图3所示。

试验结果表明:(1)吸热板温度、内玻璃内侧温度、外玻璃外侧温度随着太阳辐照度的变化而变化,且变化幅度依次减小,即吸热板温度随太阳辐照度的变化最大,外玻璃外侧温度随太阳辐照度的变化最小;(2)在太阳辐照度达到全天最大值1 285 W/m2,吸热板温度最高温度可达170.2℃,吸热板与环境温差最高达147.4℃;(3)吸热板温度升高幅度随着太阳辐照度的增大而变得缓慢,这是由于随着板温的升高,热损也随之增大导致的。

平板型集热器的热损主要是通过玻璃面板的向外散热。对于双层玻璃组成的面板,当玻璃间的空气隔热层厚度为20 mm左右时,热阻最大[6]。而本集热器面板双层玻璃间空气层厚度仅10 mm。因此,若增大玻璃间空气层厚度,尚能进一步提高集热器的集热性能。

3.2 瞬时效率试验

3.2.1 试验理论分析

瞬时效率试验可以让我们对集热器的热效率有个定量的了解。本实验通过测得的温度和辐照度参数计算集热器瞬时效率,并拟合出瞬时效率拟合方程,公式推导如下。

以载热流体的进口温度表示的平板型太阳能集热器热平衡方程为:

式(1)中:

Qu—有用的有效收益,W;

Aa—集热器采光面积,m2;

FR—集热器热转移因子;

I—采光面太阳辐照度,W/m2;

(τα)e—有效透过吸收率;

UL—集热器总热损系数,W/(m2·K);Tf,i—载热流体进口温度,℃;Ta—环境温度,℃。

瞬时集热效率为实际获得的有用功率与集热器采光表面接受的太阳辐照度之比:

式(2)中:

η—瞬时集热效率;

式(2)代入式(1)可得:

式(3)中:

η0—Tf,i=Ta时的效率;

T*—归一化温差,(K·m2)/W;

U—以T*为参考的集热器总热损系数,W/(m2·K)。

实际有用的有效收益计算如下:

式(4)中:

m—载热流体质量流量,kg/s;

cf—载热流体在集热器内平均温度下的比热容,J/(kg·K);

ΔT—载热流体进出口温差,℃;

由试验测得的载热流体进出口温度、载热流体流量、环境温度、太阳辐照度等参数,代入式(3)、式(4)计算得出各离散点的值,通过线性拟合,即可得出以归一化温差为参考的集热器总热损系数。

3.2.2 集热性能测试与分析

测试时间2010-10-23日10:00~17:00,当日上午天空无云,下午少云,微风,载热工质流量(190±10)kg/h。吸热板内各测温点温度、载热流体进出口测温点和环境测温点温度的变化趋势曲线如图4所示。

从图3中可以看出:

(1)吸热板温度与载热流体出口温度变化趋势一致,即吸热板温度的微小变动都会引起载热流体出口温度的变化;

(2)由于采用了蛇形管设计,增加了载热流体在集热器内流道长度,相比于普通平行流道式平板集热器,载热流体进出口温差较大,最大温差11.2℃;

(3)随着吸热板温的升高,吸热板与流体出口的温差也逐渐增大,最大温差出现于13:00,此时吸热板达到最大温度,吸热板与载热流体出口的温差为15.7℃。吸热板与载热流体出口温差较大,其原因为两者间的热阻比较大,因此,采取必要措施提高载热流体出口温度,减小吸热板至载热流体的传热热阻,以进一步改善集热器性能。可主要通过以下措施来增强吸热板至载热流体的传热性能:(1)使铜管与吸热板压合紧密,尽量避免两者之间出现空气层,达到减少甚至消除接触热阻之目的;(2)增大管内壁对流体的对流换热系数。

3.2.3 集热瞬时效率测试

从图4可看出,下午时段太阳辐射不稳定,为了拟合准确,取10:10~12:50的数据,此时段太阳辐照度稳定,阶跃点较少,测试结果列于表4。

在进行瞬时效率曲线拟合之前进行了以下工作:(1)各时间点数据的选择;从表4中可看出,10:10的数据与其他时间点数据差异较大,舍弃;(2)载热工质比热的拟合;由于载热工质VP—1的比热分段给出,在瞬时效率方程拟合之前对其比热进行处理,其拟合曲线如图4所示;根据各时间点集热器内工质的平均温度查取比热填入表4。

由表4的数据,拟合的集热器效率曲线如图6所示。

拟合得到的集热器瞬时效率方程如式(5)。

从该瞬时效率方程及特征曲线可以看出:(1)当集热器载热工质进口温度等于环境温度时,吸热板与外界基本无热交换,效率截距0.754;(2)当集热器载热工质进口温度大于环境温度时,吸热板便对外界散热,效率呈下降趋势,效率曲线斜率-5.239,即集热器热损系数为5.239 W/(m2·℃)。进口工质温度越高,环境温度越低,瞬时效率越低,此时高温运行时集热器的性能也就越差。

4 结论

通过对集热器的试验,结果表明:(1)在对集热器的空晒试验时,当太阳辐照度为1 285 W/m2,集热器空晒温度达到170.2℃,吸热板与环境温差147.4℃;(2)在进行负载试验时,当太阳辐照度为1 137 W/m2,载热流体进出口温差达11.2℃;吸热板与载热流体出口的温差为15.7℃。且吸热板温度与载热流体出口温度变化趋势一致。(3)从瞬时效率曲线可以看出,集热器在中高温运行时,效率为52%—59%;通过对瞬时效率的拟合,得出此平板集热器的热损系数5.239 W/(m2·℃)。(4)可通过如下措施进一步提高集热器集热性能:(1)调整玻璃间距,减小吸热板通过面板向环境的散热损失,(2)减小吸热板至载热流体间的热阻。

由上可知,本论文设计的蛇形管平板式太阳能集热器集热性能优于常规的平板式太阳能集热器;蛇形管式平板集热器保温性能好、载热工质低流量大温差、中高温运行性能较好等优点使其更适合用于有机朗肯循环、制冷空调等场合。

参考文献

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平板太阳热水器集热涂层研究 篇5

关键词：平板集热器,太阳能,涂层

1 综述

太阳能作为一种可再生能源, 可利用能量巨大。平板集热器主要由透过阳光的透明板、吸收太阳光并在管内传递载热体的吸热板、保护吸收的热量不致逸散的隔热材料及其保护外壳等四大构件组成[1-2 (如图1所示) 。太阳光透过透明玻璃板照射到集热板上, 集热板吸收太阳光把光能转变成热能, 并把热能传导给贮热水箱内的水或导热介质, 由于太阳能热水器的保温系统有效地减少了热量损失, 从而使贮热水箱内的水温不断升高, 达到了吸热与保温的效果[3,4,5]。

2 涂层的选择性与种类

2.1 太阳能吸收涂层的选择性

太阳光辐射的能量主要分布在波长λ为0.25-2.5μm的光谱区内, 即太阳辐射能主要分布在可见光和近红外区, 而物体受热发生黑体辐射的能量主要分布在波长为2-100μm的光谱区中, 亦即主要在远红外区。为了能够充分利用太阳能, 人们设计出了选择性吸收的太阳能涂层材料, 这种材料必须满足以下两个条件:一是太阳光谱内的吸光程度高, 即有尽可能高的吸收率α;二是辐射波长范围内有尽可能低的辐射损失, 即尽可能低的发射率ε。由此可以看出, 吸收率α和发射率ε是衡量选择性吸收材料好坏的两个重要参数。

2.2 涂层的种类

以α/ε为重要指标, 太阳能吸热涂层总体上可分为非选择性涂层和选择性涂层两大类。非选择性吸热涂层的α/ε≤1;选择性吸热涂层的α/ε>1。下面对这两大类吸热涂层的研究现状进行综述[6,7]。

(1) 非选择性涂层

黑板漆作为最原始的吸热涂层属于非选择性吸收涂层, 其α/ε=1, 它的耐侯性很差, 尤其是在湿度很大的地区, 更容易发生脱落, 其使用寿命一般在一二年左右。因此应用不是很广泛, 这里也就不再详述[8]。

(2) 根据吸收原理和涂层结构的不同, 选择性吸收涂层可分为体吸收型涂层、干涉型吸收涂层、金属陶瓷复合涂层、表面结构型吸收涂层四种[9]。

3 涂层的制备方法

吸收涂层的制备方法主要有以下五种, 分别是涂料法、电镀法、电化学法、气相沉积法、真空镀膜法[10], 其中真空镀膜法和电化学法已经实现商业化。

3.1 涂料法

涂料法是一种发展比较早的制备方法, 它是将具有光吸收选择性的粉体作为色素与粘结剂混合制成涂料, 然后通过喷涂、浸沾、涂刷等方法将涂料涂在基板上。

3.2 电镀法

利用电镀的方法将具有光选择性吸收的金属镀在基板上。常用的电镀涂层主要有黑镍涂层、黑铬涂层、黑钴涂层等, 这些涂层均具有良好的光学性能。

3.3 电化学法

最常用的电化学法是将金属基板 (Al、Cu、Fe等) 放入含有磷酸的溶液中进行阳极氧化, 使其表面产生一层多孔氧化物, 然后放入某些金属盐溶液中, 利用电解沉积在孔中沉积金属 (Ni、Co、Mo等) 。

3.4 气相沉积法

化学气相沉积法 (CVD) 是一种较传统而又应用广泛的化学镀膜方法, 它将一种或多种化合物气化后, 经过一定的化学反应, 将所需的材料沉积在基板上, 可以沉积单质膜、复合膜。

3.5 真空镀膜法

真空镀膜法是指利用真空蒸发和磁控溅射沉积单层或多层复合膜。如利用真空蒸发沉积Cr、Ni、Pb S等薄膜;利用磁控溅射沉积Al2O3-Mo-Al2O3-Si O2、金属 (Cr、Fe、Mo、Ni、Ta、W) 碳化物、Al2O3-Al Fe CuAl2O3、Al-N、Ni-Ni Ox等薄膜。另外利用射频溅射的方法可以制备NiAl2O3、Mo-Al2O3、W-Al2O3、Au-Mg O等薄膜) 。

4 涂层国内外研究进展

我国从20世纪80年代开始加快了在太阳能吸热材料方面的研究, 清华大学、北京太阳能研究所等单位先后研制出一系列优良的选择性涂层材料。所研制的黑钴选择性吸收涂层具有良好的光谱选择性, 适合应用在工作温度较高的真空集热管上。研制成功的用于全玻璃真空管上铝-氮/铝太阳光谱选择性吸收涂层也具有很好的性能参数。近来国内外在制备工艺上主要利用电化学和磁控溅射方法, 所研制的选择性吸收涂层材料也正朝多层化、梯度化发展, 如备受重视的氮化铝选择性吸收涂层就是新一代吸热涂层的代表。从目前已达到的水平来看, 光热转换材料的性能还可进一步提高, 这不仅需要人们不断探索新的材料体系和制备工艺, 还可在涂层的玻璃盖板表面上做文章。如德国某研究所利用全息照相技术在平板盖板表面上进行纳米结构处理, 以增加太阳光透射率, 减少太阳能的反射损失, 从而使太阳能的热利用效率得到了进一步提高。

5 行业内存在的部分问题分析

目前吸热涂层的发展进入了多元化与精细化的发展阶段, 存在的瓶颈性问题主要集中在以下几个方面:

(1) 性价比高的吸收涂层相对较少;

(2) 耐磨耐腐蚀高性能涂层较少;

(3) 结合材料体系与玻璃盖板的涂层较少;

(4) 有机类的吸热基底涂层发展受冷落。

综上可以看出, 涂层的研究在材料的选择与工艺改进及辅助设施的协同性方面均存在发展的瓶颈, 任何一处的突破均能在一定程度上改进太阳能集热器的集热效率。

6 平板集热器涂层未来的发展方向

吸收涂层在太阳光波峰值0.5μm附近产生强烈的吸收, 在红外波段则自由透过, 并借助于底层的高红外反射特性构成选择性涂层。从室内保温涂层到太阳镜上的防反涂层等, 这些技术将集热器的效率提高了近5%。从最近众多的纳米技术的研究成果来看, 涂层技术将获得更加长足的发展。理想的涂层除了应具备良好的光学选择性外, 还应该满足光学性能长期稳定、耐候性强、价格低廉、形成涂层工艺简单、材料供应充足和对环境无污染等条件。常用的涂层并不能全部满足这些条件。问题主要集中在光学性能、成本和制取工艺上。

预计未来涂层的研发方向主要有以下几个方面: (1) 高吸收比, 耐腐蚀, 具有良好机械性能的涂层; (2) 经济实用, 成本低, 效果佳的涂层; (3) 生产工艺简单, 便于大规模生产和推广的涂层。

7 结论

综述国内外太阳热水器的发展状况, 研究了平板太阳热水器的结构, 重点对集热器涂层的种类、制备方法、发展现状进行了全面原理性的概述, 同时分析了整个涂层行业内存在的问题与发展瓶颈, 并瞻望未来集热器涂层的发展方向, 最后总结了涂层性能检测的相关标准和不同厂家产品耐盐雾的情况。通过对比和分析可以看出, 高性能涂层和经济型涂层将会是今后发展的重点, 二者会在一定时间内共存, 随着环保意识的提高和节能意识的加强, 无污染高性能的涂层将会占据市场的主导。

参考文献

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平板太阳集热器 篇6

基于微结构通孔阵列平板热管的太阳能集热器技术。

二、技术类别

零碳技术。

三、所属领域及适用范围

建筑行业太阳能热利用。

四、该技术应用现状及产业化情况

目前, 我国太阳能热水器生产企业约有3000多家, 太阳能热水系统的产量和保有量分别达到6390万m2和25 770万m2。太阳能集热器是太阳能热水系统的关键部件, 主要包括真空管集热器和平板集热器两种类型, 其中平板集热器的市场份额约占20%。该技术采用以微热管阵列为基础的新型太阳能平板集热器, 目前已在国内市场应用约6万台, 具有较大的推广潜力。

五、技术内容

1.技术原理

该技术采用改进的平板式太阳能集热方法, 用平板热管和集热水箱进行太阳能集热, 其中平板热管为金属材料经过挤压或冲压成型的两个及以上并排排列的通孔阵列平板结构, 通孔内灌装液体工质, 并将平板热管两端密封封装形成, 可以将通孔两端也密封封装从而形成独立工作的微热管;集热水箱包括导热内胆和保温层。将平板热管的冷凝段与集热水箱的导热内胆外壁面接触, 平板热管冷凝放热经导热通过集热水箱的导热内胆外壁传给集热水箱产生热水。该技术提高了系统集热效率, 较好地解决了平板热管腐蚀、表面结垢以及平板热管与集热水箱之间密封等问题。

2.关键技术

(1) 微热管阵列技术。在平板太阳能集热器框架内设置相互连接的微孔管群, 以提高各微孔管的强度, 并改善传热性能;

(2) 高效吸热涂层技术。采用磁控溅射形成高选择性吸收涂层———吸热膜, 具有高透光率、高耐候性, 且易于实施, 可保障集热器的高效运行;

(3) 热交换水路设计技术。将微热管固定在吸热膜背面, 再紧贴于循环水管上, 利用微热管的吸热传热特性, 将热量快速传递到水管, 将水加热;

(4) 吸热部件与水路干式接触技术。由于微热管的高效传热特性, 提高了系统的光热转化效率。另外, 吸热部件与水无需直接接触, 就可以实现热量快速传导。

3.工艺流程

新型平板集热器的结构见图1, 微热管阵列结构见图2。

六、主要技术指标

(1) 日有用得热量:11.2 MJ/m2;

(2) 吸热体涂层, 红外发射率:0.07, 吸收比:0.95;

(3) 热损系数:≤4.7 W/ (m2·℃) ;

(4) 瞬时效率:≥0.82;

(5) 耐压性能:≥0.9 MPa。

七、技术鉴定情况

该技术已获得5项国家专利, 其中发明专利3项, 实用新型专利2项。

八、典型用户及投资效益

典型用户:湖南民政学院、常德市第五人民医院、澧县妇幼保健院、湖南立中直业澧县银谷国际等。

典型案例1:南通通州华通投资有限公司员工宿舍太阳能热水工程

建设规模:12t太阳能热水工程。建设条件:电、水至施工现场, 平板集热器安装在南面屋顶斜面, 倾角45°。主要建设内容:微热管阵列平板太阳能热水系统安装。主要设备为65套平板太阳能集热器及12t水箱。项目总投资18万元, 建设期为4个月。年减排CO2量约70t, 年节电产生经济效益9.2万元, 投资回收期约2年。CO2减排成本为60~150元/t。

典型案例2:澧县银谷国际第三期12#楼阳台分户式平板太阳能热水器工程

建设规模:121台阳台分户式平板太阳能热水器工程。建设条件:电、水至施工现场, 平板集热器安装在南面屋顶斜面, 倾角45o。主要建设内容:安装微热管阵列平板太阳能热水系统。主要设备为新型微热管式平板集热器, 夹层承压搪瓷水箱。项目总投资40万元, 建设期为6个月, 年减排CO2量约140t, 年节电产生经济效益17万元, 投资回收期约2.5年, 减排CO2成本为60~150元/t。

九、推广前景和减排潜力

随着我国城镇化快速推进, 在太阳能与建筑一体化建设方面, 平板型太阳能集热器和热水器技术将具有广阔的发展前景。预计未来5年, 该技术可推广应用150万台 (套) , 预期推广比例占整个热水器市场的2%, 可形成年减排CO2能力160万t。

注:碳减排成本是指典型案例投资成本相对于选定的基准线投资成本的增量投资与典型案例碳减排量的比值。

注释

平板电脑半导体制冷散热器的研发 篇7

目前, 市场上主要有华硕、九州风神等品牌的散热器, 其散热模式单一 (主要采用风冷的散热方式) , 散热结构为风扇+热管+散热板的组合。很多平板电脑采用铝镁合金制成的外壳, 这对其散热起到了一定的作用。此外, 散热器包含机械传动部分, 该部分在运行中的噪声较大, 且会污染环境;制冷参数会受到空间方向和重力的影响, 在机械过载的情况下无法正常运行。

在现行的平板电脑散热技术的基础上, 我们采用最先进的半导体制冷技术为消费者提供了更好的平板电脑散热体验。针对平板电脑散热产品噪声大、风力小、散热途径单一的现状, 通过组建的科研团队研发出了一种半导体制冷散热系统 (含有制冷片) 。其特征在于利改变了平板电脑传统的散热方式, 引入了冷空气, 增加了平板电脑底部的空气流动, 从而有效降低了平板电脑内部各发热元件的温度。该系统采用制冷和散热的双重散热模式, 散热效果较好, 且无液、气工作介质, 不会污染环境;制冷参数不受空间方向和重力的影响, 在机械过载的情况下可正常运行;运行效率高、使用寿命长、易于控制, 且外观设计个性化, 符合大众潮流。

1 实验材料

实验材料包括1 片半导体制冷片、1 块隔热棉、1 块导冷片、1 个导冷风扇、1 块散热铝板、1 个散热风扇、1 台电源适配器 (12V, 5 A) 、1 根导风管、1 个底座以及220 V电源、钳子、手锯、铁剪子、硅胶、黏合剂等。本产品所使用的工具全部购置于辽宁省沈阳市三好街五金店, 所用实验材料均在淘宝网购买。

2 实验过程及结果

2.1 散热器的结构设计和组装

图1 为散热器的结构示意图和实物图。平板电脑半导体散热器主要包括制冷端和导热端, 其中, 制冷端包括制冷片 (N型和P半导体) , 导冷风扇处于制冷端与导热端之间的隔热棉中。半导体制冷片是一个热传递的工具, 当N型半导体材料和P型半导体材料组合成的热电偶对中有电流通过时, 两端之间会产生热量的转移现象, 热量会从一端转移至另一端, 进而产生温差, 形成冷、热端。但当电流经过半导体时, 半导体自身存在电阻会产生热量, 进而影响热量的传递, 且两个极板之间的热量会通过空气和半导体材料进行逆向热传递。当冷、热端热传递的量相等时, 就会达到一个平衡点, 正、逆向热传递会相互抵消。此时, 冷、热端的温度会停止变化。为了降至更低的温度, 可采用散热等方式降低热端的温度。风扇和散热片的作用主要是为制冷片的热端散热。通常情况下, 半导体制冷片冷、热端的温差可达到40~65 ℃。如果通过主动散热的方式降低热端温度, 则冷端温度也会随之下降。因此, 我们除了在制冷端安装了小型风扇外, 还在散热段安装了较大的风扇。此外, 还在大风扇前端安装了散热片, 从而提升散热器在使用过程中的散热效果。

在半导体散热器的组装和使用过程中, 还要考虑电源的匹配问题。因此, 在购买材料的过程中, 我们与厂家进行了沟通和交流, 并开展了实验, 最终确定采用H-225 型电源适配器。这款电源适配器可充分发挥半导体制冷散热器的作用。电源适配器连接220 V电源后, 可为制冷器供电。通过半导体制冷片可产生冷空气, 冷空气通过导冷风扇进入导冷管, 导冷管连接在底座上, 从而将冷风送入底座, 平板电脑内部风扇吸入冷风, 引入的冷空气可大大增加平板电脑底部的空气流动。

2.2 散热器与底座的配合

散热器与底座的配合水平对散热器的散热效果影响较大。平板电脑半导体散热器的底座不仅要起到一定的支撑作用, 还应易于切割、不易损坏安装的零部件。通常情况下, 我们会将散热器安装在平板电脑下方CPU所在的位置, 从而最大程度地提升散热效果。综合考虑后, 选择了泡沫板作为散热器底座的材料。

在第一次制作中, 组装完成的平板电脑半导体散热器平放在平板电脑下方, 如图2 中的a所示, 但此产品预留的空气流动空间较小, 且在散热器与电脑之间未设置隔板, 长期运行后会缩短散热器的使用寿命。

在第二次制作中, 很好地解决了上述空气流通空间不足和散热器的受力问题, 如图2 中的b所示, 左侧用泡沫板制作的空间用来流通空气, 中间增加了铁板, 扩大了空气流通的路径, 并将整个散热器装置放置在空气流通室外面, 在泡沫板与平板电脑之间增加了铁网, 从而分散底座的受力。但在实践过程中发现以下3 点问题: (1) 散热器放在外面易损坏, 且会占用较大的空间, 不利于物品的摆放; (2) 在空气流通装置中安装的铁板未起到散热的作用, 反而阻碍了空气的流通; (3) 底座制作成平面后不利于空气的流通。

在第三次制作中, 综合考虑了之前实验过程中存在的问题, 在各方面进行了改进——将散热器放置在底座中, 节省了部分空间, 将底座制作成了坡面, 并在坡面侧面设置了通风孔, 在坡面背面放置了散热风扇, 这不仅扩大了空气流动的空间, 还增加了空气流通的出口, 实现了热空气向上、冷空气向下的空气流动过程, 如图2 中的c和图3 所示。经过检验, 此次制作的产品的散热效果较好。

2.3 分析讨论

目前, 我国的平板电脑散热器主要采用风冷的方式散热, 即采用各类型的风扇对平板电脑的高热部位进行散热。当平板电脑温度过高时, 风扇式的散热器无法有效散去平板电脑在长时间使用过程中产生的大量热量, 散热效果会大打折扣。而我们在散热器结构中加入半导体技术的方案在国内尚属首例, 目前, 半导体制冷片已实现产业化, 已经被广泛用于许多相关行业, 这也促使了半导体式散热器的不断升级。

平板电脑半导体散热器的产品优势有以下4 点: (1) 散热效果好。制冷空气混合风冷的散热方式比单一风冷的散热效果好。 (2) 价格便宜。半导体制冷片、变压器、散热片、聚乙烯底座、风扇等的均价格便宜, 且结构简单、易于安装, 材料成本量产后仅需125 元。 (3) 绿色环保。该散热器的运行过程中不同于压缩机的制冷过程, 半导体制冷不产生机械摩擦, 具有噪声小、无制冷剂污染、寿命长的特点。 (4) 个性化。制冷器和变压器的壳体采用了可更换外壳, 且具有多种颜色, 可满足年轻人对于个性的追求。

3 结论

半导体制冷散热器的制冷元件是半导体制冷片。该元件可主动制冷, 从而加大空气与平板电脑的温差, 使电脑表面的热量快速散失, 从而达到高效率散热的目的;配置有坡面底座, 既节省了空间, 又扩大了热气的流通空间和散热通道, 使用效果良好。

摘要：目前, 平板电脑散热器的散热效果并不理想, 因此, 将半导体制冷片加入到了散热器中, 并通过调整底座的外形和配合方式, 使半导体散热器具有了更好的散热效果。利用半导体制冷片在运行过程中引入的冷空气, 可增加平板电脑底部的空气流动, 从而使平板电脑内部各发热元件充分散热。结果表明, 将半导体制冷片放置在散热器前端构成制冷区, 将较大的风扇放置在散热区, 将底座制作成斜坡样式, 并在底座左、右各添加1个散热口, 可提升散热器的散热效果。

关键词：平板电脑,散热器,半导体制冷片,底座

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平板太阳集热器 篇8

近几年以来,由于热管具有体积小、质量轻以及传热效率高等特点已经成为人们关注的焦点。作为一种新颖的传热原件,为热量从很小的截面高效地传递到较大表面提供了捷径。

1 数值模拟

为了证明平板热管散热器在散热方面的优势,根据散热器材料不同,将平板热管散热器与其余两种情况进行比较计算。此时热源在平板中心处(40mm×160mm)布置。

1.1 物理问题

散热器中底板尺寸为400mm×160mm×6mm,上加间距为5mm,高为40mm的翅片,翅片厚为0.3mm,总数为32片。摆放位置与地面成30度角。模拟计算中的传热过程主要是:散热器底板工质受热后发生相变,汽化的液体工质一部分通过金属薄片之间的微槽到达微槽上部,冷凝释放潜热;另一部分通过金属薄片表面的通孔到达底板上部,冷凝释放潜热。然后通过热管壁的导热将潜热传递给翅片,最后通过翅片与周围空气的自然对流换热将热量传递给环境。

1.2 网格划分

计算采用非均匀性网格划分,散热器及较近部分的空气的网格划分比较密集,较远处空气的网格划分比较稀疏,这两部分的网格利用Star-CD中couple的命令连接,计算模型中固体网格为106120,流体的网格为704248,总网格数为657688。

1.3 边界条件

边界条件的设置为:给定散热器周围环境温度,平板底部中心处热流密度固定。

1.4 数值模拟结果及分析

材料散热器底部平板的底板温度趋势相同,都是由中心向两侧逐渐降低。然而,底板与翅片全为热板的情况下最高温度为118.3℃,比相同结构的铝制散热器底板温度133.4℃低15.1℃,这充分说明热板散热器的确具有较好的散热能力。

2 散热器外部结构优化

本文中对平板热管散热器的设计要求是:散热量在150W时,底板温度低于75℃。为了满足设计要求,并尽可能的提高散热器的散热效率,以下将对散热器进行优化设计。

2.1 底板热源的布置方式

采用数值模拟方法,根据实际情况改变底板热源的布置方式。(1)带有翅片的热板在第二种热源交叉布置的情况下,当翅片高度不变时(40mm),随着翅片间距的变化,从5mm,8mm,10mm,12mm,到15mm,底板温度也随之变化,其中翅片间距为10mm时,底板温度最低为105.438℃,比最高值113.452℃下降了约7.6%;经计算,此种情况下换热系数相对较高为5.730W/m2·K,翅片高度为40mm,间距为10mm约为最低值2.508W/m2·K的2.28倍。(2)在不改变翅片间距的情况下(10mm),当翅片高度沿40mm,36mm,30mm,20mm变化时,热板底部温度逐渐升高,由105.438℃变化到148.685℃,增加了约29%;翅片温度也增加了约29%。翅片间距为10mm,高度为40mm时,翅片间流动较好。

因此得出结论:当翅片间距为10mm,翅片的高度为40mm时的换热和空气流动最好。

2.2 底部平板面积调整

通过计算,得到了最优的散热器结构,接下来将对平板热管的底部面积进行调整,以便于更好的满足LED器件对温度(65℃-75℃)的要求。

由模拟结果可以看出,当底板尺寸为500mm×400mm×3mm时,散热器的底板温度为72℃,基本达到LED器件对温度的要求。

3 结论与展望

(1)本文针对一种新型平板热管散热器建立了数学模型并进行了模拟计算。计算结果表明,这种平板热管散热

浅析如何做好离心压缩机的防喘振控制

Anti-surge Control of Centrifugal Compressor

谢聃XIE Dan

(河北沧州渤海石化工程有限公司,沧州061000)

(Hebei Cangzhou Bohai Petrochemical Engineering Company,Cangzhou 061000,China)

摘要:离心式压缩机在石油化工行业有着广泛的应用,它的重量小、容易磨损的部件少、装置的运行效率高、供气比较也没有油气的污染、可以运转平稳及经济性好等优点。离心压缩机有着众多的优势,可是在特定的一些工况就会产生喘振,机器无法正常的使用,甚至还有可能会由于失误而造成更严重的事故。做好离心压缩机的防喘振控制有着非常重要的意义。本文介绍了压缩机喘振的现象、原理,并针对离心压缩机的喘振提出了有效的方法和控制方案。

Abstract:Centrifugal compressor has been widely used in petrochemical industry.Its weight is small,the parts which are easy to wear and tear is small,the operation of the device is high efficiency,gas is no pollution,the operation is smooth and economy is good.Centrifugal compressor has numerous advantages,but in certain conditions,produces surge,and the machine can't be operated normally,and even may be due to the mistake,cause more severe accidents.So the anti-surge control of centrifugal compressor has very important significance.This paper introduces the principle of compressor surge phenomenon,and puts forward effective method and control scheme.

关键词:压缩机;离心;防喘振

中图分类号:TB652文献标识码:A

0引言

在压缩机处于正常运行状态时,若气流的量进入叶轮的内部比那个工况下规定的最小气流量要小,那么系统管网内的一部分气体就会倒流进入到压缩机,这种现象就叫做喘振流量,一旦压缩机的出口压力比系统管网内的压力要高,压缩机就会再一次的出现排气,压缩机系统内的气体就会出现周期性的振荡,主要震荡表现出的位置是机组和连接的管道,这些设备会共同出现幅度很大的并且带有周期性的振荡,这种工程上的现象被称作喘振。[1]

当压缩机运行时,如压缩机的吸入气体量减小至一定数值时,压缩比降低,会造成排气管线内部的压力远大于压缩机出口处的压力,已被压缩的气体会倒流至压缩机,当管线内部压力降低后,气体的流动方向发生改变。[2]此时,压缩机入口处气体流量及出口出压力会出现较大幅度的周期性低频率振动,如此现象持续出现,会造成压缩机

作者简介:谢聃(1965-),男,安徽桐城人,工程师,研究方向为石

油化工装置仪表维护、检修、安装技术工作。

器与普通铝制散热器和热板-铝翅片散热器具有明显的散热优越性,由此证明了本文对此种散热器建立数值模型进行计算是有必要的。

(2)另外,本文针对LED器件的实际应用,对这种新型平板热管散热器进行了结构优化,最终得到了一款最优结构的散热器。

(3)本文对于平板热管散热器的研究只考虑了平板内部的导热以及平板与周围空气的自然对流换热,因此在接下来的工作中将考虑辐射对散热的影响,并根据发射率的不同来对其进行优化。文中模型的计算并没有达到完全满意的结果,因此将考虑对模型作进一步调整,比如将热板竖直立于铝板上,从而在其两侧加设翅片以增加散热面积。

文章编号:1006-4311(2013)23-0062-03

较强的气流波动,将其称为压缩机喘振。在压缩机发生喘振过程中,不但会引起气流量的大幅周期性波动,同时也会造成压缩机机身强烈振动,同时带动出口管道和厂房框架一起振动,发出周期性响声。当没有及时找到控制方法,将会破坏压缩机的轴封和级间密封,并加快轴承磨损速率,又会造成压缩机动静部件的摩擦和碰撞,压缩机停工,甚至会引发重大事故等。总而言之,喘振已成为影响压缩机组正常、稳定工作的一个主要因素。[3]

1离心压缩机的喘振机理

如图1所示表示的为离心压缩机的喘振原理,从图中可知,离心压缩机的工作特性曲线主要可以分为稳定区和不稳定区两个区域。而我们所说的压缩机的喘振一般发生的区域是不稳定区。当压缩机系统收到外面的阻力,由于某种原因阻力升高到一定的高度时,压缩机的工况会从A点一下子突变到图中的B点,此时设备的排气压力会一下子升到最大,然后就会出现脱流,这种现象一般发生在叶片上,工况点又迅速移到负流量下的C点,然后迅速降到D点再瞬间移到A点,压缩机工作的状态会呈现一个

参考文献

[1]Hsu C C,Wang S J,Liu C Y.Metallic wafer and chipbonding for LED packaging.In:Proc 5th Pacific Rim Conference onLasers and Electro-Optics,Vol 1.Taipei:IEEE,2003.26

[2]余彬海,李绪锋.倒装芯片衬底粘接材料对大功率LED热特性的影响.半导体技术,2005,30(6):49-51,55.

[3]Acikalin T,Garimella S V,Petroski J,et al.Optimal design ofminiature piezoelectric fans for cooling light emitting diodes.In:ProcNinth Intersociety Conference on Thermal and ThermomechanicalPhenomena in Electronic Systems,Vol 1.New York:IEEE,2004:663-671.

太阳能集热器的研究进展 篇9

全球变暖已成为一个日益紧迫且急需解决的问题。使用可再生能源, 特别是太阳能, 被视为一种解决全球变暖, 实现人类可持续发展的有效手段。太阳对外释放巨大能量, 在地球大气层上界获得太阳辐射能是174 PW (1 PW=1 015 W) [1]。太阳辐射进入地球大气层后, 经过云层、空气和水汽的反射、散射和吸收后强度显著减弱, 大约51% (89 PW) 到达土地和海洋[1]。很明显, 太阳能显著衰减, 但到达地球表面的太阳能总量仍然是巨大的。然而因为太阳能的低密度和间歇性的特点, 所以需要将太阳能收集利用。

太阳能集热器是一种常见的太阳能收集装置, 具有良好的光驱性能 (能够尽可能多的吸收热量) [2], 本文总结讨论了两种典型的太阳能集热器:聚光型集热器和非聚光型集热器。

1 太阳能集热器

太阳能集热器, 是一种特殊的能量转换器, 既可以把太阳辐射能量通过工质转化为热能, 也可以直接利用光伏系统转化为电能。太阳能集热器通常分为两类:非聚光型集热器、聚光型集热器。非聚光型集热器的面积与吸热面面积相等;带有追光系统的聚光型集热器, 通过面镜将太阳能集中在小区域, 获得更高的工作温度, 从而实现更高的卡诺循环效率。

1.1 非聚光型集热器

1.1.1 平板集热器

平板集热器通常固定安放, 因此需要适当调整安装角度。典型的平板式集热器通常由玻璃盖板、吸收板、隔热层、热管 (输送热工质) 组成。玻璃盖板是由单个或多个组合使用, 具有太阳透射比高, 红外透射比低等特点。起到透射太阳辐射, 保护吸热板, 形成温室效应并降低由于吸热板温度升高造成的与外界环境之间的对流换热作用[3]。低铁玻璃是一种具有高太阳辐射透射比 (大约0.85~0.87) 和长波热辐射透射比接近于零的玻璃材料[4]。Hellstrom等人对平板太阳能集热的光学和热学性能影响的研究发现增加一层聚四氟乙烯膜在玻璃盖板与吸热板之间, 在50℃时集热器效率提高5.6%, 如果采用蜂窝状聚四氟乙烯, 通过减少对流换热损失可以使集热器效率提升12.1%[5]。

为了尽可能多的吸收热量, 吸热板通常涂有黑色涂层, 各种彩色涂层也在文献[6,7]中提出。选择性涂层通常由具有对太阳短波辐射吸收率高的表层, 和对长波辐射具有高反射率、低发射率的底层构成。这种选择性涂层具有理想光学性能并且制造成本通常较高, 文献[8]提出了几种低成本的制造方法。此外, 为进一步提高集热器的性能, 吸热板热损失也需要降低。发现由透明材料制成的蜂窝, 放置在玻璃盖板与吸热板之间的空域上, 有利于减少热损。

由吸热板吸收的热量需要迅速转移到工质中, 以防止系统过热[9]。因此吸热系统的传热性能是非常重要的。Kumar和Reddy研究发现通过安装多孔体促进传热的集热器, 传热性能提高了64.3%[10]。Lambert等人发现采用振荡流, 通过提高工质在太阳能集热器中的热扩散系数可以显著提高传热[11]。何启东等采用工质在吸热板正、背两面流动的集热器, 取得了较好的导热率[12]。Ackermann等采用数值计算的方法得出在集热器流道中安装肋片能够有效提升集热器的传热性能, 并且通过降低翅片间距以及改进翅片的材料可以进一步提高热导率[13]。Sopian等人的研究表明, 在第二个通道中插入的多孔介质, 能够获得更高的出口温度, 从而提高系统的热效率[14]。如图1所示。Martinopoulos等采用聚碳酸酯蜂窝提高太阳能集热器的传热效率[15]。

在太阳能集热器的热分析和数值模拟研究方面。Saha和Mahanta研究了平板太阳能集热器的热力学优化[16]。葛众等人结合能量和对平板太阳能收集器也进行了优化分析, 他们认为当增大光学效率和增加入射太阳光时, 效率也将增大, 但是当环境温度和风速增加时, 效率迅速下降[17]。他们还确定了一个最佳工质进口温度。此外, 还发现热管管径对效率有很小的影响。Selmi等利用商业CFD软件通过采用混合传热模型对平板太阳能集热器的热现象进行了模拟, 并且所取得的结果与试验数据吻合较好[18]。

1.1.2 光伏光热混合集热器

光伏光热混合集热器可以同时将太阳能转换成电能和热能。一个典型的光伏光热集热器是由一个峰值效率在5%~20%之间的光伏模块和一个附着在光伏模块的后面吸热板 (作为一个散热装置) 构成。吸热板收集光伏模块的余热使其冷却到适当的温度而获得更好的电气性能, 同时可以实现太阳能光热低温应用, 如供应家庭热水[19]。

最近大量关于光伏光热混合集热器的研究, 尤其是对于空气集热器的研究重点大都放在吸热板和热管的尺寸[20]、工质流速[21]、箱体大小[22]、太阳能电池的填充因子[23]、使用非晶硅[24]、使用金属肋片[25]和多通道配置等问题。此外, 文献[26]对低聚光非成像光学光伏光热混合系统的应用也进行了研究。

对光伏光热混合系统和传统的光伏系统之间的性能进行比较, 结果表明:光伏光热混合系统可以显著的提高能量转换效率和潜在的成本效益[27]。随着光伏光热混合系统理论模型的发展, 复杂的热输出和电气输出之间的平衡问题得到了研究[28]。此外, Joshi和Tiwari基于热力学第二定律对光伏光热混合系统进行了分析[29]。

1.1.3 增强型光伏光热混合集热器–双面系统

光伏光热混合集热器一般以水或者空气做为热介质。水具有高比热容和优良的光学特性, 是一种理想工质。Tina等人对以水为热介质的太阳能电池板系统测试发现一层4 cm厚的水可以减少系统反射光和热漂移, 使光电效率提高了15%[30]。效率提高的原因有两个:首先, 水主要在红外波段吸收阳光;其次, 水在短波长区域是完全透明的, 所以, 长波辐射可以被水吸收产生热量, 同时短波辐射可以利用光伏系统发电。

图2显示了厚度1.5 cm水层的光学透射谱, 以及厚度为50μm的单晶硅层太阳能光伏电池的吸收光谱[31]。图2表明, 水的光谱吸收率对光伏电池的工作区域只有轻微的影响, 对波长约为950 nm的光线水的透射率降低, 对波长在1 100 nm以上的光线有强烈的吸收性。因此, 充满水的集热器与双面硅片的光伏模块组成的混合系统具有很好的发展前途。

(1) 1.5 cm厚水层传输特性曲线, (2) 50μm厚单晶硅层的吸收特性曲线

Robles等人发明了一种双面被水覆盖的光伏模块, 能吸收长波辐射产生热量和短波辐射产生电能[31]。短路电流数如图3所示。最低的曲线代表底部面板在一天中不同时间的短路电流Isc。中间曲线代表前面板的短路电流, 最高的曲线代表系统所有面板总的短路电流。总的最高短路电流值是7.1 A, 正面和底面相应的短路电流值分别为5.1 A和2 A。结论表明, 双面光伏系统比普通单面系统输出电能增加了40%, 并且成本几乎没有增加。

双面系统还可以通过吸收余热生产热水进一步提高系统效率。要获得更高的效率, 就需要研究系统流道的优化设计和传热特性。双流道双面系统可以更有效地去除多余的热量, 从而提高系统效率但是这种水型光伏光热系统有一个缺点:在寒冷地区, 因为冷冻会造成系统的损坏。此外由裴刚等提出的一种热管式光伏光热系统, 在热传递过程中几乎没有任何温度下降, 而且还可以减少腐蚀[32]。

图3光伏板短路电流的时间变化曲线:曲线1、2、3分别代表背面、正面和总面的短路电流

1.2 聚光型集热器

1.2.1 塔式集热器

聚光型集热器通常配备有太阳跟光设备, 相对于非聚光收集器有更高的聚焦比, 可以获得更高的工质温度, 也就意味着能够获得更高的热力学效率。塔式集热器, 有若干平面镜构成, 整个镜场阵列需要有精确的定位, 将太阳辐射反射集中在一个高塔上。每一个镜面都是由采用经纬仪跟踪技术的自动控制系统调节方向。为获得更高的整体效率, 因此需要对镜场布置优化设计。魏秀东等人用蒙特卡罗光线追迹法建立镜场聚光的数学模型, 采用参数搜寻算法实现对镜场结构的优化获得了很好的效果[33]。

塔式太阳能集热器按照中央接收器的类型可分为外部型和腔型。位于美国加利福尼亚州太阳能一号光热电站使用的是外部型接收器, 如图4 (a) 所示, 外部型接收器的高径比通常是1∶1至2∶1。为了减少热损失, 接收器体积通常被设计的尽可能最小。但是接收器体积过小容易造成工质过热, 因此使用耐高温热管或者散热能力强的传热工质可以进一步减小接收器的体积。传热工质包括水、蒸汽、合成油, 液体钠熔盐, 其中熔盐和液体钠比蒸气和合成油有更高的散热能力[34]。腔型接收器的设计如图4 (b) 所示:太阳能辐射由镜面通过腔体上的孔 (孔面积约占内部吸收表面面积的三分之一到二分之一) [34]反射到腔壁上的吸热面。因此孔径越小接收器的热损失越小, 但最佳空腔尺寸应与场地的布局有关。

当前关于接收器设计的首要问题是计算从吸热壁吸热传递到传热工质中的热流量, 并保证吸热壁面和传热工质不过热。文献[34]给出了典型设计峰值。整个吸收壁的平均热流量通常占峰值的三分之一到二分之一。此外, 太阳能吸热板温度梯度和每日热循环也是影响热流量的两个重要因素。

1.2.2 抛物面聚光集热器

抛物面聚光集热器是使用一组外形类似卫星接收器的抛物型碟形反射镜, 将太阳能辐射聚焦在一个共同的焦点上, 接收器内的传热工质被加热到工作温度和压力, 驱动发动机发电。发动机主要有两种, 一种是斯特林发动机, 另一种是布雷顿发动机。抛物面聚光发电系统具有以下优点:光效率高, 启动损失小和模块化生产, 便于推广可满足偏远地区的电力需求[35]。

图4两种太阳能接收器[49]: (a) 外部型; (b) 腔型

聚光器、接收器和发电机是在碟式太阳能热发电系统中最重要的组成部件, 碟式聚光器主要有玻璃小镜面式、多镜面张膜式、单镜面张膜式等[36]。接收器包括直接照射式和间接受热式, 是碟式发电系统的核心部件。接收器包括直接照射式和间接受热式。德国航空航天中心设计了一种性能优良的热管接收器, 设计容量为40 k W, 理论最高热流密度为54×104W/m2;南京工业大学提出了一种组合式热管接收器, 并从接收器总体结构、热管单元结构以及接收器工作原理等方面做了详细阐述。并对热管接收器的传热过程进行了分析计算, 结果表明组合式高温热管接收器具有优良的热传递性能[37]。另外, 还有一种由热管接收器改造而成的以气体燃料作为能量补充的混合式热管接收器, 但由于加入了燃料系统, 使其结构复杂、成本提高。

1.2.3 槽式抛物面集热器

根据槽的尺寸, 槽式抛物面集热器的聚光比大约是40。聚焦线上的温度可高达350℃至400℃。这种集热器的关键部件是一组抛物反射镜, 将太阳能辐射聚焦在一条线上。在聚焦线上安装真空管集热器吸收太阳辐射。

槽式抛物面集热器既可以固定在东西方向, 从南北方向跟踪太阳, 也可以固定在南北方向, 从东西方向追踪太阳。实验得出双轴追光系统太阳辐射收集量比固定系统多出46.46%, 通过对双轴、垂直轴、东西轴、南北轴四种追光系统与固定面系统实验对比, 四种追光系统的发电量比固定系统分别高43.87%, 37.53%, 34.43%和15.69%[38]。

与其他类型的太阳能集热器对比槽式抛物面集热器有多种特色和优势。首先, 他们是可扩展的, 因为他们的槽镜像元件可以安装在普通焦线。其次, 他们只需要二维跟踪 (蝶式发电系统需要三维跟踪, 系统更复杂) , 所以他们可以获得更高的跟踪精度。

2 结论