热质中热管的工作原理(《热管技术大全》—热管技术在太阳能领域中的应用)

Posted 2023-06-02

篇首语：身不饥寒，天未曾负我；学无所获，我何以对天。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了热质中热管的工作原理(《热管技术大全》—热管技术在太阳能领域中的应用)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁无污染能源。我国地域辽阔，人口众多，能源短缺，开发太阳能的利用对我国的国计民生具有重大意义。

由于热管本身所具有的众多特点，如均温性、热流密度可以变化、热二极管特性等，使其在太阳能的应用中具有极为广泛的应用前景。

世界各国对热管太阳能技术的开发大致可分为三个方面∶

① 民用太阳能集热器，热水供应、取暖、制冷、太阳能冰箱、太阳灶;

② 农业、工业用太阳能集热器∶如海水淡化、粮食及各种物料的干燥，太阳能暖房;

③ 太阳能发电设备∶利用太阳能收集板、高温液态金属热管、储热装置、斯特林发电机组合成的发电机已开发成功，非常适用于沙漠、高山以及缺少能源的地区。

我国的热管太阳能应用技术主要集中于民用热水器的开发研究。这一技术普及的主要障碍仍在于价格及太阳光聚焦技术等因素。在完善技术的基础上大幅度地降低价格，是热管太阳能装置普及的关键。

1.1 平板式热管太阳能热水器

平板式太阳能热管热水器是用热管代替普通平板集热器中的水管。其结构示意如图 10-1 所示。

热管内部的工作液体可以选用防冻的液体。在热管的蒸发段两侧焊有纵向肋片，肋片和热管上涂有选择性涂料，以吸收太阳辐射能。

热管的冷凝段插入水箱中，当太阳光照射热管蒸发段的时候，热量通过涂层和金属管壁进入热管内部，热管内部的工作液体受热汽化，蒸汽流入到热管的冷凝段放出热量加热水箱中的水，蒸汽冷凝成液体后回流到热管的蒸发段接受太阳热重新汽化为蒸汽，再流入到冷凝段放出热量。如此反复循环。

与一般平板式太阳能热水器相比，平板式热管太阳能热水器有如下好处∶

① 平板式热管太阳能热水器的热管一般均为重力式热虹吸管，它具有单向导热性的特点，即热量只能从蒸发段导向冷凝段，而不能从冷凝段导向蒸发段。

因之，在我国北方地区当夜晚外界温度低于水箱内温度时，热量不会从水箱通过热管散失到外部环境中去;

② 热管的工作液体可以采用防冻工质，在我国北方寒冷地区可以避免冬夜因温度过低而冻破热管;

③ 每根热管都是独立的热管元件，单根热管如有损坏可以更换，而与系统无关，故安装维修均较方便，使用寿命长。

热管平板太阳能热水器的缺点是价格较高。为了提高传热效率，热管以及肋片最好采用铜、铝等有色金属，这就提高了制造成本。

如果采用碳钢作为热管及肋片的材料，则价格可能与一般平板式太阳能热水器相差不多。

1.2 热管真空管式太阳能集热器

热管真空管式太阳能热水器是一种新型的太阳能热水器，也是热效率最高和最有前途的一种太阳能热水器。

这种形式的热水器最重要的特点是将太阳光的集热部分安装在真空玻璃管内。玻璃管内的真空度约为 1×10^-2Pa，因之可以利用真空隔热有效地减少热管蒸发段向外界的散热损失。

真空管内的闷晒温度可达到 250℃，在-25℃的环境温度下不会被冻坏。热管真空管式太阳能热水器又可分为聚光式和非聚光式两种类型。

非聚光式如图 10-2 中（a）所示，位于热管真空玻璃管内的热管和平板式热管太阳能热水器的热管形式类似，在热管的两侧焊有两条肋片，并覆有低红外发射率的选择性涂层。

聚光式的如图 10-2 中（b）所示，在真空玻璃管内装有特殊形状的铝反射板，可以将任意角度射入的太阳光聚集到热管上，因之它的效率要比非聚光式热管太阳能热水器高。

热管太阳灶是将太阳能引入室内作为日常炊事用能的一种灶具。图 10-3 中（a）为一种室内热管太阳灶的示意图。

它由太阳光聚焦热管3，蓄能物质 2 及热管锅 4 组成。太阳光聚焦热管一般使用液态金属（钾或钠）高温热管，通过聚光系统（图中未表示）将太阳光聚焦在高温热管上，可以得到 800℃以上的高温，热管内部的工作液体通过相变传热，将热量传给室内的蓄能物质。

热管锅的任务是将蓄能物质的热量通过热管传导到锅内供烹调所用。热管锅的具体结构如图 10-3 中（b）所示。

图中1是热管的蒸发段，2 是热管内部的吸液芯， 3是冷凝段外的覆盖金属，4 是热管的冷凝段，图 10-3中（c）是热管锅使用时的温度值。

图中锅外温度是指热管蒸发段外管壁的温度，也即蓄能物质的温度。锅内温度是指锅表面温度，纵坐标指热管锅的轴向高度。在这种温度下的烹调食品如炒鸡蛋、油炸虾等美味可口。

将太阳能通过光电池直接转换成电能的装置已有许多应用。80~90 年代在欧、美开发了另一种太阳能电站，这就是热管太阳能电站。

它是由太阳能固定聚焦器，太阳能接收器（异型热管），热管传热系统，化学蓄能系统，热电转换系统组成。其原理示意图如图 10-4 所示。

图中 1 为太阳能聚焦器，它是一个抛物面反光镜，将平行入射的太阳光聚焦在太阳能接收器上。

太阳能接收器是一个异型热管的蒸发段。接收器是一个锥体的平板，板的一面接受入射的聚焦阳光，板的另一面有许多 100～300 目的不锈钢丝网组成的毛细吸液芯，点焊在锥体上。

当太阳光聚焦在锥体上时，丝网中的液态金属受热汽化，将热量传至冷凝段。冷凝段吸收的热量分为两部分，一部分是加热与斯特林热气机直接相连的二次热管。

二次热管的任务是将太阳能的热量传至斯特林热机中去加热热机的工质，作为热机的热源；另一部分热量用于加热金属氢化物蓄能系统，蓄能系统的任务是将多余的太阳能储蓄起来，在夜间或阴天时放出，以维持太阳能电站的持续发电。

图中的5是斯特林热机，6是发电机。前者的任务是将二次热管输入的热量做功。后者的任务是将斯特林热机输出的功转变为电能输出。

此种太阳能电站已在德国斯图加特大学研制成功。其关键问题是成本价格太高，贵金属材料耗用较多，投入市场的竞争力不大。

但它使用自然能源，对环境无污染，热电转换效率高，如果原材料价格能下降，则将是一种很有前途的产品。