全铝太阳能热水器吸热板芯设计研究

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第lj喜第{期河南科学V)．1jNo．41997年12月HENASCIECE】)ec．]9977一牛全铝太阳能热水器吸热板芯设计研究张剑沙永张敏贾兵续焕甲(河南省科学院能源研究所，郑州450003)7摘要结合光照特点，通过对太阳能热水器吸热板芯的优化设计，研制出一种高致奎铝太阳能热水嚣吸热板芯。试验表明，它与目前国内较先进的铜铝复合板芯相比，具有以下技术经济指标：集热效率略高于铜铝复旮型，制作成拳降低了25～3O关键词太阳能水嚣讨，芯拘分类号TK513．3目前，在太阳能热水器的家族中，推广应用较多的，首属平板型太阳能热水器。它比其真空管热水器有

2、明显的廉价优势．比其闷晒式热水器又有明显的性能优势．既可用于家庭，也可用于集体单位和工业生产扶近年来市场销售情况来看．平板型_太阳能热水器年销售量在30万半方米左右，其中8O以上是铜铝复台型吸热板。该吸热板芯是由国外引进的生产线加工制作而成。由于其引进费用昂贵，加工过程复杂．且使用了一定量的贵金属铜，所以加工成本仍偏高，限制了它应有的发展。为此，我们从平板热水器的核心部件(吸热板芯)人手，研制了全铝太阳能热水器吸热板苏。这种优化设计制作板芯，在国内尚属首次报道。1板芯结构及其加工吸热板芯是太阳能热水器的核心部件(由它实现光热转换)，它直接影响着太阳能热水器的集热效率和加工成本。为此，我们重点

3、从两个方面进行研究。1．1提高采光性能为了在一天之内采集到较大的太阳光能，太阳能热水器，一般都是座北向南静止放置。而太阳相对地球，呈现为自东向西从天空走过(实际上是地球自转形成的)考虑到这种特定围1翅片管断面Fig．1TheCROSS-sectionofthewingoftheatLaLumlniumheatcollectorD吸热管内径D吸热管外径w钮片管节雁b翅片宽度翅片厚度·收到El期1997一O5—1O第一作者男35岁助理研究员维普资讯http://www.cqvip.com河南科学第l5卷第4期的空间形态，我们把吸热板芯设计成具有连续”w”型的纵向(垂直于中心管)波纹．断_面如图1

4、所示。其特点为，在较大的太阳光入射角范围内，具有较高的方向吸收因子。因此，采光性能即日均效率得到了提高。1．2加工工艺用纯铝或铝台金，在大型热挤压机上，通过专用模具一次挤压成型，其工艺流程为：回一一[亟]一回匝回一一匹蔓至一一圈回一一臣圆一圈采用一次挤压成型工艺，具有工艺简单，加工成本低等特点。用铝材替代铜材，降低材料成本，该吸热板芯较铜铝复合型成本降低23-一30。由于不存在复合型结构形成的接触热阻，进一步提高了决定热效率1的效率因子F值．使热性能得以改善。2板芯设计计算为了结构方案优选，以肋片效率F所需的自变量W、b、d为设计空间，以技术经济系数为目标函数，通过正交计算决定最佳方案肋片效

5、率FF-m·(W婴—D)／2【⋯1]式中m一UI／X·aUl：为热损系数W／m·K：为材料导热系数W／m·K热效率因子F而面(2)式中I／C：为肋片与管子的接触热阻。对于铜铝复台型I／C≈0．06i对于全铝型1／Cb0h为管内流体放热系数W／mK。成本系数K用如下经验公式计算K一巡(3)K值愈低愈好，F及Ff愈高愈好。通过计算机优化计算，该翅片管的特征尺寸为：D一14．4ramn一12rama一0．7ramb一63ramW=118、4ram维普资讯http://www.cqvip.com1997年12月全铝太阳能热水器吸热板芯设计研究一44]3试验与分析为了衡量全铝太阳能热水器吸热板芯的性能

6、优劣，我们在测试集热效率的同时，进行了与铜铝复合型对比试验。’)3．1试验条件3．1．1将结构尺寸相同的全铝板芯和铜铝复合板芯，喷涂同种涂层后，分1装人相同的集热壳体中，组成两试样集热器。3．1．2放置倾角和方位角相同。3．1．3调节流量相同3．2试验结果先将两试样集热器同时遮光．持到进出口水温相同时，同时去掉遮光板，投人太阳辐射．并同时启动温度自动记录仪，数据采集开始。当时间I：=M／G时，停止试验。多次试验结果如图2所示围2对比试验温度响应电线Fig．2Thetemperatureresonancecurvel(Comparingtest)1一全铝集热器温度曲线口一铜铝复合集热器温度电线

7、这说明全铝太阳能吸热板芯热性能略优于铜铝复合吸热板芯。其集热器热效率方程为：0．75—5．46(t一t)／I(4)4板芯的防腐处理]采用两道工艺(1)用电化学氧化法先形成一薄层氧化膜，(2)用防腐防渗涂料，再形成层保护膜，从而使吸热板芯的使用寿命在lO年以上。5结论5．1该全铝太阳能热水器吸热板芯，经过技术经济优化计算，采用纵向连续w波纹结构，使翅片表面的采光、吸热性能改善，并提高翅片的机械强度。5．2采用铝