摘要：提出一种高效的内插式全玻璃真空管空气集热器，其内插铝制导流管以增强换热，测试了该集热器在不同条件下的热性能。结果表明，集热器在多云天气下的平均效率为49.5%，晴朗天气下平均效率则为63.7%；集热器瞬时效率随入口工质流量的增加而增大；集热器纵向放置时的平均效率比横向放置时高6.3%。整体来说，此内插式真空管空气集热器的性能良好，有较好的推广和应用前景。
关键词：真空管空气集热器；热性能；集热效率
太阳能集热器主要分为平板型和真空管型两种[1-2]，真空管形式的太阳能集热器，由于其较低的热损系数，因而具有良好的集热性能，势必会被越来越多地研究和应用。目前常用的太阳能集热器从内部工质来分主要可以分为太阳能空气集热器和太阳能热水器两种，而太阳能空气集热器不仅在干燥、空调、采暖、工农业等领域有着广泛的应用前景，而且与水为工质的集热器相比，空气集热器不存在防冻、腐蚀、结垢等问题，且更具有安全性、简便性和可行性。真空管应用于空气集热器以其更高的集热温度，必将进一步拓展太阳能空气集热器的应用范围。内插式真空管太阳能空气集热器作为优化后的空气集热器，由于采用了全玻璃真空管作为太阳辐射接收器，且每根真空管内插入一根铝制导管作为气体导流管，与平板式空气集热器相比其吸热体和外界环境之间的热损大大降低，增强换热，集热效率较高。针对内插式全玻璃真空管太阳能集热器，国内外学者做了大量研究。Window在1983年最早提出内插式真空管形式，真空管集热器采用串联的形式，最大温升达到35 ℃[3]；2001年王志峰等对外径37 mm、壁厚1.5 mm、长度1 190 mm的内插玻璃管和外径19 mm、壁厚1 mm、长度可以自由伸缩的铜管组成的真空管空气集热器单管进行相关研究，建立了相关理论模型模拟集热器内部工质流动和换热情况，表明插管长度为1 135 mm时，气流在真空管底部形成了类似平板射流速度分布，管底换热情况较好[4]；2004年王佩明等对由12根真空管构成的内插管型全玻璃真空管空气集热器进行研究，试验得到了集热器的流动阻力性能曲线及工质流量在60和90 m3/h下的集热器效率曲线，试验还证明了内插管型全玻璃真空管空气集热器作为一阶系统处理时比较合理[5-6]；2007年Papanicolaou等将12根Φ47×1 500 mm的真空管以及Φ20 mm的金属管和联集箱构成的太阳能空气集热器进行测试，理论分析了单管内流场和温度场的模型，并试验得到了集热器的工作温度和集热器的效率[7]；2011年上海交通大学的袁颖莉等研究了52根全玻璃真空管以及内插钢管组成的横双排内插式真空管空气集热器，此集热器的出口温度平均约为55 ℃，整体的集热效率则为60%[8-9]。然而，针对内插式真空管空气集热器的一些特性研究，如温升能力、温度下降速度、集热器的放置方式对集热器的影响等，学者并没有做太多研究。
笔者基于内插式太阳能真空管空气集热器系统，对其基本热性能进行了试验测试研究。通过在不同天气下的瞬时效率对比、集热器在不同放置位置下其瞬时效率的对比以及温升能力以及温度下降速度的分析，提出此系统的适用条件及改进措施，为今后系统的应用提供理论基础，对真空管空气集热器的改进具有一定意义。
1 试验台的简介及搭建
该试验提供了一台内插式全玻璃太阳能真空管空气集热器，此集热器主要分为3个部分——联集箱、真空管和内插管。其结构示意图如图1，整个空气集热器系统大小为1 860 mm×2 100 mm。真空管空气集热器包括20组全玻璃真空管与铝管，有效集热面积约为2.5 m2。此内插管太阳能空气集热器的工作原理：外界空气在三相异步风机的作用下由集热器的入风口进入联集箱的空气流道内管，之后沿程分配给每一根铝制空气导流管，真空管与内插于其中的导流管构成一组空气流道，每组流道之间为并联关系。对每组空气流道，空气进入铝制内插管后从内插管的尾端进入铝管与真空管构成的环形流道中，在空气进入内插管以及流入热空气流道区的过程中，空气逐渐被内插管的内壁以及真空管内表面的选择性涂层加热，经加热后的空气温度升高，最终从真空管的出口进入联集箱的热空气流道区，各组流道流出的热空气在联集箱内热空气流道区汇集并从集热器的出口流出。
注：1. 空气流道内管；2.联集箱；3.真空管；4内插管；5.热空气流道区；6.工质入口；7.工质出口。
图1 太阳能空气集热器示意图
与此真空管空气集热器连接的有三相异步风机、涡街流量计，其系统原理图与实物图如图2所示。此太阳能空气集热器系统组合放置于一个倾角为26.6°的铁架上进行测试，方向为南北朝向且不可变动。涡街流量计通过不锈钢管与集热器出口连接，三相异步风机则通过不锈钢管与涡街流量计连接，整个试验过程为吸风方式。通过调节三相异步风机的频率来改变风机转速，进而改变集热器入口出工质的质量流量，以达到调节出口温度。集热器的进出口温度则采用Pt100铂电阻温度传感器测量，测量精度为±0.1 ℃，综合精度为±0.3 ℃，温度采集范围为-200～200 ℃；采用TBQ-2总辐射表来测试太阳辐照强度，该表的灵敏度为7.464 μV/(W·m2)，测量精度<2%，该表放在与集热器同角度的倾斜斜面，并加以固定；记录测试仪则为TRM-2型太阳能测试系统，可采集温度、风速、直辐射、总辐射等数据。
2 内插式真空管空气集热器测试的理论基础
太阳能空气集热器在准稳态下照射到空气集热器上的太阳能辐射量等于工质带走的热量和集热器散失到环境周围热量之和[10-11]。据此原理可建立太阳能空气集热器的热平衡方程，在稳态条件下运行的太阳能空气集热器的瞬时效率η为集热器实际获得的有用功率qu与集热器接收的太阳辐射功率之比。式(1)为瞬时效率公式[12-14]：
注：1. 百叶箱；2.环境风速仪；3.三相异步风机；4.空气集热器；5.太阳辐射表；6流量计；7.热风流道。
图2 内插式全玻璃真空管空气集热器系统原理图(a)与实物图(b)
(1)
一般情况下，该研究考虑集热器不泄露或者泄露不明显的状态，此时就有
集热器实际获得的有用的热功率qu如式(2)所示：
(2)
式中
为空气集热器泄露的流量
为进口空气流量
为出口空气流量为空气进出口流量算术平均值，t0为集热器出口温度，ti为集热器入口温度，Cp为空气的比热容，ΔT为空气进出口温度差。因此太阳能空气集热器的瞬时效率如式(3)所示[15]：
(3)
由于试验台架只是一个钢结构倾斜支架，而且加上试验条件的限制，在试验时并没有进行一维跟踪，致使集热器在试验过程中会产生余弦损失。其原理为平板集热器的表面不可能总是与太阳光的入射方向垂直，会产生一个倾斜角，余弦损失就是因这种倾斜所导致的平板集热器反射面的面积相对于太阳光可见面积的减少而产生的，余弦损失大小与平板集热器表面法线和太阳入射光线之间夹角的余弦成正比，这即是入射角变化引起的光学损失。余弦损失即太阳入射角的损失，在实际情况下，我们希望太阳入射角越小越好。对于任意纬度、任意时间，太阳能集热器处于几何位置的太阳入射角的余弦值(余弦因子)可表示为：
cosθ=sinδsinφcosβ-sinδcosφsinβcosγ+cosδcosβsinγsinω+cosδsinφsinβcosωcosγ+cosδsinβsinγsinω
(4)
式中，θ、φ、β、γ分别为太阳入射角、当地纬度、集热器倾角和集热器方位角。太阳赤纬角:
(5)
太阳时角:
ω=15(ts-12)
(6)
其中，n为日序，Ts为太阳时。由于试验地点位于云南省昆明市 ，地处北半球，大致纬度为25.01°，集热器的放置位置一般都为南北放置，有γ=0，则式(4)可简写为：
cosθ=cos(φ-β)cosδcosω+sin(φ-β)sinδ
(7)
其中,天顶角θz=90°-as，太阳高度角αs表达式为：
sinαs=sinφsinδ+cosφcosδcosω
(8)
cosθz=sinφsinδ+cosφcosδcosω
(9)
将式(8)代入式(7)可得：
cosθ=cosβsinαs+cosδcosωsinφsinβ-sinδcosφsinβ
(10)
太阳方位角γs的表达式为：
(11)
将式(11)代入式(10)可得出余弦损失与所有太阳角的关系，即：
cosθ=cosαcosφcosγssinβcos-1φ+sinδsinβcos-1φ-sin2φsinδsinβcos-1φ+cosβsinαs-sinδsinβcosφ
(12)
联立式(12)与式(3)可以得出平板型空气集热器的瞬时效率表达式为：
(13)
3 结果与分析
该测试试验对集热器性能的分析主要是针对典型晴天和多云天气的对比，探究集热器在不同天气条件下的进出口温度、瞬时效率，为今后此集热器在实际工程的热利用过程中提供数据参考。应结合所需温度、效益、成本等因素综合考虑使用方法，提高此空气集热器的利用率，为真空管空气集热器的推广及应用做出积极作用。
3.1 集热器在不同天气条件下进出口温度的对比 图3显示了多云天气和晴朗天气下进出口温度与辐照度的关系，试验测试过程中风机流量选择为0.02 kg/s。在太阳辐照度相对稳定的情况下，集热器的出口温度稳定上升，集热器的最高出口温度可达120.4 ℃；多云天气，集热器出口温度有所波动，但整体趋势还是在上升状态，最高出口温度为95.8 ℃，据此，可根据其温度变化应用于相适应的工程应用，如间歇性干燥、供暖等。对于典型晴天，此内插式真空管空气集热器所能提供的温度可应用于大部分中低温热利用领域，且出口温度较高，温度稳定。
针对典型晴天，笔者分析了集热器的进出口温差与辐照度的线性关系以及非线性关系，可以清楚地了解太阳辐照度对集热器进出口温度、温差的影响，以便我们去适当调控，达到最佳的热利用。如式(3)所示：
注：a.多云天气；b.典型晴天。
图3 内插式真空管空气集热器在不同天气条件下辐照度与温度关系
(14)
式中，FR为集热器热迁移因子，UL为真空管集热器的总热损系数，α为真空管玻璃对太阳光的吸收率，τ为真空管玻璃对太阳光的透射率，ta为环境温度。由式(14)可得：
(15)
由式(14)和式(15)可知，当集热器的进口温度与环境温度相当，即ti=to时，此时集热器的效率只取决于集热器的热迁移因子和集热器真空玻璃管的透射吸收乘积，即有：
η=FR(τα),或
(16)
由式(16)可知，集热器的进出口温差与辐照度呈一次函数关系，但如果从高温分析温度与辐照度的关系，则可看出温度与辐照度之间应该呈现二次函数关系。由于此时集热器的温度不是很高，因此，在一定的低温温度范围以内，可以近似看成是线性关系。
一般真空管集热器的吸收率和透射率为常量，此时集热器的热效率仅取决于热迁移因子，而热迁移因子又主要取决于空气流量。图4为真空管空气集热器进出口温差与辐照度之间的线性关系和非线性关系，与式(16)相比，其线性关系：
to-ti=-12.891 222 9+0.104 024 7G
(17)
非线性关系式为：
to-ti=7.897 034 3×10-5G2-0.008 0107G+23.999 403
(18)
由图4a可知，集热器进出口温差与太阳辐照度为线性关系，拟合系数R2=0.923 88，当辐照度为0时，与y轴的截距为-12.891 222 9，温差为负值，其原因为集热器存在一定的热损；由图4b可知，当集热器在0辐照度下，温差与y轴的截距为23.999 403 2，进出口温差为正值。
注：a.温度与辐照度的线性关系;b.温度与辐照度的非线性关系。
图4 集热器进出口温差与太阳辐照度的关系
3.2 集热器在不同质量流量下热性能测试 真空管空气集热器作为一种太阳能热利用上最重要的供热部件之一，其性能直接关系到整个热利用过程中的效果，因此，测试其各项性能并掌握集热器的各项性能因素，对以后利用和改进都具有一定意义。如图5所示，分析了集热器在不同质量流量下瞬时效率与辐照度的关系。
图5 工质质量流量和太阳辐照度对集热器效率的影响
太阳辐照度在400～1 000 W/m2之间变化，而集热器入口处工质的质量流量则分别调为0.01、0.03、0.05、0.07、0.09 kg/s，集热器的瞬时效率与太阳辐照度呈现一个正比变化关系。
当辐照度在400～1 000 W/m2变化时，在各个质量流量下，集热器的平均效率增长5.5%。工质在一定流量范围内(0.01～0.09 kg/s)，对应不同太阳辐照度400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950、1 000 W/m2,集热器瞬时效率增长率分别为5.2%、5.3%、5.3%、5.2%、5.3%、5.1%、5.1%、5.0%、5.0%、4.9%、4.9%、4.9%、4.8%。可见，在辐照度逐渐增大的情况下，集热器瞬时效率增长幅度变缓，增幅从5.3%降至4.8%。引起这一变化的主要原因是在太阳辐照度逐渐增大的过程中，集热器的出口温度也越来越高，上升也越来越缓慢，出口温度增加也越来越困难，导致集热器瞬时效率增长变慢。
3.3 集热器在不同天气条件下的瞬时效率 笔者分别对集热器在晴天和多云天气下的瞬时效率的变化进行了对比，如图6所示。风机流量选择为0.05 kg/s，在晴朗天气下集热器的效率曲线稳定上升，斜率较小，其瞬时效率保持在50%以上，太阳辐照度在321～980 W/m2变化时，集热器的效率从41.1%增长到75.6%，平均效率为63.7%，其中最大出口温度达到120.4 ℃；在多云天气下，由于太阳辐照度不稳定，导致集热器瞬时效率浮动较大，但最高瞬时效率达到93.7%，集热器在辐照度为212～884 W/m2范围内随机变化，其平均瞬时效率为49.5%。
注：a.晴朗天气;b.多云天气。
图6 不同天气条件下集热器的光热转换效率
3.4 集热器在不同放置方式下的效率 分析集热器的放置方式可以最大限度地有效利用集热器的热量，如图7所示，探究了集热器在不同放置方式下的进出口温差及效率的对比。从试验数据分析可知，在相同试验条件下，集热器进口空气流量均为0.05 kg/s时，其纵向放置比横向放置效率更高，出口温度更加稳定。笔者截取辐照度相对稳定的1.5 h内的数据进行分析，太阳辐照度在736～975 W/m2内变化时，纵向放置时集热器进出口温差最大值为84.2 ℃，平均温差为79.0 ℃，而横向放置时集热器进出口温差最大为81.5 ℃，平均温差为75.2 ℃，集热器纵向放置比横向放置的最大温差高出3.8 ℃；在集热器的瞬时效率方面，当其横向放置时最大瞬时效率为63.4%，平均瞬时效率为56.4%，集热器纵向放置时最大瞬时效率为73.1%，平均效率为62.7%，可见集热器纵向放置比集热器横向放置下的瞬时效率平均高出6.3%。集热器横向放置时的平均进出口温差与平均瞬时效率值均小于集热器纵向放置下的数值，这是因为在一天的大部分时间内集热器横向放置时接收的太阳辐照度小于集热器纵向放置时的太阳辐照度。当太阳自东往西运动时，横向放置时接收的太阳辐照度呈现逐渐增加的趋势，在午间达到最大，过了午间以后逐渐降低，而纵向放置下的集热器接收的太阳辐照度基本保持不变。因此集热器无论在进出口温差还是在瞬时效率上，集热器纵向放置都比横向放置时热效率更优。对于今后集热器的工程应用方面，可以参考并建议单排真空管空气集热器采取纵向放置方式。
4 结论
笔者针对内插式真空管空气集热器的各项性能进行了测试与分析，对不同天气条件下的情况进行了对比试验，结果表明：
注：a.不同放置方式下温差对比;b.不同放置方式下的效率对比。
图7 集热器在不同放置方式下热性能对比
(1) 内插式真空管太阳能空气集热器无论在多云还是晴朗天气下，其出口温度均能在60 ℃以上，其中晴天最高出口温度达到120.4 ℃，平均效率达63.7%，即使在多云天气下，集热器的平均效率也能维持在49.5%以上。
(2) 内插式真空管空气集热器在不同的放置方式下对集热效率有一定影响，当集热器横向放置时其平均瞬时效率为56.4%，最大进出口温差为81.5 ℃，而当集热器纵向放置时平均瞬时效率为62.7%，最大进出口温差达到84.2 ℃。可见当选择此类集热器放置时，应选择集热器纵向放置，无论从集热效果还是整体应用方面都较优。
