全铝太阳能热水器吸热板芯设计研究
张 剑 沙永玲 张 敏 贾 兵 续焕甲
(河南省科学院能源研究所，郑州 450003)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
效全铝太阳能热水器吸热板芯。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合型，制作
成本降低了25～30%。
关键词 太阳能水器 吸热板芯
分类号 TK 513.3
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。从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30万平方米左右，其中80%以上是铜
铝复合型吸热板芯。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)入手，研制了全铝太阳能热水器吸热板芯。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
图1 翅片管断面
F ig.1 T he cr oss-sectio n o f the w ing o f the allalum inium heat-collecto r
D 1—吸热管内径 D —吸热管外径 W —翅片管节距 b 1翅片宽度 —翅片厚度
第
15卷 第4期1997年12月河 南 科 学HENAN SCIENCE V ol.15N o.4Dec.1997 收到日期 1997-05-10 第一作者 男 35岁 助理研究员
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
用纯铝或铝合金，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
:
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25—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 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 、 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。
肋片效率F
F =tan h 〔m ・(W-D)/2〕m ・(W-D)/2
(1)式中 m 2=Ul/ ・
U l：为热损系数 W/m 2・K
：为材料导热系数 W /m ・K
热效率因子F ′
F ′=1/(U l ・W )1/U l 〔D+(W-D)F 〕+1/C b +1/(!D i h fi
(2)式中 1/C b ：为肋片与管子的接触热阻。对于铜铝复合型1/C b ≈0.06；对于全铝型1/C b =0 h fi 为管内流体放热系数 W/m 2・K 。成本系数K 用如下经验公式计算[3]
K=
54000 +(950/W )×180
F ′
(3)K 值愈低愈好,F 及F ′愈高愈好。通过计算机优化计算，该翅片管的特征尺寸为:D=14.4mm D i =12mm =0.7mm b=63mm W=118.4mm —440—河 南 科 学第15卷第4期
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，分别装入相同的集热壳体中，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，待到进出口水温相同时，同时去掉遮光板，投入太阳辐射，并同时启动温度自动记录仪，数据采集开始。当时间∀=M /G 时，停止试验。多次试验结果如图2
所示。
图2 对比试验温度响应电线
F ig.2 T he temper ature r esonance cur vel (Compar ing t est )
Ⅰ—全铝集热器温度曲线 Ⅱ—铜铝复合集热器温度电线
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 m -t a )/I (4)4 板芯的防腐处理[4]
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，再形成一层保护膜，从而使吸热板芯的使用寿命在10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 采用铝材一次挤压成型工艺，工艺简单，成本降低25-30%。
5.3 管间连接，采用钎焊工艺，并进行氧化、防腐涂层双重处理，提高了吸热板的使用寿命。—
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全铝太阳能热水器吸热板芯设计研究
5.4 全铝太阳能热水器吸热板芯，适用性强，具有较大的社会效益和经济效益，应用前景广阔。
参考文献
1 〔美〕J ・A ・达菲著.太阳能—热能转换过程.北京：科学出版社.1980,118-150
2 杨世铭主编.传热学.北京：人民教育出版社.1982,50-56
3 徐寿波著.能源技术经济学.长沙：湖南人民出版社.1981
4 于福洲著.金属材料的耐腐蚀性.北京：科学出版社.1982,350-365
DESIGN OF THE ALL -ALUMINIUM
SALOR ENERGY ABSORPTION BLOCK
Zhang J ian et al
(Ener gy Res earch Ins titute Henan Academy of Sciences )
Abstract A high-efficiency all-alum inium sloar energ y absorptio n block for solar energy w ater -heater w as developed through optimization design ,combined w ith the char-acter istics of sunshine radiation.It has hig her heat -collect efficiency and smaller cost than the cupper aluminium complexed blo ck.
Key words Solar w ater -heater , A bsorp tion block —442—河 南 科 学第15卷第4期
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吸热,热水器,太阳能
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