【原】767 太阳能热泵干燥装置-真空管型空气集热器设计及实验

基本结构

真空管型空气集热器的基本结构如下图。

图中太阳光穿过透光外管照射到内管外表面的光热转化涂层上，太阳能转化为热能加热内管中流动的空气，进入真空管内管的冷空气在流过真空管过程中被加热为热空气排出。

典型真空管及集热组件产品参数。

设计方程

设计基本方程约为（以单根真空管为例）：

Q_S=Q_a

式中，Q_S为集热面（即内管外表面）上得到的太阳能，W；Q_a为空气流过真空管过程中获得的热能，W。

单根真空管集热面得到的热能约为：

Q_S=1.57E_SD_oLC_pC_a

式中，E_S为垂直于真空管的太阳总辐射强度，W/m²；D_o为集热管（即内管）外直径，m；L为集热管长度，m；C_p为透明外管的透光率，无因次；C_a为集热面的净吸收率，无因次。

空气获得的热能约为：

Q_a=m_aC_pa(T_o-T_i)

式中，m_a为空气流量，kg/s；C_pa为空气定压比热，J/(kg.℃)；T_o为空气出集热器温度，℃；T_i为空气进集热器温度，℃。

计算示例

设太阳总辐射强度400W/m²，透明外管的太阳光透过率约0.95，集热管的净吸收率0.92；空气进集热器温度20℃，要求出集热器热空气温度60℃，空气定压比热1005J/(kg.℃)，集热管（即真空管的内管）外直径约0.047m，集热管长度1.8 m；试确定单根真空管相匹配的空气流量。

集热管得热量约为：

Q_S=1.57E_SD_oLC_pC_a=1.57*400*0.047*1.8*0.95*0.90=46W

空气得热量：

Q_a= Q_S=46W

空气匹配流量应为：

m_a=Q_a/(C_pa(T_o-T_i))=46/(1005*(60-20))=0.0011kg/s

设空气密度1.2kg/m²（20℃时），则空气体积流量约为：

3600*0.0011/1.2=3.3m³/h

参考上述数据可确定需加热不同流量空气时所需的真空管根数.

例如，需加热的空气流量为200 m³/h时，则所需的真空管根数约为：

200/3.3=61根

实际设计时，可合理布置真空管外管之间的距离（如0.3~1.0倍外管直径），并在集热器后设置反光板等方式增加当量集热面积，减少所需的真空管根数。

集热过程中，内管受光面和背光面温度可能有明显差异，内管可考虑采用金属等导热良好材料来提高对空气的加热能力。

空气在真空管内管中的流速也对集热过程有一定影响，流速过小时，可能使内管温度过高而导致热损失增大。

性能实验

全玻璃真空管，外管外直径约58mm，内管外直径约47mm，长度1800mm；实验时间为11月中旬中午，天气较晴朗（太阳辐射强度约400W/m²），真空管倾斜角度与太阳光照方向垂直。

空气进真空管温度约13℃，空气进出真空管连接接管的内直径约8mm，空气流速约9.5m/s，热空气出真空管温度约88℃，则空气流量约为：

m_a=0.25*3.14*0.008*0.008*9.5*1.2=0.00057kg/s

空气得热量约为：

Qa=0.00057*1005*(88-13)=43W

太阳照射到单根真空管外管表面上的能量约为：

1.57*400*0.058*1.8=66W

空气得热量与到达外管表面的太阳能之比（热效率）约：

43/66=0.65

应用于移动型太阳能热泵干燥装置的管型空气集热器，可考虑非玻璃型透光外管、非真空型隔热层、柔性盘绕型（如蚊香样式）等，可便于运输和安装。