基于環(huán)路熱管的太陽(yáng)能熱水器模擬研究

朱亞萍 李偉杰（鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院， 河南 鄭州 450001）

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基于環(huán)路熱管的太陽(yáng)能熱水器模擬研究

朱亞萍 李偉杰（鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院， 河南 鄭州 450001）

摘要：為滿足伴隨著城市建筑的高樓化所帶來(lái)的新型太陽(yáng)能熱水器的需求，本文提出了一種新型的分離型太陽(yáng)能熱水器。利用環(huán)路熱管技術(shù)來(lái)達(dá)到遠(yuǎn)距離穩(wěn)定導(dǎo)熱的目的，使用Matlab/Simulink模擬軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，對(duì)系統(tǒng)的啟動(dòng)特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：環(huán)路熱管可以滿足太陽(yáng)能熱水器需求，能在兩個(gè)小時(shí)內(nèi)完成啟動(dòng)。

關(guān)鍵詞：環(huán)路熱管；太陽(yáng)能；動(dòng)態(tài)仿真；啟動(dòng)特性

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能的最簡(jiǎn)單最有效的方式，可以有效地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能［1］。

伴隨著城市建筑的高樓化，傳統(tǒng)的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化城市的建筑需求，一種新型的分離型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)亟待研究。

分離型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的關(guān)鍵就在于遠(yuǎn)距離穩(wěn)定的導(dǎo)熱，其導(dǎo)熱技術(shù)的性能決定了太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的性能表現(xiàn)［2］。環(huán)路熱管（Loop Heat Pipe，以下簡(jiǎn)稱LHP）是一種存在相變的高效傳熱裝置，它以蒸發(fā)器內(nèi)的毛細(xì)芯表面彎月面產(chǎn)生的毛細(xì)力為動(dòng)力，利用工質(zhì)的相變來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞，因此能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離導(dǎo)熱［3，4］。

本文對(duì)環(huán)路熱管在分離型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1 模擬研究

（1）模擬方法 對(duì)基于環(huán)路熱管的分離型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，建立了熱水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

采用Matlab/Simulink模擬軟件進(jìn)行模擬研究。Simulink 是MATLAB最重要的組件之一，它能夠提供一個(gè)集成環(huán)境，在這個(gè)集成環(huán)境里可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析。

（2）模型建立 基于環(huán)路熱管的分離型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成：蒸發(fā)器，氣體管道，冷凝器，液體管道。其示意圖如圖1所示。

圖1 基于環(huán)路熱管太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)示意圖

根據(jù)系統(tǒng)的熱力學(xué)分析所建立的Simulink模型原理圖如圖2所示。

圖2 模型原理示意圖

（3）邊界條件設(shè)置 模擬過程中所使用的各類參數(shù)需要提前進(jìn)行計(jì)算，然后在Matlab主界面進(jìn)行輸入，將其值賦到Matlab的工作空間內(nèi)，從而便于模擬過程中對(duì)所需要參數(shù)值的調(diào)用和計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

模擬所得的基于環(huán)路熱管的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在加熱功率50W時(shí)的啟動(dòng)特性如圖3所示。

圖3 50W時(shí)新系統(tǒng)啟動(dòng)特性

由圖中可以看出，系統(tǒng)在開始加熱之后，加熱板溫度立即開始上升，且保持穩(wěn)定的上升速度。

因?yàn)榧訜峁β适呛愣ǖ模裕訜釡囟鹊纳仙俣葲]有發(fā)生改變。

冷凝器的溫度在4500s之前一直保持為室溫，因?yàn)榧訜釡囟冗€沒有達(dá)到內(nèi)部工質(zhì)的相變溫度，所以系統(tǒng)內(nèi)部還沒有產(chǎn)生工質(zhì)的流動(dòng)，冷凝器溫度沒有改變；在4500s時(shí)，加熱溫度達(dá)到產(chǎn)生相變的條件，系統(tǒng)開始產(chǎn)生蒸汽，在壓力推動(dòng)下向冷凝器流動(dòng)，所以造成冷凝器溫度突然上升；冷凝器的溫度在穩(wěn)定時(shí)略低于加熱溫度，主要原因是氣體管路內(nèi)存在一定流動(dòng)損失，消耗了蒸汽內(nèi)能，造成溫度下降。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)基于環(huán)路熱管的分離式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)進(jìn)行了模擬研究，使用Matlab/Simulink模擬軟件建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明，環(huán)路熱管可以滿足太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)需求，啟動(dòng)迅速。

參考文獻(xiàn)：

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［2］張潔，李勇，王如竹，等.分離式熱管型太陽(yáng)能熱水器運(yùn)行性能的理論分析［C］//中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)傳熱傳質(zhì)學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.2006：1813-1818.

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［4］向艷超，侯增祺，張加迅，等.環(huán)路熱管技術(shù)（LHP）的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2004，25（4）：682-684.